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.
私は電波氷河学者です つまり レーダーを使って 氷河や氷床の研究をしています 多くの氷河学者と同じく 氷の融解によって どの程度 海面が上昇するか 予測しようとしています 今日は なぜ海面上昇の 正確な数字を出すのが難しいのか そして なぜ私が レーダー技術や地球科学についての 考え方を変えることで より正確な数字に 近づくことができると考えるか お話ししたいと思います
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.
海面上昇について話すとき 多くの科学者は こんなグラフを見せます 氷床や気象のモデルをもとに 作成されたグラフです 右の方を見ると このモデルで予想される 今後100年における 海水準の昇降範囲が分かります 補足すると ここが現在の海水準で 400万人以上が 被害を受ける可能性のある 海水準がここです 将来計画という意味では このグラフ自体 不確実性が大きいのです
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?
その上 グラフには 次のような警告があるのです 「ただし西南極氷床が崩壊しなければ...」 西南極氷床の崩壊を加味すると 飛躍的に高い数字が出てきます グラフ外に飛び出してしまう数字です ただ その可能性について 真剣に考える必要があります 地球の地質時代を遡ると 今日よりもずっと速い速度で 海面が上昇していた時代があるからです 今後そのような上昇が 起こる可能性を 排除することはできません では 大陸規模の氷床で 無視できない量の氷が崩壊するかどうか なぜ はっきりしたことを 言えないのでしょうか
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.
そのような崩壊に関する プロセス 条件 物理的作用 全てが織り込まれた モデルが必要になるからです このプロセスや条件は 何キロにも及ぶ氷の下で 起こっていることなので 把握するのが難しいのです このような画像を捉える衛星では 観測できません 実は南極氷床下よりも 火星表面の方が 観測によって 分かっていることが多いのです 南極氷床の観測は 空間と時間 どちらにおいても 壮大なスケールなので よりいっそう難しくなります
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.
空間という観点では 南極は一つの大陸です 北アメリカでも ロッキー山脈とエバーグレーズ 五大湖地域では全く性質が異なるように 南極氷床下の地域も同様です 時間という観点だと 氷床というのは100年 1000年という単位だけでなく 年単位 日単位でも変化しています つまり 数キロに及ぶ氷の下を 大陸規模で 絶え間なく 観測したいということです
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.
どうやってやるか 氷床下について 少しは分かっていることがあります 冒頭で私は電波氷河学者だと言いましたが そのような職業が存在するのは 我々が氷床の内部を見るのに使っている 主たる道具が 空から 氷床を通過するレーダーだからです 私のグループが使うデータの多くは 第二次世界大戦時代のDC-3のような 飛行機で集められています これはバルジの戦いで 実際に戦闘した機体です 主翼の下にアンテナがついています このアンテナから 氷の内部にレーダーを送信すると 氷床内部と下部で起きていることの 情報を含んだ反射波が返ってくるのです この間 科学者とエンジニアは機内で 8時間にわたり レーダーの動きをチェックしています この種の実地調査について よく勘違いされるのが 科学者が窓の外の大地をじっと見つめ 地質学的な特徴や氷床の行く末に 思いをめぐらせる そんな想像をする人が多いのです あるときBBCの「フローズン・プラネット」 のスタッフがいて 我々がつまみを回している様子を 何時間も撮っていました
(Laughter)
(笑)
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?"
それから数年後に妻と番組を観ていて こういうシーンが映ったとき 何てきれいなんだと言ったら 「あなたもそこにいたんでしょ?」 と言われました
(Laughter)
(笑)
I said, "Yeah, but I was looking at a computer screen."
私は「そうだけど コンピュータの 画面を見ていたから」と
(Laughter)
(笑)
So when you think about this type of fieldwork, don't think about images like this. Think about images like this.
この種の実地調査について 正しいのは 先ほどのようなイメージではなく このようなイメージです
(Laughter)
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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.
レーダーグラム 氷床の断面図です カットしたケーキのようですね 最上部の明るい層は氷床の表面で 下部の明るい層は 大陸自体の岩盤です その間にある層は 樹木の年輪のようなもので 氷床の歴史についての情報を含んでいます これが驚くほどうまくいくのです 道路のインフラ調査や地雷探知に 使用される地中レーダーでは 地下数メートルの観測にも苦労しています それに対し 3キロに及ぶ氷を 観測しているわけですから これには複雑で興味深い 電磁気学的な要因があるのですが 氷床がレーダーにぴったりの観測対象で レーダーが氷床の観測に ぴったりの道具である とだけ言っておきましょう
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.
これは南極大陸において 最新の航空レーダーでデータを集めた時の 飛行機の進路です 様々な国のチームや国際的な協力による 数十年に渡る 輝かしい努力の証と言えるでしょう それらのデータを合わせると このような画像になります 表面の氷を除くと 南極大陸は このような姿をしているのです この画像から 南極がいかに 多様性に満ちているかが分かります 氷床を取り除くと 赤い部分は火山やほかの山々 青い部分はひらけた海になります 空間的にはこれほど大規模ということです ところが 数十年かけて作られたこのデータも たった1枚のスナップに過ぎません 氷床が時と共にどのように変化しているのか その手がかりは何一つありません 今 その手がかりをつかもうとしていて 南極における最初のレーダー観測が 35mmフィルムで行われたことが 分かったのです そして数千巻のフィルムが ケンブリッジ大学 スコット極地研究所に 保管されていました
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 --
ハリウッド映画の デジタル化とリマスター用に 開発された 最新のフィルムスキャナーを携えて 昨夏 2人の美術史家と イギリスへ渡り 手袋をはめて そのフィルム全てを アーカイブ化 デジタル化しました そうして200万にのぼる 高解像度の画像が生成され 現在の氷床の状態と比較するために 私のグループで分析を進めています 実は フィルムスキャナーのことは 映画芸術科学アカデミーの 記録係の方から教えて頂きまして この場を借りて アカデミー賞協会の皆さんに……
(Laughter)
(笑)
for making this possible.
感謝申し上げます
(Laughter)
(笑)
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.
50年前に氷床下で 何が起こっていたのかを 見られるのはすごいことです しかし これもまた 1枚のスナップに過ぎません 重要なポイントである 年ごと あるいは季節ごとの 変化についての観測は 行えません ただ 進歩も見られます 地上で定点観測を行う 最新のレーダーシステムがあるのです このレーダーを氷床の上に置き 車のバッテリを氷の中に埋めます そして 何ヶ月か あるいは何年か置いておきます レーダーが 数分か数時間おきに一度 氷床内部へ送信されます これで連続した時間の 観測データが得られます ただし定点です 飛行機で取った 二次元のデータと重ねると 1本の縦線になります 実地調査の現在地はこんなところです 広い空間を観測できる 航空レーダーか 長期間観測できる 地上レーダーのいずれかを 選ぶことになります
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.
しかし 我々が本当に必要としているのは 両方同時に行えるものです そのためには まったく新しい 氷床の観測方法が必要になります 多くのセンサーで 多くの観測を行うため きわめて低コストな方法が理想的です 今までのレーダーシステムで 最大のコストとなっているのは レーダー信号そのものを 送信するための動力です つまり 既存の電波システムか 周りに存在する 電波信号を利用できれば最高です 幸運なことに 電波天文学という分野では 強い電波信号が宇宙に存在するという 事実が基盤になっています とりわけ明るいのは太陽光です
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."
実は今 私のグループで 面白い取り組みをしていて 太陽からの電波を レーダー信号の一種として 利用しようというものです これはビッグサーでの実証の一部です PVC管のジッグラトがアンテナ台で ラボの学部生が製作しました 何をしているかというと ビッグサーで 夕日を電波の周波数で捉え 海面で反射される太陽光を 検知しようとしています こう思っているでしょう 「ビッグサーに氷河はないじゃないか」と
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And that's true.
その通りです
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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.
しかし 海面で反射される 太陽光を検知するのと 氷床の底からの 反射波を検知するのは 地球物理学的に とてもよく 似ていることが分かったのです これが上手くいけば 南極でも同じ観測原理を 当てはめることができるはずです 実は それほど無理のある話でもなくて 地震学でも同じような 技術進歩の仕方をしているのです 元々はダイナマイトを 爆発させて揺れを起こしていましたが 今では環境中の微動を利用する方法に 変わりました 防衛レーダーもテレビやラジオの 電波信号を 常時利用していて レーダーを送信する役目は それらの信号に 任せている状態です つまり 実現可能性は十分にあります すると 数百 数千のレーダーによる ネットワークを氷床に配備し 画像生成を行うため きわめて低コストのセンサーが 必要になります
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 --
そこで技術屋のヒーローたちが 協力を申し出てくれたのです 最初に紹介したようなレーダーシステムは 高価な専門装置のある全国的な施設で 熟練のエンジニアたちが 何年もかけて開発したものです 一方 近年のソフトウェアベースの 電波技術では 短期での製作が多く メーカーの潮流もあって ラボの10代の若者たちが 数か月でレーダーの試作品を 製作することも 可能なのです もちろん ただの10代ではなく スタンフォードの学生ですが 要は
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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.
このような技術が 装置を作るエンジニアと それを使う科学者の間にある壁を 取り払ってくれているのです エンジニアリングの学生が 地球科学的な思考を学び 地球科学の学生が エンジニア的思考を学ぶ それにより 特定の課題解決に 最適化された 低コストで高性能な レーダーセンサーを カスタマイズできる 私のラボはそのような環境に なっています これは氷床観測の方法にも 劇的な変化をもたらします
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.
海面上昇の問題と そこで雪氷圏が果たす役割は とても重要で 地球全体に関わります でも 私には別の動機があります 素晴らしい学生たちに 指導とアドバイスを提供する 機会になるからです とてつもない才能とエネルギーと熱意を持つ 若者たちのチームが 世界の抱える課題の多くを 解決できると そう信じています 海面上昇を予測するための観測は 解決可能な多くの課題の たった一つに過ぎません
Thank you.
ありがとうございました
(Applause)
(拍手)