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.
من یک یخچال شناس رادیویی هستم. یعنی که من از رادار برای مطالعه ورقهها و کوههای یخی استفاده میکنم. مثل بیشتر یخچال شناسهای امروز، من بر روی مشکلات برآورد وضعیت اینکه چقدر یخها قرار است در آینده در افزایش سطح آب دریا نقش داشته باشند کار میکنم. پس امروز، میخواهم در مورد اینکه چرا سخت است که افزایش سطح را با ارقام نشان دهیم، و چرا فکر میکنم که با تغییر نگرش در مورد تکنولوژی رادار و آموزش علوم زمین، ما بیشتر میتوانیم کسب کنیم.
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.
زمانیکه دانشمندان درباره افزایش سطح آب دریا بحث میکنند، این طرح را نشان میدهند. از ورقههای یخ و مدلهای آب و هوا برای تولیدش استفاده میشود. در سمت راست، دامنه تغییرات سطح دریا را میبینید که تا صد سال آینده را این مدلها پیش بینی میکند. برای درک بهتر، اینجا سطح فعلی آب دریاست، و این سطح دریا بالاتر از حدی که بیش از ۴ میلیون نفر را در شرایط آسیب تغییر مکان قرار میدهد. پس از نقطه نظر برنامه ریزی عدم اطمینان در این نمودار همین حالا هم بالا است.
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?
هرچند، فراتر از آن، این نمودار با ستاره و اخطاری همراه است، "... مگر اینکه پهنههای یخ در غرب قطب جنوب فرو بریزد." و در این صورت، ما میبایست در مورد اعداد قابل توجهی بالاتر صحبت کنیم آنها کاملاً خارج چارت قرار میگیرند. و دلیل اینکه ما این احتمال را جدی بگیریم این است که ما از نظر تاریخ زمین شناسی میدانیم که دورههایی در این تاریخ وجود دارد که سطح آب دریا خیلی سریعتر از امروز افزایش یافت. و حالا نیز نمیتوانیم در نظر نگیریم احتمال آنکه در آینده چنین چیزی رخ ندهد. پس چرا نمیتوانیم با اطمینان بگوییم بخش قابل توجهی پهنههای یخی در مقیاس قاره ای فرو خواهد پاشید یا نخواهد پاشید؟
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.
برای این منظور، ما مدلهایی نیاز داریم که میشناسیم و شامل تمام فرایندها، شرایط و فیزیک باشند که در فروپاشی مانند آن دخیل باشند. و آن سخت است که بدانیم، زیرا آن فرایندها و شرایط دارند در زیر کیلومترها یخ رخ میدهند، و ماهوارههایی که مانند این تصویر را تولید میکنند، برای دیدن آن نابینا هستند. در واقع، ما مشاهدات جامعتری از سطح مریخ داریم نسبت به آنچه در زیر ورقه یا پهنه یخی جنوبگان رخ میدهد. و این حتی چالش برانگیزتر است چراکه ما به این مشاهدات در ابعاد بسیار بزرگ زمان ومکان احتیاج داریم.
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.
از نظر مکان، این یک قاره است. و به همین ترتیب که در قاره آمریکای شمالی کوههای راکی، اورگلیدز و دریاچههای بزرگ منطقههای بسیار متفاوتی هستند، همچنین سطوح زیرین مناطق جنوبگان. و از نظر زمان، ما میدانیم که پهنههای یخی نه تنها در طول هزار سال و قرنها تکامل پیدا میکنند، بلکه درمقیاس سالها و روزها هم تغییر میکنند. پس آنچه ما میخواهیم مشاهدات در زیر کیلومترها یخ در مقیاس قارهای است، و ما به آنها همیشه نیاز داریم.
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.
پس چطور میتوانیم انجام دهیم؟ البته ما هم کاملاً نسبت به سطح زیرین نابینا نیستیم. در ابتدا من بیان کردم که یخچالشناس رادیویی هستم، و دلیل آن این است که رادار هوابرد نافذ در یخ وسیله اصلی ما است برای دیدن درون ورقههای یخی. پس بیشترین دادهها توسط گروه ما با استفاده از هواپیما گردآوری شده است مانند هواپیمای دی سی۳ در جنگ جهانی دوم، که در واقع در نبرد آردنن شرکت داشت. شما میتوانید آنتن زیر بال آن را ببینید. اینها برای انتقال سیگنالهای رادار به درون یخها استفاده میشوند. و بازتابها که بازمیگردند حاوی اطلاعاتی هستند درباره اتفاقاتی که در زیر و درون لابه یخ رخ میدهد. در حین این رخدادها، دانشمندان و مهندسان در هواپیما برای هشت ساعت متمادی حضور دارند، که اطمینان یابند رادار درست کار میکند. و فکر میکنم که در واقع یک تصور غلط درباره این حوزه کاری وجود دارد، جاییکه مردم تصور میکنند دانشمندان به پنجره خیره نگاه میکنند، در مناظر تفکر میکنند، در مفاهیم زمین شناسی آن و وضعیت پهنههای یخ. ما در واقع شخصی را از BBC از برنامه "سیاره یخی" در این پروازها داشتیم. و او ساعتها صرف فیلمبرداری از ما کرد که پیچها را میچرخاندیم.
(Laughter)
(خنده)
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?"
و سالها بعد درواقع داشتم با همسرم آن برنامه را تماشا میکردم، و صحنهای مثل این آمد، و من گفتم چقدر زیباست. و او گفت، "مگر در آن هواپیما نبودی؟"
(Laughter)
(خنده)
I said, "Yeah, but I was looking at a computer screen."
گفتم، "بله، اما من داشتم به صفحه نمایش رایانه نگاه می کردم."
(Laughter)
(خنده)
So when you think about this type of fieldwork, don't think about images like this. Think about images like this.
پس وقتی در مورد این گونه حوزه کاری فکر میکنید، در مورد چنین تصاویری فکر نکنید. در مورد این تصاویر فکر کنید.
(Laughter)
(خنده)
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.
این یک تصویر راداری است که یک نمای عمودی از ورقه یخی است، شبیه یک برش کیک. لایه درخشان در بالای آن سطح ورقه یخ است، لایه درخشان در ته آن بستر سنگ خود قاره است، و لایههای بین آن یک جور شبیه حلقههای درخت هستند، که در آن اطلاعات درباره تاریخ ورقه یخی قرار دارد. و شگفت انگیز است که این خیلی خوب کار میکند. رادارهای قابل نفوذ در زمین که برای بررسی زیرساختهای جادهها و کشف زمین معدنها استفاده میشوند برای نفوذ تا چند متر زیر زمین تقلا میکنند. و اینجا ما با دقت به درون سه کیلومتر یخ نگاه میکنیم. و دلایل پیچیده جالب و الکترومغناطیسی برای آن هست، اما فعلا بگذارید بگوییم که اساسا یخ هدف مناسبی برای رادار است، و رادار کلا وسیله ایدهآلی برای مطالعه پهنههای یخی است.
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.
اینها خطوط پرواز اکثر آن مدرنترین نقشههای سیستم رادار صوتی هوایی است که از سرتاسر جنوبگان گردآوری شده. این نتیجه دههها تلاش قهرمانانه تیمهایی از کشورهای مختلف و همکاریهای بین المللی است. و وقتی آنها را کنار هم میگذارید، تصویری مثل این بدست میآورید، چیزی که قاره جنوبگان در واقع بدون تمام آن یخها بر روی آن دیده میشود. و شما میتوانید تنوع قارهای را در این تصویر ببینید. قسمتهای قرمز آتشفشانها یا کوهها هستند؛ و مناطقی که آبی هستند اقیانوس باز است اگر ورقههای یخی حذف میشد. این همان مقیاس فضایی بزرگ است. هرچند، تمام این تصویر که دههها طول کشید تا تولید شود تنها ثبت یک لحظه از سطح زیر یخ است. این به ما هیچ نشانه ای نمیدهد که چطور پهنه یخی در طی زمان در حال تغییر است. حالا ما بر روی آن کار میکنیم، چراکه آشکاراست که برای اولین مشاهدات راداری که از جنوبگان گردآوری شده از فیلمهای نوری ۳۵ میلیمتری استفاده شد. و هزارها حلقه از این فیلم در آرشیو موزه موسسه تحقیقات قطب اسکات در دانشگاه کمبریج بودند.
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 --
پس تابستان گذشته، من یک اسکنر مدرن فیلم را برداشتم که برای دیجیتالی و بهتر کردن کیفیت فیلمهای هالیوود توسعه داده شده بود، و با دو تاریخ شناس هنر، به انگلستان رفتیم و دستکش پوشیدیم، و تمام آن فیلمها را آرشیو و دیجیتالی کردیم. پس دو میلیون تصویر با وضوح بالا تولید شد و گروه ما هم اکنون آنها را تحلیل و پردازش میکنند برای اینکه با شرایط کنونی پهنه یخی مقایسه کنند. و در واقع در مورد آن اسکنر -- من درباره آن از یک کارمند بایگانی در آکادمی هنر و علم تصویر متحرک شنیدم. پس میخواهم از آکادمی تشکر کنم --
(Laughter)
(خنده)
for making this possible.
که این امکان را فراهم کردند.
(Laughter)
(خنده)
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.
و به همان اندازه که خارقالعاده است که ما میتوانیم ببینیم چه اتفاقی در زیر ورق یخی در ۵۰ سال پیش رخ داده، این هنوز فقط ثبت یک لحظه بیشتر است. و به ما مشاهدات تغییرات در مقیاس سالانه یا فصلی نمیدهد، که میدانیم مهم است. پیشرفتهایی هم اینجا داشتیم. این سیستمهای رادار زمینی تازه هستند که در یک نقطه قرار دارند. پس ما این نوع رادارها را بر روی پهنه یخی قرار میدهیم و یک دسته باطری ماشین را دفن میکنیم. و هر بار آنها را ماهها یا سالها در آنجا باقی میگذاریم، و آنها یک پالس به درون ورقه یخی میفرستند هر چند دقیقه یا چند ساعت. پس در طول زمان به شما یک مشاهده مستمر میدهد -- اما در یک نقطه مکانی. پس اگر شما آن تصویربرداری را با تصاویر دو بعدی که هواپیما فراهم کرده مقایسه کنید این فقط یک خط عمودی در آن تصویر است. و این جایی است که در این حوزه هستیم. ما میتوانیم انتخاب کنیم بین پوشش خوب یک تصویر فضایی با هواپیما و رادار صوتی و پوشش موقتی در یک نقطه با رادار صوتی زمینی.
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.
اما هیچکام آنچه ما میخواهیم را بدست نمیدهد: هردو در یک زمان. و اگر ما آن را میخواهیم، احتیاج به روشهای کاملاً جدید در مشاهده پهنه یخی داریم. و به طور ایدهال، آن روشها باید بسیار کم هزینه باشند که ما بتوانیم اندازهگیریهای زیادی با سنسورهای زیادی انجام دهیم. البته، با سیستمهای رادار موجود، گرانترین محرک هزینه برق مورد نیاز است که سیگنالهای رادار را ارسال کند. بسیارعالی بود اگر ما میتوانستیم سیستمهای رادیویی موجود را بکار بریم یا سیگنالهای رادیویی موجود در محیط را استفاده کنیم و خوشبختانه، تمام حوزه ستاره شناسی رادیویی بر این حقیقت استوار است که در آسمان سیگنالهای رادیویی واضحی وجود دارند. و خورشید ما یکی از این سیگنالهای درخشان است.
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."
پس، درواقع یکی ازهیجان انگیزترین چیزهایی که اکنون گروه من انجام میدهد تلاش برای استفاده از انتشار رادیویی از خورشید به عنوان سیگنال رادار است. آین یکی از محلهای آزمایش در بیگ سور است. آن لوله PVC زیگورات شکل یک آنتن ایستاده است که دانشجویان من در آزمایشگاه ساختند. و ایده این هست که ما در بیگ سور بیرون میایستیم، و غروب را با فرکانسهای رادیویی نگاه میکنیم، و بازتابهای خورشید را از روی سطح اقیانوس نمایان میکنیم. میدانم که دارید فکر میکنید که «در بیگ سور که کوه یخی نیست.»
(Laughter)
(خنده)
And that's true.
درست است.
(Laughter)
(خنده)
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.
اما معلوم شده است که با یافتن بازتاب خورشید از سطح اقیانوس و آشکار سازی بازتاب از روی پهنه یخی بسیار به هم شبیه هستند. و اگر این روش جواب بدهد، ما میبایست بتوانیم همان قوانین اندازهگیری را در جنوبگان بکار بریم. و این دور از دسترس به نظر نمیرسد. در صنعت لرزهنگاری فناوری مشابهی توسعه یافته و استفاده میشود، و قادرند ازانفجار دینامیت به عنوان منبع شروع کرده، از طنین لرزشهای محیطی ایجاد شده در محیط استفاده کنند. و رادارهای دفاعی تمام مدت از سیگنالهای تلویزیونی و رادیویی بهره میبرند، پس احتیاج ندارند که سیگنال رادار را بفرستند و موقعیتشان را آشکار کنند. چیزی که من میگویم این است که این روش شاید جواب بدهد. و اگر اینطور باشد به سنسورهای بسیار ارزان احتیاج داریم تا بتوانیم شبکهای از صدها یا هزارها از آن را بر روی پهنه یخ بکار ببریم و تصویربرداری کنیم.
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 --
و اینجاست که ستارههای تکنولوژی واقعا کنار هم قرار گرفتند که به ما کمک کنند. آن سیستمهای رادار اولیه که در موردشان صحبت کردم توسط مهندسان با تجربه در طی سالها پیشرفت داده شدند با خدمات و امکانات ملی با کمک وسایل تخصصی گران. اما پیشرفتهای اخیر در حوزه نرم افزاری رادیو، ساخت سریع و جنبش خودکفایی در تکنولوژی، آن را بسیار ممکن ساخته که تیمی از نوجوانها در آزمایشگاه من در طول چند ماه کار کنند و نمونه رادار آزمایشی بسازند. البته آنها نوجوان نیستند، آنها دانشجویان کارشناسی استنفورد هستند، اما نکته پابرجاست --
(Laughter)
(خنده)
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.
و این تواناییهای تکنولوژیکی به ما اجازه داده موانع بین مهندسان تولید کننده وسیله و دانشمندانی که از آن بهره میبرند را بشکنیم. و با آموزش دانشجویان مهندسی که مثل دانشمندان زمینشناس فکر کنند و دانشجویان زمین شناسی که مثل مهندسان فکر کنند، آزمایشگاه من فضایی را فراهم کرده که ما میتوانیم حسگرهای راداری قابل تغییر بسازیم برای هر مشکلی که داریم، آنها برای هزینه پایین و کارایی بالا بهینه شدهاند برای آن مشکل. و این قرار است روش مشاهده ما در پهنه یخی را کاملا تغییر دهد.
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.
ببینید، مشکل افزایش سطح آب دریا و نقش پوسته یخ در این افزایش بسیار مهم است و تمام دنیا را تحت تاثیر قرار میدهد. اما این دلیلی نیست که من روی آن کار میکنم. من برای فرصت تعلیم و تربیت دانشجویانی بسیار باهوش کار میکنم، زیرا باور دارم که تیمی از افراد نخبه جوان، بسیار با انگیزه و بسیار مشتاق، میتوانند بیشتر چالشهای جهان را حل کنند، و فراهم کردن مشاهدات لازم برای تخمین میزان افزایش سطح دریا تنها یکی از مسائلی است که آنها میتوانند حل کنند و حل خواهند کرد.
Thank you.
متشکرم.
(Applause)
(تشویق)