Eine gefrorene Mathematik-Expedition in die Arktis: Was sie uns über Meereis verrät
Mathematiker der University of Utah und eine Gruppe von Studenten unternahmen eine Reise in die Arktis, um mithilfe mathematischer Modelle zu untersuchen, wie die physikalische Umgebung das Leben im und auf dem Meereis beeinflusst.
Im Mai 2024 führten Mathematiker der University of Utah eine Forschungsreise in das Küstendorf Utqiaġvik in Alaska, 3 Meilen nördlich des Polarkreises, durch. Ziel dieser Reise in die Arktis war es, das Meereis mithilfe mathematischer Modelle zu untersuchen.
Die gefrorene Reise
Die Mathematiker Jody Reimer und Ken Golden von der University of Utah leiteten im Mai 2024 eine Feldforschungsreise in das Küstendorf Utqiaġvik in Alaska, das 3 Meilen nördlich des Polarkreises liegt. Golden war bereits 19 Mal an den Polen der Erde. 7 Studenten aus Utah schlossen sich den Forschern an. Der Grund für die Reise war, mathematische Modelle und Feldtechniken zu testen und den Studenten gleichzeitig die Möglichkeit zu geben, ihr Verständnis der Polarforschung zu vertiefen. Die Gruppe musste Landrechte von den lokalen Iñupiat-Gruppen der indigenen Bevölkerung erwerben.
Reimer ist Professorin für Mathematik und Biologie. Sie hat untersucht, wie die Populationen von Eisbären und Robben auf Veränderungen des Meereises als Folge der Klimaerwärmung reagieren. Derzeit konzentriert sie sich auf Mikroben, die das Eis selbst hemmen, sowie auf die Anpassungen, die es ihnen ermöglichen, in einer rauen Umgebung zu überleben.
Golden untersucht komplexe physikalische Eigenschaften von Meereis auf mehreren Skalen, von der Modellierung der Eisströmungsdynamik auf Makroebene bis hin zur Berechnung der Porosität und Permeabilität der auf Mikroebene im Eis sichtbaren Salzsole-Einschlüsse. Gemeinsam untersuchen Reimer und Golden die Verflechtungen zwischen Physik und Biologie.
Golden stellt Verbindungen zwischen Astrobiologie und militärischer Stealth-Technologie her. Golden sagt: „Die Mathematik kümmert das nicht! Sie findet überall Anwendung. Dieselbe Mathematik, mit der wir analysieren, wie Algen Nährstoffe aus der Salzlake aufnehmen, kann auch verwendet werden, um das Auftreten und den Fortschritt von Osteoporose in menschlichen Knochen zu überwachen!“
Die Arktis erkunden
Diese Arbeit betont, wie wichtig Mathematik für den Fortschritt der Wissenschaft ist. Die Mathematik entdeckt Muster und Zusammenhänge, die sich über das gesamte wissenschaftliche Spektrum erstrecken und die besten Werkzeuge für Durchbrüche liefern.
Das Transportieren der Ausrüstung über das Eis war schwierig, vor allem wegen der Eisbären. Die gefühlte Temperatur sank am ersten Tag auf minus 20 Grad, als sie Experimente durchführten, um mathematische Modelle mit Beobachtungen aus der realen Welt zu verknüpfen.
Reimer sagt: „Mathematik beschränkt sich nicht nur auf Rätsel und isolierte Probleme. Es gibt grundlegende und tiefe Zusammenhänge, die alle Bereiche des Lebens beeinflussen.“ Diese Forschung zeigt die Bedeutung der interdisziplinären Weiterentwicklung der angewandten Mathematik. Dies ist in der heutigen Zeit mit fortschrittlicher Technologie relevant, die ein wichtiger Bestandteil der Reise ist, auf der neue Programme und Geräte getestet werden konnten.
PlanktoScope ist ein quelloffenes und tragbares Bildgebungsgerät, mit dem Forscher Proben von Meereis auf mikrobielles Leben untersuchen können. Dies ermöglicht einen breiteren Zugang zu hochwertigen Bilddaten.
Die Ergebnisse
In Reimers Labor haben sie und ihre Studenten die lebenden Organismen in den mitgebrachten gefrorenen Proben analysiert. Einige Wissenschaftler gehen noch einen Schritt weiter und bearbeiten die resultierenden Bilder mit KI-basierten Tools, die dabei helfen, Tausende mikroskopische Momentaufnahmen des verborgenen Lebens im Eis zu sortieren und zu analysieren.
Die auf dieser Reise gesammelten Messdaten werden als Pilotdaten für zukünftige Projekte und Finanzierungsanträge dienen. Golden sagt: „Wir legen den Grundstein für eine breitere Palette physikalischer Messungen und intensivieren die biologische Seite der Dinge.“
Golden und Reimer analysieren die Daten nun schon seit über einem Jahr. Damit werden die komplexen Zusammenhänge zwischen Eis, Lebewesen und dem sich rasch verändernden polaren Meeresklima weiter erforscht.