أنا عالم أدرس الجليد بالموجات الإذاعية. مما يعني أنني أستخدم الرادار لدراسة الأنهار والصفائح الجليدية. وكمعظم علماء الجليد حالياً، أنا أعمل على مشكل تقدير المدى الذي سيساهم به الجليد في رفع مستوى البحر مستقبلاً. لذا أود اليوم أن أحدثكم عن سبب صعوبة وضع أرقام دقيقة عن ارتفاع مستوى البحر، وعن سبب اعتقادي بأن بتغيير مفهومنا عن تقنية الرادار وتدريس علم الأرض، يمكننا التحسن في ذلك. عندما يتحدث معظم العلماء عن ارتفاع مستوى البحر، فهم يظهرون رسما بيانيا كهذا. يعتمدون فيه على نماذج من الصفائح الجليدية والمناخية. إلى اليمين، يمكنكم رؤية مدى مستوى البحر المتوقع بموجب هذا النموذج خلال 100 سنة القادمة. للإيضاح، هذا هو المستوى الحالي للبحر، وهذا هو مستوى البحر الذي إذا تجاوزناه فإن أكثر من 4 ملايين شخص قد يضطرون للنزوح. إذًا من حيث التوقعات، نسبة الشك بهذا الرسم البياني كبيرة فعلاً. لكن الرسم البياني يظهر، بالإضافة إلى ذلك، نجمة وتحذيرا، "... إلا إذا انهارت الصفيحة الجليدية الغربية للقطب الجنوبي." وفي هذه الحالة، سنتحدث عن أعداد أكبر بشكل كبير. سيستحيل حرفياً إدراجها في الرسم البياني. والسبب الذي يلزمنا بأخذ هذا الاحتمال بجدية هو أننا نعلم من التاريخ الجيولوجي للأرض أن هناك فترات في تاريخها ارتفع فيها مستوى البحر بشكل أسرع من اليوم. واليوم، لا يمكننا أن نستبعد احتمالية حدوث ذلك مستقبلاً. إذًا، لماذا لا يمكننا القول بثقة فيما إذا كان قسم كبير من صفيحة جليدية بمساحة قارة ستنهار أم لا؟ حسنًا، حتى نفعل ذلك، نحتاج لنماذج نعلم أنها تتضمن كل العمليات، والظروف والخصائص الفيزيائية التي ستتدخل في انهيار من هذا النوع. وذلك أمر تصعب معرفته، لأن تلك العمليات والظروف تحدث تحت كيلومترات من الجليد، والأقمار الصناعية، كالذي التقط هذه الصورة، لا يمكنها مراقبتها. في الواقع، لدينا صور رصد أكثر شمولا عن سطح المريخ مما لدينا عما يوجد تحت الصفيحة الجليدية للقطب الجنوبي. بل إن الأمر أكثر تحديا لأننا بحاجة لتلك الملاحظات العلمية بحجم ضخم في الزمان والمكان. من حيث المكان، هذه قارة. ويجب أن تكون بشدة وضوح مناطق أميركا الشمالية، وجبال روكي، وإيفرغليدز والبحيرات العظمى، كما هو الحال للمناطق تحت السطحية للقطب الجنوبي. ومن حيث الزمان، نحن نعلم أن الصفائح الجليدية لا تتطور فقط في حيز زمني عبر آلاف ومئات السنين، ولكنها تتغير أيضا على مدى السنوات والأيام. إذَاً ما نريده هو صور رصد لما يوجد تحت كيلومترات من الجليد بمساحة قارة، ونريدها على مدار الساعة. إذَا كيف سنفعل ذلك؟ حسنًا، نحن لسنا عاجزين تماماً عن مراقبة الطبقة تحت السطحية. أخبرتكم بداية أنني عالم أدرس الجليد بالموجات الإذاعية، وسبب أهمية ذلك أن الرادار الهوائي المخترق لطبقات الجليد هو الأداة الرئيسة التي نملكها للرؤية داخل الصفائح الجليدية. لذا، فمعظم المعلومات المستخدمة من فريق عملي تجمعها طائرات كطائرة دي سي-3 من الحرب العالمية الثانية والتي شاركت بمعركة الثغرة. يمكنكم رؤية الهوائيات تحت الجناح. هذه تستخدم لإرسال إشارات الرادار إلى الأسفل داخل الجليد. فيعود الصدى حاملاً المعلومات حول ما يجري داخل وتحت الصفيحة الجليدية. وفي تلك الأثناء، يحلق العلماء والمهندسون بالطائرة لمدة ثمان ساعات متواصلة، للتأكد من أن الرادار يعمل. في الواقع، أعتقد أنها فكرة خاطئة عن هذا النوع من العمل الميداني، حيث يتخيل الناس العلماء يحدقون خارج النافذة، لتأمل المناظر الطبيعية، ومواقعها الجيولوجية وسُمْكُ الصفائح الجليدية. في الواقع، رافقنا مبعوث من بي بي سي لفلم "الكوكب المتجمد" في إحدى الرحلات. وقد أمضى ما يقارب الساعات وهو يصورنا نضغط على الأزرار. (ضحك) في الحقيقة شاهدت السلسلات مع زوجتي بعد سنوات، وظهر مشهد كهذا، فأخبرتها كم كان ذلك جميلاً. وقالت: "ألم تكن على متن هذه الرحلة؟" (ضحك) قلت: "بلى، لكني كنت أنظر إلى شاشة الحاسوب." (ضحك) لذا، عندما تفكرون بهذا النوع من العمل الميداني، لا تعتقدوا بأن الأمر هو كما في الصور. بل صور من هذا القبيل. (ضحك) هذا مخطط بياناتي بواسطة راداري، وهو مقطع عمودي للصفيحة الجليدية، مشابه لقطعة كعكة. الطبقة المضيئة في الأعلى هي سطح الصفيحة الجليدية، والطبقة المضيئة في الأسفل هي السطح الحجري للقارة نفسها، والطبقات المتواجدة بينهما هي كحلقات الشجرة، بحيث أنها تحتوي معلومات حول تاريخ الصفيحة الجليدية. والمدهش أن الأمر يعمل بشكل جيد. فرادارات الاختراق الأرضي المستعملة في مراقبة البنى التحتية للطرقات أو لكشف الألغام الأرضية تصارع لاختراق بضعة أمتار من الأرض. وها نحن ذا نرى خلال ثلاث كيلومترات من الجليد. وهذه هي الأسباب الكهرومغناطيسية المعقدة والمثيرة لذلك، لكن دعونا نقول حالياً أن الجليد هو مبدئيا أفضل هدف يعمل عليه الرادار، وأن الرادار مبدئيا أفضل أداة لدراسة الصفائح الجليدية. هذه هي خطوط طيران الرحلات من آخر المقاطع الملتقطة بالرادار الصوتي الهوائي من فوق القطب الجنوبي. هذه نتيجة مجهودات بطولية استغرقت عقودا من الزمن لفرق عمل جاءت من مختلف البلدان ولشراكات دولية. وعندما تجمعونها معاً تحصلون على صورة كهذه، للشكل الذي ستكون عليه قارة القطب الجنوبي دون كل ذلك الجليد في الأعلى. ويمكنكم ملاحظة تنوع القارة من خلال صورة كهذه. المناطق الحمراء هي براكين أو جبال؛ وتلك الزرقاء ستكون عبارة عن بحر مفتوح إذا أزيلت الصفيحة الجليدية. هذا هو ذاك النطاق المكاني الضخم. لكن، كل ذلك الذي استغرق عقودا للتوصل إليه هو مجرد لقطة واحدة للطبقة تحت السطحية. وهي لا تزودنا بأي مؤشر حول كيفية تغير الصفيحة الجليدية مع الوقت. ونحن نعمل على ذلك، لأنه تبين أن أول صور الرصد لرادار بالقطب الجنوبي التقطت باستعمال فلم مصور قياس 35 ملم. وكانت هناك الآلاف من بكرات ذلك الفلم بأرشيفات متحف معهد البحوث القطبية سكوت لدى جامعة كامبريدج. لذا في الصيف الماضي، أخذت أحدث جهاز لمشاهدة الأفلام المطور لرقمنة الأفلام الهوليودية وإصدار نسخ مُحَسَّنَة عنها، وعملين فنيين تاريخيين، سافرنا لأجلهما إلى إنجلترا، ارتدينا بعض القفازات وقمنا بأرشفة ورقمنة جميع تلك الأفلام. فنتج عن ذلك مليونا صورة عالية الدقة يفحصها حاليا فريق عملي ويعالجها لمقارنتها بالظروف المعاصرة للصفيحة الجليدية. والحقيقة، علمت بوجود ذلك الجهاز من أمين أرشيف لدى أكاديمية فنون وعلوم الصور المتحركة. لذا أود أن أشكر الأكاديمية... (ضحك) لجعلها الأمر ممكنا. (ضحك) ورغم أنه من المذهل أن نتمكن من رؤية ما يحدث تحت الصفيحة الجليدية منذ 50 سنة مضت، فإن ذلك يبقى مجرد لقطة أخرى. لا توفر لنا صور رصد عن التغيرات السنوية أو الفصلية، المهمة حسبما نعرفه. أحرزنا بعض التقدم في ذلك أيضًا. هناك نُظُم الرادار الأرضية الجديثة التي تبقى في نقطة واحدة. بحيث تضعون تلك الرادارات على الصفيحة الجليدية وتدفنون مجموعة من بطاريات السيارات. وتتركونها هناك لأشهر أو سنوات في كل مرة، فترسل موجات أسفل الصفيحة الجليدية في كل دقيقة أو ساعة. مما يوفر لكم صور رصد مستمرة في الوقت الحقيقي... لكن في نقطة واحدة. وعليه، إذا قارنتم تلك الصور بالصور الثنائية الأبعاد الملتقطة بالطائرة، فذلك مجرد خط عمودي. وهذا تقريباً هو المجال الذي نتواجد فيه حالياً. يمكنا الاختيار بين التغطية الجوية الجيدة بالرادار الصوتي الهوائي والتغطية الزمنية الجيدة لنقطة محددة بالرادار الصوتي الأرضي. لكن لا أحد منهما يوفر لنا ما نحتاج إليه بالفعل: إلا باستعمالهما معاً بالوقت ذاته. وإذا كنا سنفعل ذلك، سنحتاج إلى طرق جديدة تماماً لمراقبة الصفيحة الجليدية. ومثالياً، ينبغي أن يكونا بتكلفة جد منخفضة لنتمكن من أخذ الكثير من القياسات بواسطة العديد من أجهزة الاستشعار. وبالنسبة لنُظُم الرادار المتواجدة، فإن أكبر العوامل المكلفة هي الطاقة المستخدمة لنقل إشارة الرادار نفسه. لذا سيكون من الرائع إذا تمكنا من استعمال نُظُم أو إشارات راديو متواجدة بالفعل. ومن حسن الحظ، أن مجال علم الفلك الراديوي بالكامل مبني على حقيقة أن هناك إشارات راديو مشرقة في السماء. وأكثرها إشراقاً هي شمسنا. وعليه، فإن أحد أكثر الأمور إثارة التي يعمل عليها فريق عملي حالياً هي محاولة استعمال البث الإشعاعي من الشمس كإشارة رادار. هذا أحد أكبر مجالات اختباراتنا في بيغ سور. أنبوب زقورة من كلوريد متعدد الفاينيل إنه قاعدة لهوائي بناها بعض طلبتي بمختبري. والفكرة هنا هي البقاء خارجا في بيغ سور، ومشاهدة غروب الشمس على الترددات الإذاعية، ونجرب التقاط انعكاس الشمس على سطح المحيط. أعلم أنكم تتساءلون: "لا يوجد أنهر جليدية في بيغ سور." (ضحك) وهذا صحيح. (ضحك) لكنه تبين أن التقاط انعكاس الشمس على سطح المحيط والتقاط انعكاس قاع صفيحة جليدية هما جيوفيزيائياً جد متشابهان. وعليه، إذا نجح الأمر، سيكون بمقدورنا تطبيق نفس مبدأ القياسات في القطب الجنوبي. وهذا الأمر ليس بعيد الاحتمال كما يبدو. فقد عملت الصناعة الزلزالية على تطوير تقنية مشابهة، حيث تمكنوا من الانتقال من اعتماد انفجار للديناميت كمصدر، إلى استعمال الصوت الزلزالي المحيط في البيئة. وتستعمل رادارات الدفاع الإشارات التلفزية والإذاعية في كل وقت، بحيث لا يكون عليها نقل إشارة الرادار والكشف عن موقعها. ما أود قوله هو أن الأمر قد ينجح بالفعل. وإن حدث، سنحتاج إلى أجهزة استشعار بأقل تكلفة لنتمكن من نشر شبكة من المئات أو الآلاف منها على الصفيحة الجليدية لالتقاط الصور. وهنا حيث اقترنت نجوم التقنية بالفعل لمساعدتنا. نُظُم الرادارات التي حدثتكم عنها آنفا والتي طورها مهندسون خبراء على مدى السنوات في مرافق وطنية مع تجهيزات متخصصة باهظة الثمن. لكن آخر التطويرات المتعلقة بالراديوية المحددة بالبرامجيات، سرعت من وتيرة التصنيع وحركة المصنع، ما مكن فريقًا من الشباب يعمل في مختبري على مدى بضع أشهر لبناء نموذج أولي لرادار. نعم، ليسوا شبابا عاديين، إنهم طلبة ستانفورد، لكن المسألة هي... (ضحك) أن تلك التقنيات التمكينية تسمح لنا بتخطي الحاجز بين المهندسين الذين يبنون الأدوات والعلماء الذين يستخدمونها. وبتعليم طلبة الهندسة التفكير كعلماء الأرض وطلبة علوم الأرض القادرين على التفكير كالمهندسين، مختبري يبني بيئة يمكننا فيها بناء أجهزة رادار ملائمة لكل مشكلة على حدة، والمحسنة بأقل تكلفة وبأداء عال لحل تلك المشاكل. وهذا سيغير تماماً الطريقة التي نراقب بها الصفائح الجليدية. مشكل ارتفاع مستوى البحر ودور الغلاف الجليدي في رفعه مهم للغاية وسيؤثر على العالم بأسره. لكنه ليس ما دفعني إلى العمل الذي أقوم به. أنا أعمل على إمكانية تعليم طلاب لامعين جداً والإشراف عليهم، لأني أؤمن من أعماقي بأن فرق الشباب الموهوبين والنشطين والشغوفين يمكنها حل معظم التحديات التي تواجه العالم، وتوفير صور الرصد المطلوبة لتقييم مستوى ارتفاع البحر وهذا مجرد مشكل واحد من المشاكل التي يمكنهم حلها أو سيحلونها. شكرا جزيلا لكم. (تصفيق)
I'm a radio glaciologist. That means that I use radar to study glaciers and ice sheets. And like most glaciologists right now, I'm working on the problem of estimating how much the ice is going to contribute to sea level rise in the future. So today, I want to talk to you about why it's so hard to put good numbers on sea level rise, and why I believe that by changing the way we think about radar technology and earth-science education, we can get much better at it. When most scientists talk about sea level rise, they show a plot like this. This is produced using ice sheet and climate models. On the right, you can see the range of sea level predicted by these models over the next 100 years. For context, this is current sea level, and this is the sea level above which more than 4 million people could be vulnerable to displacement. So in terms of planning, the uncertainty in this plot is already large. However, beyond that, this plot comes with the asterisk and the caveat, "... unless the West Antarctic Ice Sheet collapses." And in that case, we would be talking about dramatically higher numbers. They'd literally be off the chart. And the reason we should take that possibility seriously is that we know from the geologic history of the Earth that there were periods in its history when sea level rose much more quickly than today. And right now, we cannot rule out the possibility of that happening in the future. So why can't we say with confidence whether or not a significant portion of a continent-scale ice sheet will or will not collapse? Well, in order to do that, we need models that we know include all of the processes, conditions and physics that would be involved in a collapse like that. And that's hard to know, because those processes and conditions are taking place beneath kilometers of ice, and satellites, like the one that produced this image, are blind to observe them. In fact, we have much more comprehensive observations of the surface of Mars than we do of what's beneath the Antarctic ice sheet. And this is even more challenging in that we need these observations at a gigantic scale in both space and time. In terms of space, this is a continent. And in the same way that in North America, the Rocky Mountains, Everglades and Great Lakes regions are very distinct, so are the subsurface regions of Antarctica. And in terms of time, we now know that ice sheets not only evolve over the timescale of millennia and centuries, but they're also changing over the scale of years and days. So what we want is observations beneath kilometers of ice at the scale of a continent, and we want them all the time. So how do we do this? Well, we're not totally blind to the subsurface. I said in the beginning that I was a radio glaciologist, and the reason that that's a thing is that airborne ice-penetrating radar is the main tool we have to see inside of ice sheets. So most of the data used by my group is collected by airplanes like this World War II-era DC-3, that actually fought in the Battle of the Bulge. You can see the antennas underneath the wing. These are used to transmit radar signals down into the ice. And the echos that come back contain information about what's happening inside and beneath the ice sheet. While this is happening, scientists and engineers are on the airplane for eight hours at a stretch, making sure that the radar's working. And I think this is actually a misconception about this type of fieldwork, where people imagine scientists peering out the window, contemplating the landscape, its geologic context and the fate of the ice sheets. We actually had a guy from the BBC's "Frozen Planet" on one of these flights. And he spent, like, hours videotaping us turn knobs. (Laughter) And I was actually watching the series years later with my wife, and a scene like this came up, and I commented on how beautiful it was. And she said, "Weren't you on that flight?" (Laughter) I said, "Yeah, but I was looking at a computer screen." (Laughter) So when you think about this type of fieldwork, don't think about images like this. Think about images like this. (Laughter) This is a radargram, which is a vertical profile through the ice sheet, kind of like a slice of cake. The bright layer on the top is the surface of the ice sheet, the bright layer on the bottom is the bedrock of the continent itself, and the layers in between are kind of like tree rings, in that they contain information about the history of the ice sheet. And it's amazing that this works this well. The ground-penetrating radars that are used to investigate infrastructures of roads or detect land mines struggle to get through a few meters of earth. And here we're peering through three kilometers of ice. And there are sophisticated, interesting, electromagnetic reasons for that, but let's say for now that ice is basically the perfect target for radar, and radar is basically the perfect tool to study ice sheets. These are the flight lines of most of the modern airborne radar-sounding profiles collected over Antarctica. This is the result of heroic efforts over decades by teams from a variety of countries and international collaborations. And when you put those together, you get an image like this, which is what the continent of Antarctica would look like without all the ice on top. And you can really see the diversity of the continent in an image like this. The red features are volcanoes or mountains; the areas that are blue would be open ocean if the ice sheet was removed. This is that giant spatial scale. However, all of this that took decades to produce is just one snapshot of the subsurface. It does not give us any indication of how the ice sheet is changing in time. Now, we're working on that, because it turns out that the very first radar observations of Antarctica were collected using 35 millimeter optical film. And there were thousands of reels of this film in the archives of the museum of the Scott Polar Research Institute at the University of Cambridge. So last summer, I took a state-of-the-art film scanner that was developed for digitizing Hollywood films and remastering them, and two art historians, and we went over to England, put on some gloves and archived and digitized all of that film. So that produced two million high-resolution images that my group is now working on analyzing and processing for comparing with contemporary conditions in the ice sheet. And, actually, that scanner -- I found out about it from an archivist at the Academy of Motion Picture Arts and Sciences. So I'd like to thank the Academy -- (Laughter) for making this possible. (Laughter) And as amazing as it is that we can look at what was happening under the ice sheet 50 years ago, this is still just one more snapshot. It doesn't give us observations of the variation at the annual or seasonal scale, that we know matters. There's some progress here, too. There are these recent ground-based radar systems that stay in one spot. So you take these radars and put them on the ice sheet and you bury a cache of car batteries. And you leave them out there for months or years at a time, and they send a pulse down into the ice sheet every so many minutes or hours. So this gives you continuous observation in time -- but at one spot. So if you compare that imaging to the 2-D pictures provided by the airplane, this is just one vertical line. And this is pretty much where we are as a field right now. We can choose between good spatial coverage with airborne radar sounding and good temporal coverage in one spot with ground-based sounding. But neither gives us what we really want: both at the same time. And if we're going to do that, we're going to need totally new ways of observing the ice sheet. And ideally, those should be extremely low-cost so that we can take lots of measurements from lots of sensors. Well, for existing radar systems, the biggest driver of cost is the power required to transmit the radar signal itself. So it’d be great if we were able to use existing radio systems or radio signals that are in the environment. And fortunately, the entire field of radio astronomy is built on the fact that there are bright radio signals in the sky. And a really bright one is our sun. So, actually, one of the most exciting things my group is doing right now is trying to use the radio emissions from the sun as a type of radar signal. This is one of our field tests at Big Sur. That PVC pipe ziggurat is an antenna stand some undergrads in my lab built. And the idea here is that we stay out at Big Sur, and we watch the sunset in radio frequencies, and we try and detect the reflection of the sun off the surface of the ocean. Now, I know you're thinking, "There are no glaciers at Big Sur." (Laughter) And that's true. (Laughter) But it turns out that detecting the reflection of the sun off the surface of the ocean and detecting the reflection off the bottom of an ice sheet are extremely geophysically similar. And if this works, we should be able to apply the same measurement principle in Antarctica. And this is not as far-fetched as it seems. The seismic industry has gone through a similar technique-development exercise, where they were able to move from detonating dynamite as a source, to using ambient seismic noise in the environment. And defense radars use TV signals and radio signals all the time, so they don't have to transmit a signal of radar and give away their position. So what I'm saying is, this might really work. And if it does, we're going to need extremely low-cost sensors so we can deploy networks of hundreds or thousands of these on an ice sheet to do imaging. And that's where the technological stars have really aligned to help us. Those earlier radar systems I talked about were developed by experienced engineers over the course of years at national facilities with expensive specialized equipment. But the recent developments in software-defined radio, rapid fabrication and the maker movement, make it so that it's possible for a team of teenagers working in my lab over the course of a handful of months to build a prototype radar. OK, they're not any teenagers, they’re Stanford undergrads, but the point holds -- (Laughter) that these enabling technologies are letting us break down the barrier between engineers who build instruments and scientists that use them. And by teaching engineering students to think like earth scientists and earth-science students who can think like engineers, my lab is building an environment in which we can build custom radar sensors for each problem at hand, that are optimized for low cost and high performance for that problem. And that's going to totally change the way we observe ice sheets. Look, the sea level problem and the role of the cryosphere in sea level rise is extremely important and will affect the entire world. But that is not why I work on it. I work on it for the opportunity to teach and mentor extremely brilliant students, because I deeply believe that teams of hypertalented, hyperdriven, hyperpassionate young people can solve most of the challenges facing the world, and that providing the observations required to estimate sea level rise is just one of the many such problems they can and will solve. Thank you. (Applause)