ग्रह को बचाने में गणितज्ञों की मदद पर भरोसा

आप ऐसी रोमांचक कहानी की उम्मीद किसी खोजकर्ता से कर सकते हैं, लेकिन डॉ. रीमर एक गणितज्ञ और यूटा विश्वविद्यालय में व्याख्याता हैं, साथ ही वे एक ऐसे समुदाय का हिस्सा हैं, जिसने वैश्विक तापमान को समझने के लिए संख्याओं का उपयोग करने के प्रयास में आरामदायक कक्षाओं की जगह पृथ्वी के सबसे दुर्गम जंगलों का रुख किया है।

उनके साहसिक कार्यों से उन्हें ध्रुवीय क्षेत्रों में परिवर्तन लाने वाली प्रक्रियाओं का प्रत्यक्ष अवलोकन करने तथा समुद्री बर्फ के अपने गणितीय सिद्धांतों और पृथ्वी की जलवायु प्रणाली में एक महत्वपूर्ण घटक के रूप में इसकी भूमिका को प्रमाणित करने का अवसर मिला।

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एक जटिल समस्या

आर्कटिक में समुद्री बर्फ की मोटाई और विस्तार में तेजी से गिरावट आई है, जब से उपग्रह से माप पहली बार लिए गए थे। 1979.

समुद्री बर्फ पृथ्वी का रेफ्रिजरेटर है, जो सूर्य के प्रकाश को वापस अंतरिक्ष में परावर्तित करता है। इसकी स्थायी उपस्थिति हमारे ग्रह के भविष्य के लिए महत्वपूर्ण है क्योंकि, जैसे-जैसे अधिक बर्फ पिघलती है, अधिक काला पानी उजागर होता है जो अधिक सूर्य के प्रकाश को अवशोषित करता है। यह सूर्य-गर्म पानी एक आत्म-सुदृढ़ीकरण चक्र में अधिक बर्फ पिघलाता है जिसे आइस एल्बेडो कहा जाता है प्रतिक्रिया.

हालांकि समुद्री बर्फ में कमी संभवतः पृथ्वी की सतह पर ग्रहीय तापमान वृद्धि से जुड़े सबसे अधिक दिखाई देने वाले बड़े पैमाने के परिवर्तनों में से एक है, लेकिन इसके व्यवहार और इसके द्वारा समर्थित ध्रुवीय प्रणाली की प्रतिक्रिया का विश्लेषण, मॉडलिंग और भविष्यवाणी करना अविश्वसनीय रूप से कठिन है, लेकिन गणितज्ञ इसमें मदद कर सकते हैं।

यूटा विश्वविद्यालय में गणित के प्रतिष्ठित प्रोफेसर और बायोमेडिकल इंजीनियरिंग के सहायक प्रोफेसर केनेथ गोल्डन ने 30 वर्षों में एक अनूठा समुद्री बर्फ कार्यक्रम बनाया है। गणित अनुसंधान, जलवायु मॉडलिंग और रोमांचक क्षेत्र अभियानों के इसके संयोजन ने डॉ. रीमर सहित छात्रों और पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ताओं को आकर्षित किया है, जो तेजी से बदलती जलवायु की चुनौतियों से निपटने में मदद करने के लिए इस प्रकार के विज्ञान का उपयोग करने पर केंद्रित हैं।

पशुओं को ध्यान में रखते हुए

डॉ. रीमर ने अध्ययन किया है कि ध्रुवीय भालू और सील अपने जमे हुए वातावरण में होने वाले बदलावों पर कैसे प्रतिक्रिया करते हैं। जबकि उन्होंने इन जीवों और उनके आवास के बीच की अंतःक्रियाओं को समझने के लिए गणितीय मॉडल का उपयोग किया, उन्होंने आर्कटिक में भालुओं से माप और नमूने भी लिए, जो कि एक गणितज्ञ के रूप में उन्होंने कभी नहीं सोचा था। "जब उन्हें शांत किया जाता है तो वे पूरी तरह से सो नहीं रहे होते हैं; वे सुस्त होते हैं," वह बताती हैं। "उनमें से एक ने मुझे डरा दिया क्योंकि ऐसा लग रहा था कि वह किसी समय जाग सकता है।"

डॉ. रीमर आर्कटिक में एक बेहोश ध्रुवीय भालू से माप लेते हुए।

उनके सिकुड़ते आवास का अर्थ है कि ध्रुवीय भालू पतली बर्फ पर चल रहे हैं, लेकिन आशा है कि डॉ. रीमर जैसे अध्ययनों से विशेषज्ञों को यह समझने में मदद मिलेगी कि इन राजसी शिकारियों की रक्षा कैसे की जाए।

हालाँकि, अब उसे समुद्री बर्फ के अंदर खारे पानी की जेबों में रहने वाले बैक्टीरिया और शैवाल की “दिमाग उड़ाने वाली” सूक्ष्म दुनिया उत्साहित करती है। यह जैविक समुदाय और इसका निवास स्थान तापमान, लवणता और प्रकाश में होने वाले परिवर्तनों से प्रभावित होता है, जिससे सटीक रूप से मॉडल बनाना मुश्किल हो जाता है। अपने वर्तमान कार्य में, डॉ. रीमर यह समझने के लिए मॉडल बनाती हैं कि बर्फ के भीतर जैविक गतिविधि को निर्धारित करने के लिए ये कारक कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। वह बताती हैं, “यह समझना कि इन छोटे पैमानों पर होने वाली प्रक्रियाएँ वृहद स्तर के पैटर्न में कैसे योगदान करती हैं, ध्रुवीय समुद्री पारिस्थितिकी पर गर्म होती जलवायु के प्रभाव को मॉडल करने के लिए महत्वपूर्ण है।”

नमकीन बर्फ पर संख्याओं का विश्लेषण

समुद्री बर्फ की सूक्ष्म संरचना बर्फ के विशाल विस्तार के व्यवहार को कैसे प्रभावित करती है, यह समझना प्रोफेसर गोल्डन की दिलचस्पी की चुनौती है। उन्होंने पृथ्वी के ध्रुवीय क्षेत्रों का 18 बार दौरा किया है, जिसमें "रोअरिंग फोर्टीज़" के रूप में जानी जाने वाली पश्चिमी हवाओं का सामना करते हुए जहाज से अंटार्कटिका तक पहुँचे और समुद्री बर्फ को मापते समय बर्फीले पानी में गिरने से बाल-बाल बचे। वे कहते हैं, "एक बार मुझसे लगभग आठ फीट दूर एक विशाल व्हेल मिली, जो अपनी पूंछ के एक झटके से उस पतली सी चट्टान को आसानी से तोड़ सकती थी, जिस पर मैं था।"

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प्रोफ़ेसर गोल्डन समुद्री बर्फ़ की सूक्ष्म संरचना का अध्ययन करते हैं ताकि यह पता लगाया जा सके कि उसमें से तरल पदार्थ कितनी आसानी से बह सकता है। वे कहते हैं, "समुद्री बर्फ़ नमकीन होती है। इसमें नमकीन पानी के समावेशन की छिद्रपूर्ण सूक्ष्म संरचना होती है जो मीठे पानी की बर्फ़ से बहुत अलग होती है।"

प्रोफेसर गोल्डन ने अंतःविषयी टीमों का नेतृत्व किया है ताकि उस महत्वपूर्ण तापमान का अनुमान लगाया जा सके जिस पर ब्राइन समावेशन जुड़ते हैं ताकि तरल पदार्थ समुद्री बर्फ के माध्यम से बह सके, और पहली एक्स-रे टोमोग्राफी तकनीक विकसित की जा सके ताकि विश्लेषण किया जा सके कि तापमान के साथ समावेशन की ज्यामिति कैसे विकसित होती है। "यह समझना कि समुद्री जल समुद्री बर्फ के माध्यम से कैसे रिसता है, यह व्याख्या करने की कुंजी में से एक है कि ध्रुवीय समुद्री वातावरण में जलवायु परिवर्तन कैसे काम करेगा," वे बताते हैं।

इस "ऑन-ऑफ स्विच" की खोज से वैज्ञानिकों को प्रक्रियाओं को बेहतर ढंग से समझने में मदद मिली है, जैसे कि किस प्रकार लवणीय जल में रहने वाले शैवाल समुदायों को पोषण देने वाले पोषक तत्वों की पूर्ति की जाती है।

प्रोफेसर गोल्डन के अध्ययन से पता चलता है कि समुद्री बर्फ के माध्यम से तरल पदार्थ कितनी आसानी से बह सकता है, जिसमें नमकीन पानी के समावेशन की छिद्रपूर्ण सूक्ष्म संरचना होती है (चित्रित)। डब्ल्यूएफ वीक्स और ए. अस्सुर, सीआरआरईएल (यूएस आर्मी कोल्ड रीजन रिसर्च एंड इंजीनियरिंग लैब) रिपोर्ट 269, 1969

समुद्री बर्फ में मौजूद खारे पानी का असर इसके रडार सिग्नेचर पर भी पड़ता है, जो कि जलवायु मॉडल को मान्य करने के लिए इस्तेमाल किए जाने वाले बर्फ की मोटाई जैसे मापदंडों के उपग्रह माप को प्रभावित करता है। ये मॉडल इसलिए महत्वपूर्ण हैं क्योंकि वे हमारी जलवायु में भविष्य में होने वाले बदलावों की भविष्यवाणी करते हैं और दुनिया के नेताओं और वैज्ञानिकों द्वारा शमन रणनीतियों के साथ आने के लिए इनका उपयोग किया जाता है।

ठंड से बचकर अंदर आना

बर्फ की विविधता एक चुनौती पेश करती है, लेकिन शोधकर्ताओं, शिक्षकों और छात्रों के बीच विविधता नए विचारों के लिए एकदम सही माहौल बनाती है। अमेरिका में, 2015 में गणित और कंप्यूटर विज्ञान में डॉक्टरेट की सिर्फ़ एक चौथाई डिग्री महिलाओं को दी गई, लेकिन यूटा विश्वविद्यालय की योजनाएँ पहुंच कार्यक्रम प्रतिभाशाली महिला गणितज्ञों को मार्गदर्शन और व्यावहारिक शोध जैसे अवसरों को अनलॉक करने में मदद करके उनका पोषण कर रहा है। आर्कटिक के लिए अभियान न केवल छात्रों को एक उन्नत अनुभव प्रदान करते हैं, बल्कि यह सुनिश्चित करते हैं कि गणितज्ञ जलवायु वैज्ञानिकों और इंजीनियरों के साथ अत्याधुनिक शोध और समाधानों में शामिल हों।

जब वे बर्फानी तूफानों से नहीं जूझ रहे होते हैं, तो डॉ. रीमर और प्रोफ़ेसर गोल्डन सहयोगी, अंतःविषय परियोजनाओं पर काम करते हैं और ACCESS कार्यक्रम के तहत महिला स्नातक छात्राओं को सह-मार्गदर्शक बनाते हैं। 2018 में जलवायु परिवर्तन को शामिल करने के लिए गणित घटक को ताज़ा करने के बाद, प्रोफ़ेसर गोल्डन ने देखा है कि ACCESS के छात्रों की संख्या पहले की तुलना में लगभग तीन गुना बढ़ गई है जो गणित में प्रमुखता या शोध प्लेसमेंट लेने में रुचि रखते हैं।

रेबेका हार्डनब्रुक, जो प्रोफेसर गोल्डन की पीएचडी छात्राओं में से एक हैं, कहती हैं: "जलवायु परिवर्तन जैसे ज्वलंत मुद्दों पर ध्यान केंद्रित करने से उन लोगों की संख्या बढ़ती है, जिन्हें हम गणित में चाहते हैं, यानी हर कोई, लेकिन विशेष रूप से महिलाएं, रंगीन लोग, विचित्र लोग; कम प्रतिनिधित्व वाली पृष्ठभूमि से आने वाले सभी लोग।"

संसाधनों को एकत्रित करना

हार्डनब्रुक ने स्नातक के रूप में अपने पहले वर्ष से पहले ही ACCESS कार्यक्रम में प्रवेश लिया, गर्मियों में खगोल भौतिकी प्रयोगशाला में बिताया, जिसने अनुसंधान करने की संभावना के लिए उनकी आँखें खोल दीं। वह कहती हैं, "यह वास्तव में जीवन बदलने वाला था," कम से कम इसलिए नहीं क्योंकि उन्होंने स्नातक के रूप में समुद्री बर्फ के माध्यम से थर्मल परिवहन का अध्ययन करने के बाद प्रोफेसर गोल्डन के साथ गणित में पीएचडी करने का फैसला किया।

रेबेका हार्डनब्रुक साल्ट लेक सिटी में यूटा विश्वविद्यालय में छात्रों को गणित पढ़ाती हैं।

अब वह एक शिक्षण सहायक के रूप में ACCESS योजना पर युवा छात्रों को प्रेरित करती है, साथ ही पिघले हुए तालाबों का मॉडलिंग भी करती है, जो आर्कटिक समुद्री बर्फ पर पानी के तालाब हैं। ये तालाब सौर विकिरण को परावर्तित करने के बजाय अवशोषित करके आर्कटिक समुद्री बर्फ के आवरण की दीर्घकालिक पिघलने की दरों को निर्धारित करने में निर्णायक भूमिका निभाते हैं। जैसे-जैसे वे बढ़ते हैं और एक साथ जुड़ते हैं, वे फ्रैक्टल ज्यामिति में एक संक्रमण से गुजरते हैं, प्रभावी रूप से एक कभी न खत्म होने वाला पैटर्न बनाते हैं जिसे गणितज्ञों द्वारा मॉडल किया जा सकता है।

हार्डनब्रुक प्रोफेसर गोल्डन और विश्वविद्यालय के पिछले छात्रों और शोधकर्ताओं द्वारा पिघले हुए तालाबों पर एक दशक के काम को आगे बढ़ा रहे हैं, जिसमें क्लासिकल आइसिंग मॉडल को अपनाया गया है, जिसे एक सदी से भी पहले विकसित किया गया था और यह बताता है कि कैसे सामग्री चुंबकत्व प्राप्त या खो सकती है, पिघले हुए तालाब की ज्यामिति को मॉडल करने के लिए। "मुझे समुद्री बर्फ के लिए मॉडल को और अधिक भौतिक रूप से सटीक बनाने की उम्मीद है ताकि इसे पिघले हुए तालाबों को संबोधित करने के लिए अधिक सटीक दृष्टिकोण बनाने के लिए वैश्विक जलवायु मॉडल में रखा जा सके, जिसका आर्कटिक के एल्बेडो पर आश्चर्यजनक प्रभाव पड़ता है," वह बताती हैं।

बड़ी तस्वीर में जोड़ना

गणितज्ञों ने पहले ही इस पहेली को सुलझा लिया है कि लहरदार सीमांत समुद्री बर्फ क्षेत्र की चौड़ाई को कैसे परिभाषित किया जाए, जो पैक बर्फ के घने आंतरिक कोर से बाहरी किनारों तक फैला हुआ है, जहां लहरें तैरती बर्फ को तोड़ सकती हैं।

कोर्ट स्ट्रॉन्ग, जो एक वायुमंडलीय वैज्ञानिक हैं और यूटा विश्वविद्यालय में प्रोफेसर गोल्डन के सहयोगियों में से एक हैं, ने एक असामान्य स्रोत से प्रेरणा ली: चूहे के मस्तिष्क का सेरेब्रल कॉर्टेक्स। उन्होंने महसूस किया कि वे सीमांत बर्फ क्षेत्र की चौड़ाई को मापने के लिए उसी गणितीय पद्धति का उपयोग कर सकते हैं जैसा कि वे कृंतक के ऊबड़-खाबड़ मस्तिष्क की मोटाई को मापने के लिए करते हैं, जिसमें भी बहुत भिन्नता होती है। इस सरलीकृत मॉडल की सहायता से, टीम यह प्रदर्शित करने में सक्षम थी कि जैसे-जैसे हमारी जलवायु गर्म होती गई, सीमांत बर्फ क्षेत्र लगभग 40% चौड़ा होता गया।

यूटा विश्वविद्यालय की ACCESS योजना, जिसमें इसके व्यावहारिक शोध शामिल हैं, छात्रों को एक अंतःविषयक वातावरण में डुबो देती है जहाँ गणित एक बड़ी तस्वीर का हिस्सा है। यह क्रॉस परागण को प्रोत्साहित करता है, जहाँ विज्ञान के असंबंधित क्षेत्रों से तरीकों और विचारों का उपयोग समस्याओं को हल करने के लिए किया जा सकता है जब अंतर्निहित गणित अनिवार्य रूप से एक ही हो।

प्रोफेसर गोल्डन कहते हैं, "जब आपके सामने कोई असामान्य स्थिति आती है, तो समस्या को स्पष्ट रूप से देखने और समाधान निकालने के लिए आपको अलग-अलग तरह के दिमागों की आवश्यकता होती है।"

आर्कटिक में समुद्री बर्फ का क्षरण कुछ ही दशकों में हुआ है और यह चिंताजनक गति से जारी है।

वे कहते हैं, "हमें अच्छे दिमाग और सोचने के विभिन्न तरीकों की आवश्यकता है, और हमें उनकी शीघ्र आवश्यकता है।"

इस लेख की समीक्षा यूटा विश्वविद्यालय, राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन और नौसेना अनुसंधान कार्यालय के लिए एल्विस बहाती ऑर्लेंडो, अंतर्राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन, स्टॉकहोम और डॉ. मैग्डेलेना स्टोएवा, FIOMP, FIUPESM द्वारा की गई है।