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.
Ik ben radio-glacioloog. Dat betekent dat ik radar gebruik om gletsjers en ijskappen te bestuderen. Net als de meeste glaciologen werk ik aan het schatten hoeveel het ijs gaat bijdragen aan de stijging van de zeespiegel. Vandaag wil ik vertellen waarom het zo moeilijk is om exacte cijfers te geven over de zeespiegelstijging en waarom we, door anders te denken over radartechnologie en aardwetenschapsonderwijs, daar veel beter in kunnen worden.
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.
Wetenschapper die over zeespiegelstijging praten, laten meestal zo'n grafiek zien. Deze is gemaakt met modellen voor ijskap en klimaat. Rechts zie je de zeespiegel-marge voorspeld door deze modellen voor de komende eeuw. Dit is de huidige zeespiegel, en dit is de zeespiegel waarboven meer dan 4 miljoen mensen zouden moeten verhuizen. Als het gaat om planning is de onzekerheid bij deze grafiek al behoorlijk groot.
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?
Bij de grafiek staat ook nog eens een asterisk en een waarschuwing, "... tenzij de West-Antarctische IJskap uiteen valt." In dat geval hebben we het over dramatisch grotere aantallen. Die vallen letterlijk van de grafiek af. En die mogelijkheid moeten we serieus nemen omdat de geologische geschiedenis van de aarde zegt dat er periodes zijn geweest waarbij de zeespiegel veel sneller steeg dan nu. En juist nu kunnen we niet uitsluiten dat zoiets nog eens gebeurt. Waarom kunnen we niet met zekerheid zeggen of een aanzienlijk deel van de continentale ijskap wel of niet uiteen zal vallen?
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.
Daar hebben we modellen voor nodig die alle processen, omstandigheden en fysica omvatten die bij dat uiteenvallen komen kijken. En dat is moeilijk te bepalen, omdat zulke processen en omstandigheden plaatsvinden onder kilometers dik ijs. Satellieten die zulke opnames maken, kunnen die niet zien. We hebben meer gedetailleerde waarnemingen van het Mars-oppervlak dan van wat er onder de ijskap van de zuidpool zit. De uitdaging is nog groter, aangezien we waarnemingen nodig hebben op enorm grote schaal, zowel qua ruimte als in tijd.
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.
Qua oppervlak is dit een continent. En net als in Noord-Amerika, waar de Rocky Mountains, de Everglades en de Grote Meren erg verschillend zijn, zijn de deelgebieden op de Zuidpool dat ook. Als we het over tijd hebben, veranderen ijskappen niet alleen op een tijdschaal van millennia of eeuwen, maar ze veranderen ook op een schaal van jaren en dagen. We willen dus waarnemingen onder ijs van kilometers dik, ter grootte van een continent, en we willen ze 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.
Hoe doen we dat? We zijn niet helemaal blind voor de ondergrond. In het begin zei ik dat ik radio-glacioloog was, en de reden waarom dat iets is, is dat een vliegende ijsradar het belangrijkste gereedschap is om in de ijskappen te kijken. De meeste gegevens die mijn groep gebruikt, wordt door vliegtuigen verzameld zoals deze DC-3 uit de Tweede wereldoorlog, die nog heeft gevochten in de Slag om de Ardennen. Je ziet de antennes onder de vleugel. Deze worden gebruikt om radarsignalen uit te zenden het ijs in. De echo's die terugkomen, bevatten informatie over wat er binnenin de ijslaag gebeurt. Terwijl dit gebeurt, zitten er wetenschappers en ingenieurs acht uur lang in het vliegtuig, om te zorgen dat de radar werkt. Ik denk dat er een misverstand is over dit soort veldwerk, waarbij men zich voorstelt dat wetenschappers uit het raam turen en het landschap bezien in zijn geologische context en het lot van de ijskappen. Er was eens een kerel van Frozen Planet van de BBC bij zo'n vlucht. Hij heeft uren gefilmd van ons, terwijl we aan knoppen draaiden.
(Laughter)
(Gelach)
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?"
Ik keek jaren later met mijn vrouw naar de serie. Toen zagen we zo'n scène en ik zei dat het zo mooi was. Ze zei: "Zat jij niet op die vlucht?"
(Laughter)
(Gelach)
I said, "Yeah, but I was looking at a computer screen."
Ik zei: "Ja, maar toen keek ik naar een computerscherm.
(Laughter)
(Gelach)
So when you think about this type of fieldwork, don't think about images like this. Think about images like this.
Als je dus aan dit soort veldwerk denkt, denk dan niet aan zulke beelden. Denk meer aan zoiets.
(Laughter)
(Gelach)
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.
Dit is een radargram, een verticale doorsnee van de ijskap, net zoiets als een plak cake. De heldere laag bovenop is het oppervlak van de ijskap. de heldere laag onderop is de rotsbodem van het continent zelf, en de lagen ertussen die op jaarringen lijken, bevatten informatie over de geschiedenis van de ijskap. Ongelofelijk dat dit zo goed werkt. De radar die wordt gebruikt om het wegennet te onderzoeken of landmijnen te vinden, komt moeilijk door een paar meter aarde. Hier kijken we door kilometers ijs. Daar zijn geavanceerde, interessante elektromagnetische redenen voor, maar laten we aannemen dat ijs heel goed werkt voor radar, en dat radar een perfect middel is om ijslagen te bekijken.
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.
Dit zijn de vluchtlijnen van de meeste radarprofielen vanuit de lucht. die verzameld zijn van de zuidpool. Dat is het resultaat van tientallen jaren heldhaftig onderzoek door samenwerkende teams uit allerlei landen. En als je die samenbrengt, krijg je zo'n plaatje. Zo zou het Zuidpoolcontinent eruit zien zonder het ijs erbovenop. Je kunt goed de verscheidenheid ervan zien op zo'n plaatje. De rode dingen zijn vulkanen of bergen, de blauwe gebieden zou open oceaan zijn als de ijskap weg was. Dit is die enorme ruimtelijke schaal. Maar dit alles, dat tientallen jaren kostte om te maken, is maar een momentopname van de ondergrond. Je komt daarmee niets te weten over de verandering in de tijd. We werken daaraan, omdat blijkt dat de eerste radarobservaties die van de Zuidpool zijn gedaan, op optische 35 mm-film waren. Ze hadden duizenden van deze filmpjes in het archief van het museum van het Scott Poolonderzoeksinstituut aan de universiteit van 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 --
Afgelopen zomer nam ik een hypermoderne filmscanner mee die was ontwikkeld voor het digitaliseren van Hollywood-films, en twee kunsthistorici. We gingen naar Engeland, deden handschoenen aan en archiveerden en digitaliseerden de hele film. Dat resulteerde in twee miljoen foto's van hoge resolutie die mijn groep nu verwerkt en analyseert om ze te vergelijken met de toestand van de ijskap van nu. en die scanner -- ik hoorde ervan via een archivaris van de Academy of Motion Picture Arts and Sciences. Ik wil de Academy daarom bedanken --
(Laughter)
(Gelach)
for making this possible.
voor het mogelijk maken.
(Laughter)
(Gelach)
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.
En hoe fantastisch het ook is dat we kunnen kijken wat er 50 jaar geleden gebeurde onder de ijslaag, is dit nog steeds alleen maar een momentopname. We krijgen geen waarnemingen van de verandering per jaar of seizoen, waar het eigenlijk om gaat. We gaan wel vooruit. Je hebt nieuwe radarstations die op een vaste plek de grond staan. Je neemt deze radars en zet ze op het ijs en je begraaft een set autoaccu's. Je laat ze daar een paar maanden of jaren staan, en ze sturen pulsen het ijs in, om de paar minuten of uren. Daarmee krijg je dus doorlopend waarnemingen maar vanaf één plek. Als je dus de beelden vergelijkt met de 2D-beelden vanuit het vliegtuig, is dat slechts een verticale lijn. En dit is dicht bij de plek waar we nu als veld zijn. We kunnen kiezen tussen goede ruimtelijke dekking met radar vanuit de lucht en goede tijdsverloop-dekking op één plek met een station op de grond.
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.
Geen van beide doet wat we echt willen: beide tegelijkertijd. We moeten dan een nieuwe manier vinden om naar de ijskap te kijken. Liefst ook nog tegen extreem lage kosten, zodat we veel metingen krijgen, van veel sensoren. Voor bestaande radarsystemen zijn de meeste kosten gemoeid met de benodigde energie om het radarsignaal zelf uit te zenden. Het zou mooi zijn als we bestaande radiosystemen konden gebruiken of radiosignalen die al in die omgeving zijn. Gelukkig is het hele veld van radioastronomie gebouwd op het feit dat er heldere radiosignalen in de lucht zijn. Een heel heldere is de zon.
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."
Een van de spannendste dingen die mijn groep nu probeert, is de radiostralen van de zon te gebruiken als een soort radarsignaal. Een van onze veldtesten bij Big Sur. Die tempeltoren van PVC is een antenne gebouwd door studenten in mijn lab. Het idee hier is dat we buiten blijven in Big Sur en de zonsondergang bekijken als radiofrequenties, en proberen de reflectie van de zon op de oceaan op te vangen. Je denkt natuurlijk: "Er zijn geen gletsjers in Big Sur."
(Laughter)
(Gelach)
And that's true.
En dat klopt.
(Laughter)
(Gelach)
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.
Het blijkt dat het detecteren van de weerspiegeling van de zon via het oppervlak van de oceaan en via de bodem van een ijskap geologisch precies hetzelfde gaat. Als dat werkt kunnen we hetzelfde meetprincipe toepassen op de Zuidpool. Het is niet zo vergezocht als het klinkt. De seismische industrie heeft eenzelfde ontwikkeling doorgemaakt, waarbij ze van exploderend dynamiet naar seismische omgevingsruis gingen. Verdedigingsradars gebruiken tegelijk tv- en radiosignalen, waardoor ze geen radarsignaal hoeven uit te zenden en hun positie hoeven weg te geven. Dit zou echt kunnen gaan werken. In dat geval moeten we super goedkope sensors hebben zodat we netwerken van honderdduizenden op de ijskap kunnen maken voor beelden. En daar kunnen technologietoppers ons bij helpen.
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 --
Die oude radarsystemen waar ik het over had, werden jarenlang ontwikkeld door ervaren technici met overheidsgeld en met dure gespecialiseerde apparatuur. Maar de ontwikkelingen van op software gebaseerde radio, snelle fabricage en de 'maker'-beweging, maken het mogelijk om met een team van tieners die een paar maanden in mijn lab werken, een prototype radar te maken. Deze tieners zijn dan weliswaar studenten van Stanford, maar het blijft zo --
(Laughter)
(Gelach)
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.
dat deze faciliterende technologie de barrière kan wegnemen tussen ingenieurs die instrumenten bouwen en wetenschappers die ze gebruiken. Door ingenieurs in opleiding te leren denken als wetenschapper en aardwetenschappers die kunnen denken als ingenieur, kan mijn lab een omgeving bouwen waar we speciale radarsensoren maken voor elk voorkomend probleem. dat geoptimaliseerd is voor lage kosten en hoge prestaties voor dát probleem. Dat zal de manier waarop we ijskappen bekijken totaal veranderen.
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.
Het zeespiegelprobleem en de rol van de cryosfeer op de zeespiegelstijging is enorm belangrijk en zal invloed op de hele aarde krijgen. Maar dat is niet waarom ik eraan werk. Ik werk eraan om onderwijs en begeleiding te kunnen geven, aan heel briljante studenten, omdat ik erg geloof dat teams van zeer getalenteerde, zeer gedreven, zeer gepassioneerde jonge mensen de meeste wereldproblemen kunnen oplossen. Waarnemingen doen om de zeespiegelstijging te voorspellen is maar een van die problemen die kunnen en zullen worden opgelost.
Thank you.
Dank je wel.
(Applause)
(Applaus)