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.
저는 전파(radio) 빙하학자입니다. 즉 빙하와 얼음층을 레이더를 통해 연구하는 학자입니다. 현재 다른 대부분의 빙하학자처럼 저는 향후 얼음이 녹으면서 해수면을 얼마나 상승시킬지 측정하는 문제에 매달리고 있습니다. 오늘 저는 여러분에게 어째서 해수면 상승 방지에 많은 연구비를 투자하기 어려운지 또 왜 제가 레이더 기술과 지구과학 교육에 관한 우리의 생각을 바꿈으로써 더 많은 것을 얻을 수 있다고 믿는지 이야기하려고 합니다.
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.
대부분의 과학자들이 해수면 상승을 이야기할 떄 그 내용은 이 그래프과 같습니다. 대륙 빙하와 기후 모델을 이용해 만든 것인데요. 그래프의 오른쪽에서 이 기후 모델을 적용했을 때 향후 100년 간 예상되는 해수면의 변화 추이를 살펴볼 수 있습니다. 흰색 화살표가 가리키는 지점이 현재 해수면의 높이고요. 해수면이 이만큼 상승하면 4백만명의 사람들이 이주를 고려해야 하는 상황이 발생합니다. 가설에 대해 따져보자면 이 가설에서 불확실성은 이미 너무 큽니다.
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?
하지만 무엇보다 이 가설은 다음과 같은 전제조건이 붙어있습니다. "서남극 빙하가 붕괴하지 않는다면" 서남극 빙하가 붕괴할 경우 수치는 기하급수적으로 올라갑니다. 이 그래프를 뚫고 올라가죠. 서남극빙하 붕괴의 가능성을 진지하게 고민해야 하는 이유는 지구의 지질학 역사를 통해 알 수 있듯이 지구의 역사 중에는 해수면이 지금보다 더 빠른 속도로 상승한 적이 있습니다. 그리고 현재 우리는 이 같은 일이 앞으로 일어나지 않으리라 배제할 수 없는 상황입니다. 대륙 규모의 빙하의 상당부분이 무너질지 그렇지 않을지 어째서 우리는 확실하게 답을 내릴 수 없는 걸까요?
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.
그 답을 알기 위해서는 우리는 앞서 설명한 붕괴가 일어날 때 수반되는 모든 과정과 조건과 물리법칙을 포함한 가상 모델이 필요합니다. 왜냐하면 얼음의 수 킬로미터 밑에서 일어나는 모든 변화와 상황 및 이 사진을 만들어낸 위성들은 우리 시야에서 가려져 있기 때문입니다. 사실을 이야기하면, 우리는 화성의 표면을 남극의 빙하 속보다 더 포괄적으로 관찰, 이해하고 있습니다. 또 남극 빙하의 변화를 관찰하기 위해서는 막대한 규모의 장소 시간이 필요하다는 점은 더 큰 장애물이 되고 있습니다.
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.
공간에 대해 이야기하자면, 여기에 대륙이 있습니다. 그리고 북미 대륙처럼 록키 산맥, 에버글레이드 습지, 오대호를 확인할 수 있죠 남극의 표면 밑도 마찬가지입니다. 시간이라는 측면에서 우리는 대륙빙하가 수백 수천 년의 시간을 갖고 변화한다는 점뿐만 아니라 년(year)과 일(day)의 단위로도 변화를 겪는다는 것을 알고 있습니다 과학자들에게 필요한 것은 대륙 규모의 빙하 그 빙하의 수 킬로미터 아래를 꾸준히 관찰할 수 있는 환경입니다.
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.
자 그럼 어떻게 이 환경을 조성할 수 있을까요? 표면 밑을 전혀 확인할 수 없는 것은 아닙니다. 맨 처음 제가 전파 빙하학자라고 말씀드렸는데요. 그 이유는 공중에서 얼음을 뚫고 관찰할 수 있는 레이더 를 이용해서 얼음 속을 관찰할 수 있기 때문입니다. 그래서 우리 연구진이 사용하는 데이터의 대부분은 벌지 대전투에서 실제로 활약했던 2차대전 시기의 DC-3등을 통해 수집한 것입니다. 날개 밑을 보시면 안테나가 있습니다. 이 안테나를 이용해 전파 신호를 얼음 밑까지 보냅니다. 신호가 되돌아오면서 얼음 밑에서 무슨 일이 진행되고 있는지 그 정보를 함께 가져옵니다. 그 동안 과학자와 공학자들은 비행기에 8시간 동안 탑승하여 레이더가 정상 작동하는지 확인합니다. 일반인들이 현장 연구라는 말을 들으면 많이 오해하는 것이 과학자들이 창 밖을 내다보며 경치를 관찰하고 지질학적 연대를 파악하고 빙하의 운명이 어떠하리라고 추정한다고 생각하는 것이죠. 실제로 BBC의 "프로즌 플래닛"의 제작진 한 명과 같이 비행했었는데 우리가 문 손잡이를 돌리는 장면만 몇 시간을 찍어야 했죠.
(Laughter)
(웃음)
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?"
몇 년 뒤에 프로즌 플래닛을 아내와 함께 봤을 때 이 장면이 나와서 저는 얼마나 아름다웠는지 말해줬어요. 그러자 아내가 "당신은 같이 비행한 게 아니었어?"라고 하더군요.
(Laughter)
(웃음)
I said, "Yeah, but I was looking at a computer screen."
그래서 저는 "응 난 컴퓨터 화면을 확인하고 있었거든"이라고 했습니다.
(Laughter)
(웃음)
So when you think about this type of fieldwork, don't think about images like this. Think about images like this.
그러니 여러분은 현장 연구를 상상할 떄 이런 모습이 아니라 이런 모습을 떠올리시면 됩니다
(Laughter)
(웃음)
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.
이건 라디오그램인데요, 빙하 대륙의 수평 단면을 보여주는 기기입니다. 케이크 조각처럼요. 제일 위의 밝은 층이 빙하대륙의 표면입니다. 가장 밑의 밝은 층이 빙하대륙의 기반으로써 이 두 층 사이의 공간은 나무의 나이테처럼 이 빙하대륙의 역사 정보를 포함하고 있습니다. 레이더를 이용해 빙하를 이처럼 속속들이 꿰뚫을 수 있다는 게 놀랍죠. 지하 탐지 레이더는 땅 속 수 미터까지 들어가 도로의 기반을 조사하고 지뢰를 찾는데 사용합니다 하지만 우리는 레이더를 이용해 얼음을 수 킬로미터까지 뚫고 들어가죠. 여기엔 아주 세련되고 흥미로운 전자기와 관련된 이유가 있는데요 지금은 일단 얼음이 레이더를 사용하기에 안성맞춤인 대상이라고만 해두죠. 또 레이더도 기본적으로 빙하대륙을 연구하는데 최적의 수단입니다.
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.
이 사진은 남극 상공에서 레이더 음향 장비를 이용하여 완성한 그림입니다. 다양한 국가에서 온 연구팀과 국제 협력을 통해서 수십 년 동안 헌신적인 노력을 들여 완성했습니다. 이 사진들을 한데 모으면 위와 같은 사진이 완성되는데요. 얼음이 모두 녹았을 때 남극대륙의 모습을 보여주는 사진입니다. 남극 대륙이 얼마나 다양한 지형으로 이루어져 있는지 알 수 있습니다. 붉은 부분은 화산과 산입니다. 파란 부분은 얼음이 녹으면 드러나는 바다입니다. 엄청난 규모죠. 하지만 수십 년에 걸쳐 완성한, 남극의 지표면 밑을 드러내는 이 사진은 한 장의 사진에 불과합니다. 이 사진만으로는 빙하가 시간에 따라 어떻게 변할 지 알 수 없죠. 이제 우리 과학자들은 이 점을 알아내려고 연구 중인데요 남극의 최초 레이더 관찰 기록은 35mm 광학 필름으로 촬영되었다는 사실이 밝혀졌기 때문입니다. 캠브릿지 대학의스콧 남극 연구 기관의 박물관에 위치한 기록 보관소에는 수백 통의 필름이 보관되어 있습니다.
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 --
지난 여름 저는 최신형 필름 스캐너를 구입했는데요. 헐리우드 영화를 디지털화하고 리마스터링할 목적으로 제작된 것입니다. 우리는 두 명의 예술 역사가와 함께 영국으로 건너가 앞서 말한 필름을 전부 디지털화하여 기록했습니다. 그렇게 해서 200만 장의 고화질 사진을 얻었죠. 우리 연구진은 이 사진을 이용해 현재 남극의 상태와 비교, 분석하는 작업을 진행하고 있습니다. 제가 스캐너에 관한 정보를 얻은 것은 영화 예술 과학 아카데미의 한 기록 보관 담당자에게서였습니다. 따라서 저는 아카데미에게
(Laughter)
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for making this possible.
이 성과의 공을 돌리고 싶습니다.
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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.
50년 전에 남극의 표면 밑에서 어떤 일이 일어났는지 확인하는 일은 정말 대단합니다. 이건 단순한 사진 그 이상이에요. 이 사진만으로는 해나 계절에 따른 변화를 알 수가 없어요. 이런 요소로 인한 영향이 존재하는데도 말이죠. 이 부분에서도 어느 정도 진보가 있었습니다. 최근 지상 한 지점에 정착해서 레이더 탐사를 하는 시설들이 생겼는데요. 남극 위에서 레이더를 세우고 자동차 배터리를 땅 속에 파묻습니다. 그리고 몇 달에서 몇 년을 내버려둡니다 그동안 이 레이더는 매 분 혹은 매 시 간격으로 남극 표면 밑으로 레이더 신호를 보냅니다. 이 방법을 통해 한 지점을 계속해서 관찰할 수 있죠. 항공기를 이용해서 얻는 2차원의 그림과 비교해보면 이 고정 레이더는 하나의 수직선에 불과하죠. 동시에 우리가 현재 매달리고 있는 분야이기도 하죠. 우리는 항공 음향 레이더를 사용해 광범위한 공간 정보를 얻거나 특정 좁은 지역을 지상 기반 레이더로 시간 관련 정보를 얻을 수도 있습니다.
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.
하지만 둘 중 어느 것으로도 우리가 진짜 원하는 정보를 얻진 못합니다. 두 가지 방법 모두 말이죠. 만약 우리가 원하는 정보를 얻으려면 남극을 탐사하는 완전히 새로운 방법을 시도해야 할 겁니다. 비현실적으로 들리지만 아주 저비용이어서 수 많은 센서를 이용해서 반복해서 측정할 수 있어야 합니다. 현재의 레이더 시스템은 레이더 신호를 보내는 일 자체에 가장 많은 비용을 소모하고 있습니다. 따라서 현재 가지고 있는 라디오 시스템을 활용하거나 자연에 존재하는 전파 신호를 활용할 수 있다면 안성맞춤이겠죠. 다행히도 전파 천문학 전체가 우주에 밝은 라디오 신호가 많다는 사실에 근거하고 있습니다. 특히 태양이 엄청나게 밝아요.
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."
실제로 우리 연구팀은 태양이 방출하는 레이더 신호를 이용해 전파를 방출하려는 계획을 추진하고 있습니다. 이건 빅서(Big Sur)에서 진행한 현장 실험인데요. 이 PVC 파이프 지구라트는 제 연구소 소속 학부생들이 만든 안테나 지지대죠. 우리는 이곳 빅서에서 머무르면서 주파수를 이용해 일몰을 관찰하고 태양이 발한 신호가 태평양 표면에 부딪혀 돌아오는 것을 포착하려고 했죠. 여러분이 "빅서에는 빙하가 하나도 없는데" 라고 생각하는 건 저도 압니다
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(웃음)
And that's true.
사실이죠.
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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.
하지만 태양이 내뿜은 신호가 태평양 표면에서 반사된 것을 잡아내는 것과 빙하 대륙의 밑바닥의 신호를 감지하는 일이 지구 물리학적으로 굉장히 유사하다는 사실을 밝혀냈습니다. 이것이 가능해지면 우리는 같은 방법을 남극대륙에도 적용할 수 있게 됩니다. 그리 먼 미래의 일이 아닙니다. 내진 산업 업계도 비슷한 기술 발전 과정을 거쳤는데요 진원(震源)을 만들기 위해 다이너마이트를 터뜨리는 대신 자연에 존재하는 주변의 진동 소음을 사용합니다. 방공 레이더는 TV 신호나 라디오 신호를 항상 발신하는데요. 따라서 레이더 신호를 전송할 필요가 없고 언제든지 이용할 수 있습니다. 그럼 우리 계획이 정말로 실현될지도 모릅니다. 그렇게 된다면 거의 무료에 가까운 센서들이 필요합니다. 그래서 수백 수천 개의 센서를 빙하위에 놓고 빙하의 모습을 그릴 수 있게 되는 겁니다.
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 --
이를 위해 많은 공학자들의 도움을 받았습니다. 제가 앞서 말씀드린 초기의 레이더 시스템들은 국가 연구시설에서 초고가 장비를 활용해 수 년에 걸쳐 숙련된 공학자들이 개발한 시스템입니다. 하지만 최근 소프트웨어화된 전파기술 및 급속 제조의 발전 및 제작사들의 노력을 통해 우리 연구소에서 일하는 젊은 연구팀도 단 몇 달 만에 레이더의 프로토타입을 만들 수 있게 되었습니다. 실은 그냥 젊은이들이 아니라 스탠포드대의 학부생들이죠. 하지만 중요한 점은
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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.
이와 같은 기술이 장비를 개발하는 공학자들과 그 장비를 이용하는 과학자들 사이의 장벽을 부순다는 사실입니다. 공학도들에게 지구 과학자 같은 사고 방식을 심어주고 반대로 지구과학자들에게 공학자같은 사고방식을 심어줌으로써 제 연구소는 자기가 연구하고 싶은 문제에 맞춰 레이더를 개발할 수 있는 환경을 조성하고 있습니다. 저비용 고성능의 맞춤형 레이더죠. 이를 통해 빙하대륙 연구에도 커다란 변화가 생길 것입니다.
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.
해수면 상승 문제와 지구 빙권이 이에 끼치는 영향을 파악하는 일은 매우 중요한 문제이며 전 세계가 관련된 문제입니다. 하지만 제가 이 문제에 매달리는 이유는 아니죠. 저는 똑똑하고 영리한 학생들을 가르치고 이끌 수 있는 기회를 갖고 싶어서 연구합니다. 재능이 넘치고, 의욕이 충만한, 열정 넘치는 젊은이들이라면 지금 세계가 당면하고 있는 문제를 대부분 해결할 수 있다고 마음 속 깊이 믿고 있으며 또 해수면 상승을 연구하기 위해 필요한 관찰 기록을 제공하는 건 젊은이들이 해결할 수 있는 문제 중 한 가지에 불과하기 때문입니다.
Thank you.
감사합니다.
(Applause)
(박수)