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.
Eu sou rádio-glaciologista. Isto significa que uso radares para estudar as camadas glaciais. E, como muitos glaciologistas hoje, tento avaliar até que ponto o gelo polar vai contribuir para elevar o nível do mar no futuro. Hoje quero falar sobre a razão por que é tão difícil chegar a valores fiáveis sobre a elevação do nível do mar e porque é que acredito que, se mudarmos a nossa opinião sobre a tecnologia do radar e sobre as ciências da Terra, podemos avançar muito.
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.
Os cientistas, quando falam deste fenómeno, mostram um gráfico como este, baseado em dados de modelos climáticos e camadas glaciais. À direita, vemos a variação do nível do mar prevista por estes modelos para os próximos 100 anos. Este é o nível atual do mar e este valor é o nível do mar acima do qual mais de 4 milhões de pessoas podem ser desalojadas. Em termos de planeamento a imprecisão deste gráfico já é grande.
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?
No entanto, para além disso, o gráfico traz uma observação: "... exceto se o Manto de Gelo da Antártica Ocidental derreter." Neste caso, estaríamos a falar de números muito mais altos, que literalmente, não caberiam no gráfico. A razão por que devemos levar isto a sério é sabermos que, na história geológica da Terra, houve períodos em que o nível do mar se elevou muito mais rapidamente que hoje. E não podemos excluir a hipótese de isso acontecer no futuro. Porque será que não podemos dizer com confiança se parte significativa desta placa de gelo com proporções continentais irá ou não desmoronar-se?
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.
Para isso, precisamos de modelos com todos os processos, condições e aspetos físicos a considerar, na eventualidade de um colapso desses. É difícil saber essas coisas, pois esses processos e condições situam-se quilómetros abaixo do gelo, e os satélites, como o que produziu esta imagem não conseguem detetá-los. Na verdade, podemos observar muito melhor a superfície de Marte do que o que está sob o manto de gelo da Antártida. Isso é ainda mais problemático porque precisamos destas informações numa gigantesca escala de tempo e espaço.
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.
Em termos de espaço, a placa é um continente. E, assim como na América do Norte as Montanhas Rochosas, os Everglades e os Grandes Lagos são regiões distintas, as regiões por baixo da Antártica também são. Em termos de tempo, sabemos hoje que as placas de gelo não só evoluem numa escala de milénios e séculos como estão a mudar numa escala de anos e dias. Precisamos de poder ver através de quilómetros de camadas de gelo de dimensões continentais e vê-las todas permanentemente.
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.
Como faremos isso? Bem, não é que não possamos observar nada por baixo desse gelo. Eu disse no início que sou rádio-glaciologista e a importância disso é que o radar atmosférico que penetra no gelo é a nossa principal ferramenta para ver dentro das camadas de gelo. A maior parte dos dados usados pelo meu grupo é recolhida por aviões como este DC-3 da II Guerra Mundial, que combateu na Batalha das Ardenas. Podemos ver as antenas sob a asa. Elas enviam sinais de radar para dentro do gelo. E o som refletido contém informações sobre o que está a acontecer por baixo da placa de gelo. Enquanto isto acontece, os cientistas e os engenheiros ficam no avião durante 8 horas no máximo, para assegurar que o radar funciona. Na verdade, há uma ideia errada sobre esta forma de trabalho, em que as pessoas imaginam cientistas a espreitar pela janela a admirar a paisagem, o seu contexto geológico, e o destino das camadas de gelo. Uma vez, uma pessoa do "Planeta Congelado" da BBC foi num destes voos e passou horas a filmar-nos a mexer em botões.
(Laughter)
(Risos)
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?"
Anos mais tarde, assisti a essa série com a minha mulher, e apareceu uma cena como esta, e eu comentei que era muito bonita. E ela disse: "Tu não ias nesse voo?"
(Laughter)
(Risos)
I said, "Yeah, but I was looking at a computer screen."
Eu respondi: "Ia, mas eu estava a olhar para o ecrã do computador."
(Laughter)
(Risos)
So when you think about this type of fieldwork, don't think about images like this. Think about images like this.
Então, quando pensarem neste tipo de trabalho, não pensem só em imagens como esta. Pensem em imagens como esta.
(Laughter)
(Risos)
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.
Isto é um radargrama, um perfil vertical da placa de gelo, como uma fatia de bolo. A camada clara no topo é a superfície da camada de gelo, a camada clara em baixo é o substrato rochoso do continente e as camadas entre elas são como três anéis. que contêm informações sobre a história da camada de gelo. É espantoso como isto funciona tão bem. Os radares que penetram no solo usados para ver as infraestruturas de estradas ou para detetar minas têm dificuldade em penetrar em poucos metros da terra. Nós conseguimos ver através de 3 km de gelo. Há razões eletromagnéticas sofisticadas e interessantes para isso, mas digamos apenas que esse gelo é o alvo perfeito para o radar e o radar é a ferramenta perfeita para estudar placas de gelo.
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.
Estas são as linhas de voo dos mais modernos perfis dos sonares aéreos recolhidos sobre a Antártida. Este é o resultado de décadas de esforços heroicos de equipas de vários países e de colaborações internacionais. Quando juntamos as duas coisas, obtemos uma imagem como esta, qual seria o aspeto da Antártica sem a camada de gelo. Podemos ver a diversidade do continente numa imagem como esta. Os traços vermelhos são vulcões ou montanhas; as áreas azuis são o mar aberto, se tirássemos a camada de gelo. Isto está em gigantesca escala espacial. Porém, o que levou décadas a ser produzido é um simples instantâneo da subsuperfície. Não nos dá nenhuma indicação de como a camada está a mudar com o tempo. Estamos a tentar melhorar isto, pois parece que as primeiras observações por radar na Antártida foram registadas em filme ótico de 35 mm. E havia milhares de bobinas de filme nos arquivos do museu do Instituto Scott de Pesquisa Polar na Universidade 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 --
No verão passado, com um "scanner" topo de gama, desenvolvido para digitalizar filmes de Hollywood, e dois historiadores de arte, fui para a Inglaterra, enfiei umas luvas e arquivei e digitalizei todos esses filmes. Produzimos dois milhões de imagens em alta resolução que estão a ser analisadas e processadas pela minha equipa para comparação com a situação atual na camada de gelo. Aquele "scanner" foi-me apresentado por um arquivista da Academia de Artes e Ciências Cinematográficas. Por isso, agradeço à Academia
(Laughter)
(Risos)
for making this possible.
por tornar isto possível.
(Laughter)
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.
Por mais incrível que seja podermos ver o que aconteceu à placa de gelo há 50 anos, isto também é um simples instantâneo. Não nos dá informações sobre a variação anual ou sazonal, que é o mais importante. Mas também fizemos progressos. Há sistemas recentes de sistemas de radares terrenos fixos num ponto. Colocam-se esses radares sobre a camada de gelo e enterramos baterias de automóveis. Deixamos tudo isso ali durante meses ou anos. Eles enviam um impulso pela camada de gelo dentro a cada tantas horas ou minutos. Isso possibilita uma observação contínua mas só num ponto. Se compararmos estas imagens com as fotos a 2D tiradas do avião, isto é apenas uma linha vertical. É o mais que obtemos neste momento. Podemos escolher entre boa cobertura espacial com sonares aéreos ou boa cobertura temporal num ponto com radares terrenos.
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.
Mas nada nos dá o que realmente queremos: as duas coisas ao mesmo tempo. E para o conseguirmos, precisaremos de novos meios para observar a camada de gelo. O ideal é que sejam muito baratos para podermos fazer muitas medições a partir de muitos sensores. Quanto aos sistemas de radar existentes, o custo mais alto é com a energia consumida para transmitir o sinal do radar. Seria ótimo se pudéssemos usar os sistemas de rádio existentes ou sinais de rádio que estão no ambiente. Felizmente, toda a radioastronomia baseia-se no facto de haver sinais de rádio no céu. Uma das mais claras é o sol.
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."
Então, uma das coisas mais interessantes que o meu grupo está a fazer é tentar usar emissões de rádio do sol como um tipo de sinal de radar. Isto é um teste de campo em Big Sur, O tubo de PVC em zigurate é um suporte de antena, feito por um de meus estudantes. A ideia é ficar do lado de fora de Big Sur, e ver o pôr-do-sol em frequências de rádio, e tentar detetar o reflexo do sol na superfície do oceano. Sei que estão a pensar: "Mas não há glaciares em Big Sur".
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And that's true.
É verdade.
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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.
Mas, detetar o reflexo do sol na superfície do oceano, e detetar o reflexo no fundo de uma placa de gelo é geofisicamente muito semelhante. Se isto funcionar, poderemos aplicar o mesmo princípio para as medições na Antártida. E isso não é tão rebuscado como parece. A indústria sísmica passou por uma técnica de desenvolvimento parecida, em que deixaram de detonar dinamite para utilizar ruídos sísmicos ambientes. Os radares de vigilância usam sinais de TV e rádio, em permanência, e não precisam de transmitir sinais de radar, que denunciam a sua localização. Quero dizer que isso pode funcionar de facto. Caso funcione, precisaremos de sensores muito baratos para implementar centenas ou milhares de redes de sistemas numa placa de gelo para gerar imagens.
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 --
É aí que tudo parece estar tecnologicamente a nosso favor. Os sistemas de radar mais antigos que já referi foram desenvolvidos durante anos por engenheiros experientes em unidades nacionais com equipamentos específicos e caros. Porém, os sistemas recentes de rádio, definidos por software, o fabrico rápido, e o movimento "Maker" permitiram que uma equipa de adolescentes, a trabalhar no meu laboratório durante alguns meses, criasse um radar protótipo. Não são uns adolescentes quaisquer, são estudantes de Stanford, mas não deixa de ser verdade...
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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 essas tecnologias nos permitem quebrar a barreira entre os engenheiros que criam instrumentos e os cientistas que os usam. E, ao ensinar estudantes de engenharia a pensar como cientistas, e estudantes de ciências que pensam como engenheiros, o meu laboratório está a criar um local em que podemos construir sensores de radar adaptados a cada problema em mãos, otimizados para um baixo custo e um alto desempenho para esse problema. Isso irá mudar totalmente a forma de observarmos as placas de gelo.
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.
O problema do nível do mar e o papel da criosfera na elevação do nível do mar é extremamente importante e irá afetar o mundo inteiro. Mas não é por isso que estou a trabalhar nisso. Trabalho nisso pela oportunidade de ensinar e orientar estudantes extremamente brilhantes, pois acredito que aquelas equipas de jovens extremamente talentosos, motivados e apaixonados podem resolver a maioria dos problemas do mundo de hoje, e fornecer as informações necessárias para avaliar a elevação do nível do mar, é apenas um dos muitos problemas que eles podem e irão solucionar.
Thank you.
Obrigado.
(Applause)
(Aplausos)