你可能會以為這樣一個扣人心弦的軼事來自一位探險家，但雷默博士是猶他大學的數學家和講師，也是一個社區的一部分，這個社區已經從舒適的教室變成了地球上一些最荒涼的荒野，試圖用數字來了解全球暖化。
他們的冒險經歷使他們能夠親眼觀察推動極地變化的過程，並驗證他們關於海冰的數學理論及其作為地球氣候系統關鍵組成部分的作用。
自從首次進行衛星測量以來，北極海冰的厚度和範圍迅速下降。 1979.
海冰是地球的冰箱，將陽光反射回太空。它的持久存在對我們星球的未來很重要，因為隨著更多的冰融化，更多的黑水暴露出來，吸收更多的陽光。這種被陽光加熱的水會在稱為「冰反照率」的自我強化循環中融化更多的冰 反饋.
雖然海冰減少可能是與地球表面行星變暖有關的最明顯的大規模變化之一，但分析、建模和預測其行為及其所支持的極地系統的反應非常困難，但數學家可以提供幫助。
猶他大學傑出數學教授兼生物醫學工程兼任教授肯尼斯·戈爾登 (Kenneth Golden) 30 多年來建立了一個獨特的海冰計畫。其將數學研究、氣候建模和令人興奮的實地考察相結合，吸引了學生和博士後研究人員，其中包括雷默博士，他們專注於利用此類科學來幫助應對快速變化的氣候帶來的緊迫挑戰。
雷默博士研究了北極熊和海豹如何應對冰凍環境的變化。雖然她使用數學模型來了解這些生物與其棲息地之間的相互作用，但她也對北極的熊進行了測量和樣本，這是她作為數學家從未想到的事情。 “當他們處於鎮靜狀態時，他們並沒有完全睡著；他們只是在睡覺。”他們昏昏沉沉的，」她解釋道。 “其中一個讓我嚇壞了，因為它似乎會在某個時候醒來。”
雷默博士對北極一隻服用鎮靜劑的北極熊進行測量。
棲息地的縮小意味著北極熊如履薄冰，但希望像雷默博士這樣的研究能幫助專家了解如何保護這種強大的掠食者。
然而，現在令她興奮的是生活在海冰內鹹水袋中的細菌和藻類的「令人興奮」的微觀世界。此生物群落及其棲息地受到溫度、鹽度和光照變化的影響，因此難以精確建模。在她目前的工作中，雷默博士建立了模型來了解這些因素如何相互作用，從而確定冰內的生物活動。 「了解這些小尺度的過程如何影響宏觀模式對於模擬氣候暖化對極地海洋生態的影響至關重要，」她解釋道。
戈爾登教授感興趣的是理解海冰的微觀結構如何影響大面積冰的行為的挑戰。他曾18次造訪地球的極地地區，冒著被稱為「咆哮四十度」的西風乘船到達南極洲，並在測量海冰時險些掉進冰冷的水域。 「有一次，一頭巨大的鯨魚來到我身邊，距離我大約八英尺，只要它尾巴輕輕一抖，它就能輕鬆地打破我所在的薄薄浮冰，」他說。
戈爾登教授研究海冰的微觀結構，以計算流體流過海冰的難易度。 「海冰是鹹的。它具有鹽水包裹體的多孔微觀結構，這與淡水冰非常不同，」他說。
Golden 教授領導跨學科團隊預測了鹽水包裹體連接的臨界溫度，以便流體可以流過海冰，並開發了第一個 X 射線斷層掃描技術來分析包裹體的幾何形狀如何隨溫度變化。 「了解海水如何滲透海冰是解釋氣候變遷如何在極地海洋環境中發揮作用的關鍵之一，」他解釋道。
發現這種「開關」有助於科學家更了解一些過程，例如如何補充生活在鹽水包裹體中的藻類群落的營養物質。
戈爾登教授的研究表明，流體可以輕鬆地流過海冰，海冰具有鹽水包裹體的多孔微觀結構（如圖）。 WF Weeks 和 A. Assur，CRREL（美國陸軍寒冷地區研究與工程實驗室）報告 269，1969 年
海冰中的鹽水也會影響其雷達訊號，進而影響衛星對用於驗證氣候模型的冰厚度等參數的測量。這些模型很重要，因為它們可以預測未來氣候的變化，並被世界領導人和科學家用來制定緩解策略。
冰的多樣性帶來了挑戰，但研究人員、教師和學生的多樣性為新想法創造了完美的環境。在美國，2015 年，只有四分之一的數學和電腦科學博士學位授予了女性，但猶他大學等項目 查看校區 該計劃透過幫助她們釋放指導和實踐研究等機會來培養有才華的女性數學家。北極探險不僅為學生提供了豐富的體驗，還確保數學家與氣候科學家和工程師一起參與尖端研究和解決方案。
當雷默博士和戈爾登教授不與暴風雪作鬥爭時，他們就會從事跨學科合作項目，並共同指導女性本科生，作為 ACCESS 計劃的一部分。 2018 年更新了數學部分，將氣候變遷納入其中後，Golden 教授發現有興趣修讀數學專業或研究實習的 ACCESS 學生人數比以前增加了大約三倍。
戈爾登教授的博士生之一麗貝卡·哈登布魯克(Rebecca Hardenbrook) 表示：「關注氣候變遷等緊迫問題會吸引更多我們想要的人進入數學領域，他們是所有人，但特別是女性、有色人種、酷兒；任何來自代表性不足的背景的人。”
哈登布魯克在本科一年級之前就加入了 ACCESS 項目，在天文物理實驗室度過了暑假，這讓她看到了從事研究的可能性。 「這確實改變了我的生活，」她說，尤其是因為她在本科階段研究了海冰熱傳輸後，進一步決定跟隨戈爾登教授攻讀數學博士學位。
麗貝卡·哈登布魯克在鹽湖城猶他大學向學生教授數學。
她現在作為助教，激勵年輕學生參與 ACCESS 計劃，並為融化池（北極海冰上的水池）建模。這些池塘透過吸收而不是反射太陽輻射，在確定北極海冰覆蓋的長期融化速度方面發揮決定性作用。隨著它們的生長和結合，它們經歷了分形幾何的轉變，有效地創建了數學家可以建模的永無止境的模式。
哈登布魯克在戈爾登教授和大學以前的學生和研究人員十年來對熔體池的研究基礎上，採用了一個多世紀前開發的經典伊辛模型來模擬熔體，該模型是一個多世紀前開發的，解釋了材料如何獲得或失去磁性。池塘幾何形狀。 「我希望讓海冰模型在物理上更加精確，以便可以將其放入全球氣候模型中，從而創建一種更準確的方法來解決融化池問題，融化池對北極的反照率有著令人驚訝的影響，」她解釋道。
數學家已經解決瞭如何定義波動邊緣海冰區寬度的難題，該邊緣海冰區從緻密的浮冰內核延伸到波浪可以打破浮冰的外緣。
考特·斯特朗是一位大氣科學家，也是戈爾登教授在猶他大學的同事之一，他從一個不尋常的來源中獲得了靈感：老鼠大腦的大腦皮層。他意識到他們可以使用與測量囓齒動物凹凸不平的大腦厚度相同的數學方法來測量邊緣冰區的寬度，而大腦的厚度也有很大的變化。借助這個簡化模型，研究小組能夠證明，隨著氣候變暖，邊緣冰區擴大了約 40%。
猶他大學的 ACCESS 計畫（包括實踐研究）讓學生沉浸在跨學科環境中，數學是更廣闊的前景的一部分。它鼓勵異花授粉，當基礎數學本質上相同時，可以使用看似不相關的科學領域的方法和想法來解決問題。
「當你遇到不尋常的情況時，你需要不同類型的頭腦來清楚地看待問題並提出解決方案，」戈爾登教授說。
北極海冰的消失只發生了短短幾十年，而且還在以驚人的速度持續下去。
「我們需要盡可能多的優秀大腦和不同的思維方式，而且我們需要盡快獲得它們，」他說。
本文已由斯德哥爾摩國際科學基金會的 Elvis Bahati Orlendo 和 Magdalena Stoeva 博士、FIOMP、FIUPESM 為猶他大學、國家科學基金會和海軍研究辦公室審查。
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