Ապահովել մաթեմատիկոսների վրա, որոնք կօգնեն փրկել մոլորակը

Դուք կարող եք ակնկալել, որ նման եղունգ կրծող անեկդոտը կգա հետախույզից, բայց դոկտոր Ռայմերը մաթեմատիկոս է և դասախոս Յուտայի ​​համալսարանում, ինչպես նաև այն համայնքի մի մասն է, որը հարմարավետ դասասենյակները փոխել է Երկրի ամենաանհյուրընկալ անապատներով։ , գլոբալ տաքացումը հասկանալու համար թվեր օգտագործելու նպատակով:

Նրանց արկածները նրանց հնարավորություն են տալիս առաջին ձեռքից դիտարկել բևեռային շրջաններում փոփոխությունների խթանող գործընթացները և հաստատել ծովային սառույցի իրենց մաթեմատիկական տեսությունները և նրա դերը որպես կարևոր բաղադրիչ Երկրի կլիմայական համակարգում:

Խաղալ տեսանյութ

Բարդ խնդիր

Արկտիկայում ծովի սառույցի հաստությունը և տարածությունը արագորեն նվազել են այն պահից, երբ առաջին անգամ արբանյակային չափումներ են կատարվել 1979.

Ծովի սառույցը Երկրի սառնարանն է, որն արտացոլում է արևի լույսը դեպի տիեզերք: Նրա մշտական ​​ներկայությունը կարևոր է մեր մոլորակի ապագայի համար, քանի որ քանի որ ավելի շատ սառույց է հալվում, ավելի շատ մութ ջուր է հայտնվում, որն ավելի շատ արևի լույս է կլանում: Արևից տաքացած այս ջուրը ավելի շատ սառույց է հալեցնում ինքնահաստատվող ցիկլով, որը կոչվում է սառցե ալբեդո: հետադարձ կապ.

Թեև ծովի սառույցի անկումը Երկրի մակերևույթի մոլորակների տաքացման հետ կապված ամենատեսանելի լայնածավալ փոփոխություններից մեկն է, դրա վարքագիծը և բևեռային համակարգի արձագանքը վերլուծելը, մոդելավորելը և կանխատեսելը աներևակայելի դժվար է, բայց մաթեմատիկոսները կարող են օգնել:

Քենեթ Գոլդենը՝ մաթեմատիկայի վաստակաշատ պրոֆեսոր և Յուտայի ​​համալսարանի կենսաբժշկական ճարտարագիտության կից պրոֆեսոր, 30 տարվա ընթացքում ստեղծել է ծովային սառցե եզակի ծրագիր: Մաթեմատիկական հետազոտությունների, կլիմայի մոդելավորման և հետաքրքիր դաշտային արշավների համադրությունը գրավել է ուսանողներին և հետդոկտորանտներին, այդ թվում՝ դոկտոր Ռայմերին, ովքեր կենտրոնացած են այս տեսակի գիտության օգտագործման վրա՝ արագ փոփոխվող կլիմայի հրատապ մարտահրավերներին դիմակայելու համար:

Ֆակտորինգ կենդանիների մեջ

Դոկտոր Ռայմերն ուսումնասիրել է, թե ինչպես են բևեռային արջերն ու փոկերը արձագանքում իրենց սառած միջավայրի փոփոխություններին: Մինչ նա օգտագործում էր մաթեմատիկական մոդելներ՝ հասկանալու այս արարածների և նրանց բնակավայրի փոխազդեցությունը, նա նաև չափումներ և նմուշներ էր վերցրել Արկտիկայի արջերից, ինչը նա երբեք չէր սպասում, որ կանի որպես մաթեմատիկոս: «Նրանք լիովին չեն քնում, երբ հանգստացած են. նրանք տխուր են»,- բացատրում է նա: «Նրանցից մեկն ինձ զայրացրեց, քանի որ թվում էր, թե ինչ-որ պահի կարող է արթնանալ»:

Բժիշկ Ռայմերը չափումներ է անում Արկտիկայի հանգստացնող բևեռային արջից:

Նրանց բնակության վայրի կրճատումը նշանակում է, որ բևեռային արջերը քայլում են բարակ սառույցի վրա, բայց հույս կա, որ բժիշկ Ռեյմերի նման ուսումնասիրությունները կօգնեն մասնագետներին հասկանալ, թե ինչպես պաշտպանել հոյակապ գիշատիչներին:

Այնուամենայնիվ, ծովի սառույցի ներսում գտնվող աղի ջրի գրպաններում ապրող մանրէների և ջրիմուռների «խելքը փչող» մանրադիտակային աշխարհն է, որն այժմ հուզում է նրան: Այս կենսաբանական համայնքը և նրա կենսամիջավայրը ազդում են ջերմաստիճանի, աղիության և լույսի փոփոխություններից, ինչը դժվարացնում է ճշգրիտ մոդելավորումը: Իր ընթացիկ աշխատանքում դոկտոր Ռայմերը մոդելներ է կառուցում՝ հասկանալու համար, թե ինչպես են այս գործոնները փոխազդում սառույցի ներսում կենսաբանական ակտիվությունը որոշելու համար: «Հասկանալը, թե ինչպես են այս փոքր մասշտաբներով գործընթացները նպաստում մակրո մակարդակի օրինաչափություններին, չափազանց կարևոր է բևեռային ծովային էկոլոգիայի վրա տաքացող կլիմայի ազդեցության մոդելավորման համար», - բացատրում է նա:

Թվերը աղի սառույցի վրա ճռճռացնելով

Պրոֆեսոր Գոլդենին հետաքրքրող խնդիրն է հասկանալ, թե ինչպես է ծովի սառույցի մանրադիտակային կառուցվածքն ազդում սառույցի հսկայական տարածությունների վարքագծի վրա: Նա 18 անգամ այցելել է Երկրի բևեռային շրջաններ՝ համարձակվելով արևմտյան քամիների հետ, որոնք հայտնի են որպես «Մռնչող քառասուններ»՝ նավով հասնելու Անտարկտիկա և ծովի սառույցը չափելիս՝ խուսափելով սառցե ջրերի մեջ ընկնելուց: «Մի անգամ ինձ այցելեց մոտ ութ ոտնաչափ հեռավորության վրա գտնվող մի հսկա կետ, ով հեշտությամբ կարող էր կոտրել այն բարակ սլաքը, որի վրա ես գտնվում էի պոչի պատահական շարժումով», - ասում է նա:

Խաղալ տեսանյութ

Պրոֆեսոր Գոլդենն ուսումնասիրում է ծովի սառույցի միկրոկառուցվածքը՝ հաշվարկելու համար, թե որքան հեշտությամբ հեղուկը կարող է հոսել դրա միջով: «Ծովի սառույցը աղի է։ Այն ունի աղաջրերի ծակոտկեն միկրոկառուցվածք, որը շատ է տարբերվում քաղցրահամ ջրի սառույցից»,- ասում է նա:

Պրոֆեսոր Գոլդենը միջդիսցիպլինար թիմերին առաջնորդել է կանխատեսել այն կրիտիկական ջերմաստիճանը, որով աղի ներդիրները միանում են, որպեսզի հեղուկը կարողանա հոսել ծովի սառույցի միջով, և մշակել ռենտգենյան տոմոգրաֆիայի առաջին տեխնիկան՝ վերլուծելու, թե ինչպես է ընդգրկումների երկրաչափությունը զարգանում ջերմաստիճանի հետ: «Հասկանալը, թե ինչպես է ծովի ջուրը թափանցում ծովի սառույցի միջով, այն մեկնաբանման բանալիներից մեկն է, թե ինչպես կլիմայի փոփոխությունը տեղի կունենա բևեռային ծովային միջավայրում», - բացատրում է նա:

Այս «միացման-անջատման անջատիչի» հայտնաբերումն օգնել է գիտնականներին ավելի լավ հասկանալ այնպիսի գործընթացներ, ինչպիսիք են, թե ինչպես են լրացվում սննդանյութերը, որոնք կերակրում են ջրիմուռների համայնքներին, որոնք ապրում են աղաջրերի մեջ:

Պրոֆեսոր Գոլդենի ուսումնասիրությունները ցույց են տալիս, թե որքան հեշտությամբ հեղուկը կարող է հոսել ծովի սառույցի միջով, որն ունի աղի ներդիրների ծակոտկեն միկրոկառուցվածք (նկարում): WF Weeks և A. Assur, CRREL (ԱՄՆ բանակի սառը շրջանների հետազոտական ​​և ինժեներական լաբորատորիա) հաշվետվություն 269, 1969 թ.

Ծովային սառույցի աղը նույնպես ազդում է նրա ռադարային ստորագրության վրա, որն ազդում է այնպիսի պարամետրերի արբանյակային չափումների վրա, ինչպիսիք են սառույցի հաստությունը, որոնք օգտագործվում են կլիմայական մոդելները վավերացնելու համար: Այս մոդելները կարևոր են, քանի որ դրանք կանխատեսում են մեր կլիմայի ապագա փոփոխությունները և օգտագործվում են համաշխարհային առաջնորդների և գիտնականների կողմից՝ մեղմացման ռազմավարություններ մշակելու համար:

Ներս գալով ցրտից

Սառույցի բազմազանությունը մարտահրավեր է, սակայն հետազոտողների, ուսուցիչների և ուսանողների բազմազանությունը ստեղծում է կատարյալ միջավայր թարմ գաղափարների համար: ԱՄՆ-ում մաթեմատիկայի և համակարգչային գիտությունների դոկտորի աստիճանների ընդամենը մեկ քառորդը շնորհվել է կանանց 2015 թվականին, սակայն այնպիսի սխեմաներ, ինչպիսիք են Յուտայի ​​համալսարանը. ACCESS- ը ծրագիրը դաստիարակում է տաղանդավոր կին մաթեմատիկոսներին՝ օգնելով նրանց բացել այնպիսի հնարավորություններ, ինչպիսիք են մենթորությունը և գործնական հետազոտությունները: Արկտիկայում արշավները ոչ միայն ուսանողներին տալիս են բարձր փորձ, այլ նաև ապահովում են մաթեմատիկոսների ներգրավվածությունը նորագույն հետազոտությունների և լուծումների մեջ՝ կլիմայի գիտնականների և ինժեներների կողքին:

Երբ նրանք չեն պայքարում ձնաբքի դեմ, դոկտոր Ռայմերը և պրոֆեսոր Գոլդենը աշխատում են համագործակցային, միջառարկայական նախագծերի վրա և ուղեկցում են բակալավրիատի կին ուսանողներին՝ որպես ACCESS ծրագրի մի մաս: 2018 թվականին մաթեմատիկայի բաղադրիչը թարմացնելուց հետո՝ կլիմայի փոփոխությունը ներառելու համար, պրոֆեսոր Գոլդենը տեսել է մոտավորապես եռապատկված ACCESS ուսանողների թիվը, ովքեր հետաքրքրված են մաթեմատիկայի մասնագիտությամբ կամ հետազոտական ​​աշխատանքով, քան նախկինում:

Ռեբեկա Հարդենբրուկը, ով պրոֆեսոր Գոլդենի ասպիրանտներից մեկն է, ասում է. «Կլիմայի փոփոխության նման հրատապ խնդիրների վրա կենտրոնանալը գրավում է ավելի շատ մարդկանց, ում ցանկանում ենք մաթեմատիկա, դա բոլորն են, բայց հատկապես՝ կանայք, գունավոր մարդիկ, տարօրինակ մարդիկ. որևէ մեկը թերներկայացված ծագումից»:

Ռեսուրսների համախմբում

Հարդենբրուկը միացավ ACCESS ծրագրին նախքան բակալավրիատի ուսանողուհին՝ ամառը անցկացնելով աստղաֆիզիկայի լաբորատորիայում, ինչը բացեց նրա աչքերը հետազոտություններ անելու հնարավորության վրա: «Դա իսկապես փոխում էր կյանքը», - ասում է նա, հատկապես այն պատճառով, որ նա որոշեց շարունակել մաթեմատիկայի ասպիրանտուրան պրոֆեսոր Գոլդենի մոտ՝ ծովային սառույցի միջով ջերմային տրանսպորտն ուսումնասիրելուց հետո որպես բակալավրիատ:

Ռեբեկա Հարդենբրուկը մաթեմատիկա է դասավանդում Սոլթ Լեյք Սիթիում գտնվող Յուտայի ​​համալսարանի ուսանողներին:

Նա այժմ ոգեշնչում է երիտասարդ ուսանողներին ACCESS սխեմայով որպես դասավանդող օգնական, ինչպես նաև հալոցքի լճակներ մոդելավորելու համար, որոնք ջրի լողավազաններ են Արկտիկայի ծովի սառույցի վրա: Այս լճակները որոշիչ դեր են խաղում Արկտիկական ծովի սառույցի ծածկույթի երկարաժամկետ հալման արագության որոշման մեջ՝ այն արտացոլելու փոխարեն արևային ճառագայթումը կլանելով: Երբ նրանք աճում և միանում են, նրանք անցնում են ֆրակտալ երկրաչափության անցում, որն արդյունավետորեն ստեղծում է անվերջ օրինաչափություն, որը կարող է մոդելավորվել մաթեմատիկոսների կողմից:

Հարդենբրուկը հիմնվում է պրոֆեսոր Գոլդենի և համալսարանի նախորդ ուսանողների և հետազոտողների տասնամյա աշխատանքի վրա հալված լճակների վրա՝ հարմարեցնելով դասական Իզինգի մոդելը, որը մշակվել է ավելի քան մեկ դար առաջ և բացատրում է, թե ինչպես կարող են նյութերը ձեռք բերել կամ կորցնել մագնիսականություն՝ հալվելու մոդելավորման համար: լճակի երկրաչափություն. «Ես հուսով եմ, որ ծովային սառույցի մոդելը ֆիզիկապես ավելի ճշգրիտ կդարձնեմ, որպեսզի այն հնարավոր լինի ներդնել գլոբալ կլիմայական մոդելների մեջ՝ ավելի ճշգրիտ մոտեցում ստեղծելու հալոցքային ավազաններին, որոնք զարմանալի ազդեցություն ունեն Արկտիկայի ալբեդոյի վրա», - բացատրում է նա:

Մեծ պատկերին ավելացնելով

Մաթեմատիկոսներն արդեն լուծել են այն հանելուկը, թե ինչպես կարելի է սահմանել ալիքավոր եզրային ծովային սառցե գոտու լայնությունը, որը տարածվում է փաթեթային սառույցի խիտ ներքին միջուկից մինչև արտաքին եզրեր, որտեղ ալիքները կարող են կոտրել լողացող սառույցը:

Քորթ Սթրոնգը, ով մթնոլորտի գիտնական է և Յուտայի ​​համալսարանի պրոֆեսոր Գոլդենի գործընկերներից է, ոգեշնչվել է մի արտասովոր աղբյուրից՝ առնետի ուղեղի ուղեղային կեղևից: Նա հասկացավ, որ նրանք կարող են օգտագործել նույն մաթեմատիկական մեթոդը՝ սահմանային սառցե գոտու լայնությունը չափելու համար, ինչպես դա անում են կրծողի խորդուբորդ ուղեղի հաստությունը չափելու համար, որը նույնպես շատ տատանումներ ունի: Այս պարզեցված մոդելի օգնությամբ թիմը կարողացավ ցույց տալ, որ սահմանային սառցե գոտին ընդլայնվել է մոտ 40%-ով, քանի որ մեր կլիման տաքացել է:

Յուտայի ​​համալսարանի ACCESS սխեման, ներառյալ իր գործնական հետազոտությունները, ուսանողներին ընկղմում է միջդիսցիպլինար միջավայրում, որտեղ մաթեմատիկան ավելի մեծ պատկերի մի մասն է: Այն խրախուսում է խաչաձև փոշոտումը, որտեղ գիտության թվացող կապ չունեցող ոլորտների մեթոդներն ու գաղափարները կարող են օգտագործվել խնդիրներ լուծելու համար, երբ հիմքում ընկած մաթեմատիկան ըստ էության նույնն է:

«Երբ ձեզ ներկայացնում են անսովոր իրավիճակ, ձեզ հարկավոր են տարբեր տեսակի մտքեր՝ խնդրին հստակ նայելու և լուծումներ գտնելու համար», - ասում է պրոֆեսոր Գոլդենը:

Արկտիկայում նկատված ծովային սառույցի կորուստը տեղի է ունեցել ընդամենը մի քանի տասնամյակի ընթացքում և շարունակվում է տագնապալի տեմպերով:

«Մեզ անհրաժեշտ են բոլոր լավ ուղեղները և մտածելու տարբեր ձևերը, որոնք մենք կարող ենք ձեռք բերել, և դրանք մեզ արագ են պետք», - ասում է նա:

Այս հոդվածը վերանայվել է Յուտայի ​​համալսարանի, Ազգային գիտական ​​հիմնադրամի և Ծովային հետազոտությունների գրասենյակի համար Էլվիս Բահաթի Օրլենդոյի, Գիտության միջազգային հիմնադրամի Ստոկհոլմի և դոկտոր Մագդալենա Ստոևայի, FIOMP, FUIPESM-ի կողմից: