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.
Sono un radio-glaciologo. Significa che uso i radar per studiare i ghiacciai e le calotte di ghiaccio. Come molti glaciologi di questi tempi, mi occupo di stimare quanto contribuirà il ghiaccio all'innalzamento dei mari in futuro. Quindi oggi voglio parlare del motivo per cui è così difficile fare una stima sull'innalzamento del livello del mare e perché credo che cambiando il modo in cui consideriamo la tecnologia radar e le scienze naturali, possiamo migliorare molto.
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.
Quando parlano di innalzamento dei mari, gli studiosi mostrano questo. Questo grafico è creato con modelli climatici e di calotte. Sulla destra vedete il range di aumento dei mari predetto da questi modelli per i prossimi 100 anni. Per capirci, questo è il livello del mare ora, e questo è il livello oltre al quale 4 milioni di persone sarebbero a rischio ricollocamento. Quindi parlando di pianificazione, l'incertezza di questo grafico è già grande di per sé.
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?
Ma questo grafico è accompagnato da un asterisco e una precisazione: "Se la Calotta Glaciale Antartica Occidentale non collassa". In quel caso si parlerebbe di numeri decisamente più elevati. Sarebbero fuori da questo grafico. E dovremmo valutare seriamente questa possibilità perché dalla storia geologica della Terra sappiamo che in alcuni periodi della sua storia i mari sono aumentati molto più rapidamente di oggi. E oggi non possiamo escludere che questo accadrà anche in futuro. Quindi, perché non sappiamo dire con sicurezza se una zona enorme di una calotta grande come un continente collasserà o meno?
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.
Per poterlo sapere ci servono dei modelli che includano tutti i processi, le condizioni e le leggi della fisica che sarebbero coinvolte in un disastro simile. Ed è difficile da sapere perché quei processi e quelle condizioni avvengono sotto chilometri di ghiaccio. E i satelliti, che scattano immagini come questa, non riescono a vederli. Abbiamo delle immagini più nitide della superficie di Marte di quello che c'è sotto la Calotta Glaciale Antartica. Ed è ancora più difficile perché abbiamo bisogno delle immagini di una superficie enorme, sia nel tempo che nello spazio.
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.
In termini di spazio, questo è un continente. E così come in Nord America le Montagne Rocciose, le Everglades e i Grandi Laghi sono diversi fra loro, lo sono anche le regioni dell'Antartide. In termini di tempo, sappiamo che le calotte glaciali non impiegano solo millenni o secoli a cambiare, ma cambiano anche nell'arco di anni o addirittura giorni. Quindi vogliamo le immagini di qualcosa che è sotto chilometri di ghiaccio su una zona grande quanto un continente, e in modo continuativo nel tempo.
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.
Come si fa? Bé, qualcosa riusciamo a vederlo sotto la superficie della calotta. Come ho detto prima, io sono un radio-glaciologo. E si chiama così perché usiamo un radar aereo capace di penetrare il ghiaccio per vedere dentro le calotte. Quasi tutti i dati usati dal mio team sono raccolti dagli aerei come questo DC-3 della Seconda Guerra Mondiale, ha combattuto nell'Offensiva delle Ardenne. Potete vedere le antenne sotto l'ala. Queste sono usate per trasmettere segnali radar dentro il ghiaccio. E l'eco che ritorna contiene delle informazioni su cosa sta succedendo dentro e sotto la calotta di ghiaccio. Mentre il radar fa questo, gli scienziati e gli ingegneri sono sull'aereo, a volte per otto ore di fila, e si assicurano che il radar funzioni. In realtà, credo che la gente abbia un'idea sbagliata su questo tipo di lavoro. La gente pensa che gli scienziati guardino fuori dal finestrino, contemplando il paesaggio, il suo contesto geologico e le sorti delle calotte glaciali. Una volta un tizio di "Frozen Planet" della BBC era su uno di questi voli. Ha passato ore a filmarci mentre giravamo delle manopole.
(Laughter)
(Risate)
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?"
Anni dopo, mentre riguardavo la serie con mia moglie è comparsa una scena come questa e io ho detto che era molto bella. Le mi ha chiesto: "Ma non c'eri anche tu su quel volo?"
(Laughter)
(Risate)
I said, "Yeah, but I was looking at a computer screen."
Le ho detto: "Sì, ma guardavo lo schermo di un pc".
(Laughter)
(Risate)
So when you think about this type of fieldwork, don't think about images like this. Think about images like this.
Quindi quando pensate a questo lavoro, non pensate a immagini come questa. Pensate a immagini come questa.
(Laughter)
(Risate)
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.
Questo è un radargramma, cioè un profilo verticale del ghiaccio, simile a una fetta di torta. Lo strato chiaro in alto è la superficie della calotta, lo strato chiaro sul fondo è il sostrato roccioso del continente, gli strati al centro sono come gli anelli di un albero che contengono le informazioni sulla storia della calotta glaciale. Ed è incredibile che funzioni così bene. I georadar che vengono usati per rilevare le infrastrutture stradali o le mine antiuomo faticano ad attraversare pochi metri di terra. Noi invece possiamo vedere attraverso 3 km di ghiaccio. Questo è dovuto a cause elettromagnetiche sofisticate e interessanti ma per ora diciamo solo che il ghiaccio è il soggetto ideale per il radar, e il radar è lo strumento ideale per studiare il ghiaccio.
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.
Qui vedete le linee aeree della maggior parte dei moderni profili radar raccolti sull'Antartide. Questo è il risultato di sforzi eroici nel corso dei decenni grazie a team di diversi Paesi e collaborazioni internazionali. Quando le mettete insieme, ottenete un'immagine come questa, questo è come sarebbe l'Antartide senza il ghiaccio. Da questa immagine si può davvero capire la diversità del continente. Le zone rosse sarebbero i vulcani e le montagne; le aree blu sarebbero l'oceano se non ci fosse il ghiaccio. Questi sono spazi enormi. Tuttavia, tutto questo che ci sono voluti anni per produrre è solamente un istante del substrato. Non ci dà nessuna indicazione del modo in cui la calotta sta cambiando nel tempo. Noi stiamo lavorando su questo perché si dà il caso che le primissime osservazioni radar dell'Antartide sono state raccolte usando pellicole ottiche da 35 millimetri. C'erano migliaia di bobine di pellicola negli archivi del museo dell'Istituto di Ricerca Scott Polar all'Università di 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 --
L'estate scorsa ho preso uno scanner all'avanguardia, sviluppato per digitalizzare i film di Hollywood e rimasterizzarli, e due storici dell'arte, e siamo andati in Inghilterra, indossato guanti, per archiviare e digitalizzare tutte le pellicole. Abbiamo prodotto 2 milioni di immagini ad alta risoluzione che adesso il mio team sta analizzando e processando per confrontarle con le condizioni attuali delle calotte. A dire il vero, ho scoperto lo scanner da un archivista dell'Academy of Motion Picture Arts and Sciences. Quindi, vorrei ringraziare l'Academy...
(Laughter)
(Risate)
for making this possible.
per averlo reso possibile.
(Laughter)
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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.
Ma per quanto sia incredibile poter osservare cos'è successo sotto il ghiaccio 50 anni fa, questa è solamente un'altra istantanea. Non ci permette di osservare le variazioni annuali o i cambiamenti stagionali, che sono fondamentali. Ma abbiamo fatto progressi. Ci sono radar terrestri recenti che stanno fissi in un punto. Prendi i radar e li metti sulla calotta di ghiaccio con una scorta di batterie dell'auto. Li lasci lì per mesi, o a volte anche per anni, e loro inviano degli impulsi nel ghiaccio ogni tot minuti oppure ore. Questo offre delle immagini continue nel tempo, ma di un unico punto. Se paragonate questa rappresentazione alle immagini 2D scattate dall'aereo, questa è una sola linea verticale. La disciplina è arrivata più o meno a questo punto. Possiamo scegliere tra una buona copertura spaziale con una risonanza aerea e una buona copertura temporale di un solo punto con i radar a terra.
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.
Nessuno dei due ci dà i risultati che vogliamo: entrambe le cose insieme. E se vogliamo riuscirci, ci servono modi nuovi per osservare le calotte di ghiaccio. L'ideale sarebbe se fossero anche a basso costo così da poter fare molte misurazioni usando molti sensori. Parlando di sistemi radar già esistenti, il più grande fattore di costo è la potenza che richiedono per inviare i segnali radar. Quindi sarebbe ottimo riuscire a usare i sistemi radio già esistenti o i segnali radio presenti nell'ambiente. Per fortuna, l'intero campo della radioastronomia ruota intorno all'idea che esistono dei segnali radio luminosi in cielo. Uno molto intenso è il Sole.
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."
Quindi una delle cose più emozionanti di cui si occupa il mio team adesso è cercare di usare le emissioni radio del Sole come un segnale radar. Questo è un test sul campo condotto a Big Sur. La ziggurat in PVC è la base dell'antenna creata dagli studenti nel mio laboratorio. E l'idea di fondo è stare all'aperto nel Big Sur e guardare i tramonti in radio frequenze, cercando di captare i riflessi dei raggi solari sull'oceano. So che cosa state pensando: "Ma non ci sono i ghiacciai nel Big Sur".
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And that's true.
Ed è verissimo.
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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.
Ma a quanto pare, rilevare il riflesso dei raggi del sole sulla superficie dell'oceano e rilevarne il riflesso sul fondo di una calotta glaciale è geofisicamente molto simile. Se questo funzionasse, potremmo applicare gli stessi principi in Antartide. Non è così improbabile come sembra. L'industria sismica ha fatto delle esercitazioni simili riuscendo a passare dalla dinamite come fonte di detonazione all'uso di rumori sismici trasmessi nell'ambiente. I radar della difesa usano spesso i segnali TV e quelli radio, così non devono trasmettere dei segnali radar propri e non rivelano la loro posizione. Voglio dire che potrebbe funzionare davvero. E se funziona, avremo bisogno di sensori a basso costo per poterne dislocare centinaia o migliaia sulla calotta di ghiaccio e avere le immagini.
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 --
È qui che le stelle della tecnologia si sono allineate a nostro favore. I primi sistemi radar di cui vi ho parlato sono stati sviluppati da ingegneri esperti nel corso degli anni in strutture statali con strumenti costosi e specialistici. Ma i recenti sviluppi dei sistemi software defined radio, la rapidità di produzione e il maker movement hanno permesso a un gruppo di adolescenti, che ha lavorato nel mio laboratorio per pochi mesi, di fare un prototipo di radar. Ok, non sono ragazzi qualunque, sono studenti di Stanford, ma il concetto è quello...
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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.
Queste nuove tecnologie ci permettono di infrangere le barriere tra gli ingegneri che creano gli strumenti e gli scienziati che li usano. E insegnando agli studenti di ingegneria a pensare come geologi, e agli studenti di geologia a pensare come ingegneri, nel mio laboratorio si crea un ambiente in cui costruiamo dei radar su misura per ogni tipo di problema, che sono ottimizzati per avere costi bassi ed elevate prestazioni per quel problema. Questo cambierà totalmente il modo in cui osserviamo le calotte glaciali.
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.
L'innalzamento del livello del mare e il ruolo della criosfera sono estremamente importanti e coinvolgeranno il mondo intero. Ma non me ne occupo per questo motivo. Io ci lavoro perché è un'opportunità di insegnare e seguire studenti estremamente brillanti, perché credo fermamente che i gruppi di studenti molto dotati, fortemente motivati e appassionati possano risolvere molti dei problemi del mondo. Fornire le informazioni necessarie per stimare l'innalzamento dei mari è solo uno dei tanti problemi che possono risolvere e che risolveranno.
Thank you.
Grazie.
(Applause)
(Applausi)