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.
Je suis radio-glaciologue. C'est-à-dire que j'étudie les glaciers et les calottes glaciaires avec des radars. Et comme beaucoup de glaciologues aujourd'hui, je travaille sur la question suivante : de combien la fonte des glaces va faire monter le niveau de la mer dans le futur ? Aujourd'hui, je veux vous dire pourquoi il est si difficile d'évaluer correctement la hausse du niveau de la mer et pourquoi je pense qu'en changeant notre vision de la technologie radar, et l'enseignement des sciences de la Terre, on peut grandement s'améliorer.
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.
Quand les scientifiques parlent de l'élévation des mers, on a ce type de graphes. Ceci a été fait avec des modèles de glacier et des modèles climatiques. À droite, on peut voir les variations du niveau de la mer pronostiquées par ces modèles pour les 100 prochaines années. Pour le contexte, voici le niveau actuel de la mer, et voici le niveau au-dessus duquel plus de quatre millions de personnes pourraient être déplacées. Donc en termes de prévisions, il y a déjà une grande incertitude dans ce graphe.
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?
De plus, ce graphe est accompagné d'un astérisque et d'un avertissement, « ... à moins que la calotte Ouest-Antarctique ne s’effondre. » Dans ce cas, on parlerait de chiffres si élevés qu'on ne pourrait plus les placer sur ce graphe. Et nous devons prendre cette hypothèse au sérieux, parce que l'histoire géologique de la Terre a révélé qu'il y a eu des périodes par le passé où la mer a monté bien plus rapidement qu’aujourd’hui. Et à date, nous ne pouvons pas exclure la possibilité d'un épisode similaire à l'avenir. Alors, pourquoi est-il impossible d'affirmer avec certitude si une partie importante d'un glacier de la taille d'un continent s'écroulera ou non ?
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.
Pour cela, nous avons besoin de modèles qui incluent tous les processus, conditions et propriétés physiques qui pourraient participer à un tel effondrement. Et c'est difficile à savoir, car ces processus et conditions se situent à des kilomètres sous la glace, et les satellites comme celui à l'origine de cette image, ne peuvent pas les observer. En fait, nous avons des observations plus complètes de la surface de Mars que de ce qu'il y a sous la surface de l'inlandsis antarctique. Et c'est un défi majeur car nous avons besoin de ces observations sur une échelle gigantesque dans l'espace et dans temps.
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.
En termes d'espace, c'est un continent. Et de la même façon qu'en Amérique du Nord, les régions des Rocheuses, des Everglades et des Grands Lacs sont très différentes, les régions sous la surface de l'Antarctique le sont également. En termes de temps, nous savons désormais que les calottes glaciaires n'évoluent pas que sur des millénaires ou des siècles, mais qu'elles changent aussi en l'espace de quelques années ou même de jours. Donc nous voulons observer à des kilomètres sous la glace à l'échelle d'un continent, et nous voulons le faire en continu.
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.
Alors, comment le faire ? Nous ne sommes pas tout à fait incapables de mesurer sous la surface. J'ai dit au début que j'étais radio-glaciologue, et la raison pour laquelle c'est important, c'est que le radar aérien pénétrateur de glace est l'outil fondamental pour voir à l'intérieur des couches de glace. Donc la plupart des données utilisées par mon groupe sont récoltées par avion comme ce DC3 de la seconde guerre mondiale, qui a combattu lors de la Bataille des Ardennes. Vous pouvez voir les antennes sous l'aile. Celles-ci sont utilisées pour transmettre des signaux radar dans la glace. Et les échos qui reviennent apportent de l'information sur ce qui se passe à l'intérieur et sous la couche de glace. Lors de cette opération, des scientifiques et ingénieurs restent dans l'avion huit heures de suite, pour s'assurer que le radar fonctionne. Et je pense qu'on a une idée erronée de ce type de travail de terrain, où on imagine les scientifiques en train de regarder par la fenêtre, contemplant le paysage, son contexte géologique et le destin des calottes glaciaires. Nous avons eu quelqu'un du programme de la BBC « Frozen Planet » sur un de ces vols. Il a passé des heures à nous filmer pendant qu'on tournait des boutons.
(Laughter)
(Rires)
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?"
Et j'ai regardé le programme des années plus tard avec ma femme, et une scène comme celle-ci est apparue ; j'ai dit combien c'était joli. Et elle m'a répondu : « Tu n'étais pas dans ce vol ? »
(Laughter)
(Rires)
I said, "Yeah, but I was looking at a computer screen."
J'ai dit : « Oui, mais je regardais l'écran de l'ordinateur. »
(Laughter)
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So when you think about this type of fieldwork, don't think about images like this. Think about images like this.
Quand vous pensez à ce type de travail sur le terrain, Ne pensez pas à ce genre d'images. Pensez plutôt à des images comme ça.
(Laughter)
(Rires)
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.
C'est un radargramme, une coupe verticale de la calotte glaciaire, comme une tranche de gâteau. La couche brillante en haut est la surface de la glace, la couche brillante en bas est la roche du continent, et les couches entre sont comme les cernes d'un arbre. Ils contiennent de l'information sur l'histoire de la calotte glaciaire. Et c'est incroyable que cela fonctionne si bien. Les géo-radars qui sont utilisés pour analyser l'infrastructure des routes ou détecter des mines ont du mal à franchir quelques mètres de terre. Ici, nous pouvons observer trois kilomètres sous la glace. Et il y a des raisons électromagnétiques, sophistiquées et intéressantes qui l'expliquent, mais on va dire que la glace est la cible parfaite pour le radar et que le radar est l'outil parfait pour l'étude des calottes glaciaires.
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.
Ce sont les lignes de vol de la plupart des diagrammes de sondages aériens modernes collectés sur l'Antarctique. C'est le résultat d'efforts héroïques sur des décennies des équipes de plusieurs pays et de collaborations internationales. Quand on met tout ensemble, on obtient une image comme ça : ce à quoi le continent Antarctique ressemblerait sans toute sa glace au-dessus. Et vous pouvez apprécier la diversité du continent dans une image comme celle-ci. Les zones rouges sont des volcans ou des montagnes ; les zones bleues seraient la pleine mer si la calotte glaciaire disparaissait. C'est gigantesque à l'échelle spatiale. Cependant, tout ceci, qui a pris des décennies pour être réalisé n'est qu'une photo instantanée de la surface du continent. Cela ne donne aucune indication sur la façon dont la glace change avec le temps. Aujourd'hui on travaille sur ce sujet, parce qu'il s’avère que les toutes premières observations au radar de l'Antarctique ont été faites avec une pellicule optique de 35 mm. Et il y avait des milliers de bobines de ce film dans les archives du musée de l'Institut de recherche Scott Polar à l'Université 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 --
Alors l'été dernier, j'ai pris un scanner de film de pointe qui avait été développé pour numériser des films d'Hollywood et les remastériser, et 2 historiens de l'art. Nous sommes allés en Angleterre, on a enfilé des gants et on a archivé et numérisé tous ces films. Cela a produit deux millions d'images haute résolution qui sont en train d'être analysées et traitées par mon groupe pour les comparer aux conditions actuelles de la calotte glaciaire. Et en passant, ce scanner, j'en avais entendu parler par un archiviste de l'Académie des Arts et Sciences Cinématographiques. Donc, je voudrais remercier l'Académie...
(Laughter)
(Rires)
for making this possible.
d'avoir rendu cela possible.
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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.
Et aussi incroyable que ce soit, que l'on puisse observer ce qu'il se passait sous la calotte il y a 50 ans, ce n'est jamais qu'une photo de plus. Cela ne nous procure aucune indication sur les variations, annuelles, ou saisonnières que nous savons importantes. Mais Il y a aussi du progrès. Il y a ces systèmes radars récents qui restent fixés en un endroit précis. Donc vous posez ces radars sur la glace, vous les enterrez avec un paquet de batteries, vous les laissez là pendant des mois ou des années. Ils envoient une pulsation vers le bas tous les x minutes ou x heures. Donc vous obtenez un aperçu continu dans le temps -- mais en un seul point. Donc si vous comparez cette image aux images 2D obtenues par l'avion, c'est juste une ligne verticale. Et c'est actuellement là où nous en sommes dans ce domaine. Nous pouvons choisir entre une bonne couverture spatiale avec le sondage aérien par radar et une bonne couverture temporaire en un point précis avec les sondes terrestres.
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.
Mais aucun ne nous donne ce que nous voulons vraiment: Les deux en même temps. Et si on veut faire ça, on va devoir trouver de tout nouveaux moyens d’observer la glace. Et dans l'idéal, à des prix extrêmement bas pour qu'on puisse prendre beaucoup de mesures avec beaucoup de capteurs. Bon, pour les systèmes radar existants, ce qui coûte le plus cher, c'est la puissance requise pour envoyer le signal radar lui-même. Ce serait génial si nous pouvions utiliser des systèmes radio existants ou des signaux radio déjà présents dans l'environnement. Et heureusement, le terrain de la radioastronomie est construit sur le fait qu'il existe de puissants signaux radio dans le ciel. Et l'un des plus puissants vient de notre soleil.
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."
Et donc une des choses que mon groupe est en train de faire, c'est d'essayer d'utiliser les émissions radio solaires comme un signal radar. Ceci est un de nos essais de terrain à Big Sur. Cette ziggourat en PVC est une antenne construite par des étudiants de mon labo. Et l'idée est de passer la nuit dehors à Big Sur, pour regarder le coucher de soleil en fréquences radio, et d'essayer de détecter le reflet du soleil près de la surface de l'océan. Je sais que vous pensez : « Il n'y a pas de calotte glaciaire à Big Sur. »
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And that's true.
Et c'est vrai.
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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.
Mais il s'avère que détecter le reflet du soleil sur la surface de l'océan, et détecter le reflet sur le bas d'une couche de glace, c'est géo-physiquement extrêmement similaire. Et si ça marche, nous devrions pouvoir appliquer le même principe pour l'Antarctique. Ce n'est pas aussi farfelu qu'il n'y paraît. L'industrie sismique a réalisé un exercice de développement de technique semblable quand ils ont pu passer de la détonation de la dynamite comme source, à l'utilisation du bruit sismique naturellement présent. Et les radars de défense utilisent les signaux télé et radio continuellement pour ne pas avoir à envoyer un signal radar et révéler leur position. Donc cela peut vraiment marcher. Et si ça marche, nous aurons besoin de capteurs très bon marché pour en déployer des réseaux par centaines ou milliers sur la glace pour l'imagerie.
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 --
C'est là où les stars de la technologie ont vraiment contribué à nous aider. Ces anciens systèmes de radar dont je parlais ont été développés par des ingénieurs expérimentés pendant des années dans des installations nationales avec des équipements spécialisés et coûteux. Mais les récentes évolutions des logiciels de radio, la rapidité de fabrication et le mouvement Fab Lab, rendent possible à un groupe d'adolescents qui travaillent dans mon labo depuis quelques mois seulement de créer un prototype de radar. OK, pas n'importe quels ados, ce sont des étudiants de Stanford, mais l'idée se tient.
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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 ces technologies nous permettent de rompre la barrière entre les ingénieurs qui construisent ces outils et les scientifiques qui les utilisent. Et en apprenant aux étudiants ingénieurs à penser comme des géo-scientifiques et à ceux de géosciences à penser comme des ingénieurs, mon labo crée un environnement dans lequel on peut construire des capteurs radar sur mesure pour chaque type de problème, qui sont optimisés pour être bon marché et de haute performance pour chacun de ces problèmes. Cela va changer complètement la façon dont nous observons les calottes glaciaires.
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.
Voyez-vous, le problème du niveau de la mer et le rôle de la cryosphère dans son élévation sont extrêmement importants et affecteront le monde entier. Mais ce n'est pas pour ça je travaille dessus. Je travaille dessus pour l'opportunité d'enseigner et de guider des étudiants extrêmement brillants, parce que je crois profondément que des équipes de jeunes super talentueux, super motivés et super passionnés peuvent résoudre la plupart des défis auxquels le monde est confronté, et fournir les observations requises pour estimer la hausse du niveau de la mer n'est qu'un seul parmi tous ces problèmes qu'ils peuvent et sauront résoudre.
Thank you.
Merci.
(Applause)
(Applaudissements)