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.
Soy radioglaciólogo. Eso significa que uso radares para estudiar glaciares y capas de hielo. Y como la mayoría de los glaciólogos actualmente, trabajo en el problema de estimar cuánto contribuirá el hielo al aumento del nivel del mar en el futuro. Así que hoy quiero hablarles sobre por qué es tan difícil dar buenos números sobre el aumento del nivel del mar y por qué creo que cambiando el modo de pensar sobre la tecnología de radar y la educación en ciencias de la Tierra, podemos mejorar mucho.
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.
Al hablar del aumento del nivel del mar muchos científicos muestran un diagrama como este. Esto se produce utilizando capas de hielo y modelos climáticos. A la derecha, pueden ver el rango del nivel del mar previsto por estos modelos para los próximos 100 años. Para ponerlo en perspectiva, este es el nivel actual del mar y este es el nivel del mar sobre el cual más de 4 millones de personas serían vulnerables al desplazamiento. Así que, en términos de planificación la incertidumbre en este diagrama ya es grande.
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?
Sin embargo, más allá de eso, este diagrama viene con el asterisco y la advertencia: "A menos que colapse la capa de hielo de la Antártida Occidental". Y en ese caso, estaríamos hablando de números dramáticamente más altos. Estarían literalmente fuera del gráfico. Y la razón por la que deberíamos tomar en serio esa posibilidad, es que sabemos por la historia geológica de la Tierra, que hubo períodos en su historia en que el nivel del mar aumentó mucho más rápido que hoy. Y en este momento, no podemos descartar la posibilidad de que eso suceda en el futuro. Entonces, ¿por qué no podemos decir con confianza, si una porción significativa de una capa de hielo a escala continental colapsará o no?
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.
Bueno, para hacer eso necesitamos modelos que sepamos que incluyen todos los procesos, las condiciones y la física que estarían involucrados en un colapso como ese. Y eso es difícil de saber, porque esos procesos y condiciones se llevan a cabo kilómetros bajo hielo y los satélites, como el que produjo esta imagen, son incapaces de observarlos. De hecho, tenemos observaciones mucho más completas de la superficie de Marte, que las que tenemos de lo que está bajo la capa de hielo de la Antártida. Y esto es aún más desafiante, en el sentido de que necesitamos estas observaciones a una escala gigantesca,
In terms of space, this is a continent.
tanto en el espacio como en el tiempo.
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.
En términos de espacio, este es un continente. Y de la misma manera que en Norte América, las regiones de las Montañas Rocosas, los Everglades y los Grandes Lagos son muy distintas, así lo son las regiones del subsuelo de la Antártida. Y en términos de tiempo, ahora sabemos que las capas de hielo no solo evolucionan en la escala de tiempo de milenios y siglos, sino que también cambian en la escala de años y días. Lo que queremos son observaciones debajo de kilómetros de hielo a la escala de un continente y las queremos todo el tiempo.
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.
¿Cómo hacemos esto? Bueno, no es que no veamos el subsuelo totalmente. Al principio dije que era radioglaciólogo, y la razón por la que eso es importante, es que el radar de penetración de hielo en el aire, es la herramienta principal que tenemos que ver dentro de las capas de hielo. Así que la mayoría de la información usada por mi grupo es obtenida por aviones como este DC-3 de la Segunda Guerra Mundial, que en realidad lucharon en la Batalla de las Ardenas. Pueden ver las antenas debajo del ala. Estas se utilizan para transmitir señales de radar hacia el hielo y los ecos que regresan contienen información sobre lo que sucede dentro y debajo de la capa de hielo. Mientras esto sucede, los científicos e ingenieros están en el avión durante ocho horas seguidas, asegurándose de que el radar funcione. Y pienso que esta es realmente una idea falsa sobre este tipo de trabajo de campo, donde la gente se imagina a los científicos mirando por la ventana, contemplando el paisaje, su contexto geológico y el destino de las capas de hielo. De hecho, tuvimos un hombre del "Planeta Congelado" de la BBC en un vuelo de estos y él pasó horas grabándonos en video girando perillas de control.
(Laughter)
(Risas)
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?"
Estaba viendo las series años más tarde con mi esposa y apareció una escena como esta y comenté lo hermoso que era. Y ella dijo: "¿No estabas en ese vuelo?".
(Laughter)
(Risas)
I said, "Yeah, but I was looking at a computer screen."
Dije: "Sí, pero estaba mirando la pantalla de una computadora".
(Laughter)
(Risas)
So when you think about this type of fieldwork, don't think about images like this. Think about images like this.
Así que, cuando piensen en este tipo de trabajo de campo, no piensen en imágenes como esta. Piensen en imágenes como esta.
(Laughter)
(Risas)
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.
Este es un radargrama: un perfil vertical a través de la capa de hielo; como una rebanada de pastel. La capa brillante de encima es la superficie de la capa de hielo, la capa brillante en la parte inferior es la roca madre del continente y las capas intermedias son como anillos de árboles, ya que contienen información sobre la historia de la capa de hielo. Es sorprendente que esto funcione así de bien. Los radares de penetración de suelo utilizados para investigar las infraestructuras de carreteras o detectar minas, luchan por atravesar algunos metros de tierra. Y aquí estamos mirando través de tres kilómetros de hielo. Y hay razones sofisticadas, interesantes y electromagnéticas para eso, pero digamos por ahora que el hielo es básicamente el blanco perfecto del radar y el radar es básicamente la herramienta perfecta para estudiar las capas de hielo.
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.
Estas son las líneas de vuelo de la mayoría de los perfiles de sonido de radar aerotransportados modernos obtenidos en la Antártida. Este es el resultado de esfuerzos heroicos durante décadas, por parte de equipos de diversos países y colaboraciones internacionales. Y cuando se unen, se obtiene una imagen como esta, que es como sería el continente de la Antártida sin todo el hielo en la parte superior. Y realmente se puede ver la diversidad del continente en una imagen como esta. Las áreas rojas son volcanes o montañas; las áreas azules serían mar abierto si se elimina la capa de hielo. Esta es esa escala espacial gigante. Sin embargo, todo esto que tardó décadas en producirse es solo una instantánea del subsuelo. No nos da ninguna indicación de cómo la capa de hielo está cambiando en el tiempo. Ahora bien, estamos trabajando en eso, porque resulta que las primeras observaciones de radar de la Antártida, se obtuvieron utilizando una película óptica de 35 mm. Y hay miles de carretes de esta película, en los archivos del museo de Scott Polar Research Institute de la Universidad de 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 --
El verano pasado tomé un escáner de película de vanguardia desarrollado para digitalizar películas de Hollywood y remasterizarlas, y dos historiadores del arte; fuimos a Inglaterra, nos pusimos guantes y archivamos y digitalizamos todas esas películas. Eso produjo dos millones de imágenes de alta resolución, que mi grupo ahora está analizando y procesando para compararlas con las condiciones actuales en la capa de hielo. De hecho, me enteré sobre ese escáner, gracias a un archivista de la Academia de Artes y Ciencias Cinematográficas. Así que me gustaría agradecer a la Academia…
(Laughter)
(Risas)
for making this possible.
por hacer esto posible.
(Laughter)
(Risas)
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.
Y por increíble que sea que podamos ver lo que sucedía debajo de la capa de hielo hace 50 años, esta es solo una instantánea más. No nos da observaciones de la variación a escala anual o estacional, que sabemos que importa. Aquí también hay algún progreso. Existen estos sistemas de radar terrestres recientes, que se quedan solo en un lugar. Toman estos radares y los ponen en la capa de hielo; entierran una cantidad baterías de automóviles y los dejan allí por meses o años cada vez y estas envían un pulso a la capa de hielo cada tantos minutos u horas. Así que esto provee una observación continua en el tiempo, pero en un solo lugar. Así que, si comparan esa imagen con las imágenes 2-D proporcionadas por el avión, esta es solo una línea vertical. Y esto es más o menos donde estamos como campo en este momento. Podemos elegir entre una buena cobertura espacial con sonido de radar aerotransportado y una buena cobertura temporal en un solo punto con un sondeo con base en tierra.
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.
Pero ninguno nos da lo que realmente queremos: ambos al mismo tiempo. Y si vamos a hacer eso, vamos a necesitar formas totalmente nuevas de observar la capa de hielo, e idealmente estas deben ser de muy bajo costo para que podamos tomar muchas medidas de muchos sensores. Bueno, para los sistemas de radar existentes, el mayor factor de costo es la potencia requerida para transmitir la señal del radar en sí. Sería genial si pudiéramos utilizar los sistemas de radio existentes o las señales de radio que se encuentran en el entorno. Afortunadamente, todo el campo de la radioastronomía se basa en el hecho de que hay señales de radio brillantes en el cielo y una muy brillante es nuestro Sol.
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."
Así que, una de las cosas más emocionantes que mi grupo está haciendo en este momento es tratar de usar las emisiones de radio del Sol como un tipo de señal de radar. Esta es una de nuestras pruebas de campo en Big Sur. Ese tubo de PVC zigurat es un soporte de antena hecho por estudiantes de mi laboratorio. Y la idea aquí es que nos quedemos en Big Sur y veamos la puesta de sol en las frecuencias de radio y tratemos de detectar el reflejo del sol en la superficie del océano. Ahora, sé que están pensando: "No hay glaciares en Big Sur",
(Laughter)
(Risas)
And that's true.
y eso es cierto.
(Laughter)
(Risas)
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.
Pero resulta que la detección del reflejo del sol en la superficie del océano y la detección del reflejo en el fondo de una capa de hielo, son extremadamente similares geofísicamente. Y si esto funciona, deberíamos poder aplicar el mismo principio de medición en la Antártida y esto no es tan descabellado como parece. La industria sísmica ha pasado por un ejercicio similar de desarrollo de la técnica, donde pudieron pasar de la detonación de dinamita como fuente, a usar el ruido sísmico ambiental en el entorno. Los radares de defensa usan señales de TV y señales de radio todo el tiempo, por lo que no tienen que transmitir una señal de radar y revelar su posición. Así que, lo que estoy diciendo es que esto realmente podría funcionar y si lo hace, vamos a necesitar sensores de muy bajo costo, para que podamos implementar redes de cientos o miles de estos en una capa de hielo para tomar imágenes
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 --
y ahí es donde las estrellas tecnológicas se han alineado para ayudarnos. Esos sistemas de radar anteriores de los que hablé, fueron desarrollados por ingenieros experimentados a lo largo de los años, en instalaciones nacionales con costosos equipos especializados. Pero los desarrollos recientes en la radio definida por software, la rápida fabricación y el movimiento del fabricante, hacen que sea posible para un equipo de adolescentes, trabajando en mi laboratorio en el transcurso de unos pocos meses, construir un prototipo de radar. De acuerdo, no son adolescentes; son universitarios de Stanford, pero el punto es...
(Laughter)
(Risas)
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.
que estas tecnologías instrumentales nos permiten romper la barrera entre los ingenieros que construyen instrumentos y los científicos que los utilizan. Y al enseñarles a los estudiantes de ingeniería a pensar como geocientíficos y a los estudiantes de geociencia pensar como ingenieros, mi laboratorio está construyendo un entorno en el que podemos construir sensores de radar personalizados para cada problema, que están optimizados para un bajo costo y un alto rendimiento para ese problema. Y eso va a cambiar por completo la forma en que observamos las capas de hielo.
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.
Miren, el problema del nivel del mar y el papel de la criósfera en el aumento del nivel del mar es extremadamente importante y afectará al mundo entero. Pero esa no es la razón por la que trabajo en ello. Trabajo en ello por la oportunidad de enseñar y ser mentor de estudiantes extremadamente brillantes, porque creo profundamente que los equipos de jóvenes súper talentosos, súper impulsados y súper apasionados pueden resolver la mayoría de los desafíos que enfrenta el mundo, y que proporcionar las observaciones necesarias para estimar el aumento del nivel del mar, es solo uno de los muchos problemas que pueden resolver y resolverán.
Thank you.
Gracias.
(Applause)
(Aplausos)