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.
Я радиогляциолог. Я занимаюсь исследованием ледников и ледяных щитов с помощью радара. Как и большинство моих коллег сегодня, я пытаюсь решить проблему оценки степени воздействия льда на повышение уровня моря в будущем. Сегодня я хочу рассказать, почему так сложно точно рассчитать повышение уровня моря и почему я считаю, что изменение отношения к радиолокационной технологии и преподаванию геонаук поможет нам преуспеть.
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.
Говоря о повышении уровня воды, учёные обычно показывают подобный график на основе климатических моделей и моделей ледяных щитов. Справа указан диапазон уровня воды, который прогнозируют такие модели на ближайшие сто лет. Для сравнения, вот уровень моря сегодня, а выше этого уровня моря более четырёх миллионов людей окажутся под угрозой переселения. С точки зрения планирования данная диаграмма уже весьма неопределённа.
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?
Однако вдобавок к этому под графиком стоит звёздочка с оговоркой: «...при условии, если ледяной щит в Антарктиде не обрушится». В этом случае показатели были бы значительно выше. Они бы в буквальном смысле вышли за рамки. И к этой возможности стоит относиться серьёзно, ведь из геологической истории Земли нам известны периоды, когда уровень моря поднимался гораздо быстрее, чем сегодня. И пока мы не можем гарантировать, что этого не произойдёт в будущем. Так почему же мы не можем с уверенностью сказать, обрушится или нет значительная часть ледяного щита целого континента?
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.
Для этого нужно составлять модели с указанием всех процессов, условий и физических явлений, происходящих при таком обрушении. Но мы не знаем их наверняка, ведь эти процессы и условия протекают под многокилометровой толщей льда, и спутникам, которые делают подобные снимки, они недоступны. На самом деле мы гораздо лучше изучили поверхность Марса, чем то, что находится под антарктическим ледяным щитом. Более того, нам нужно делать наблюдения огромного масштаба и в пространстве, и во времени.
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.
С точки зрения пространства это континент. Подобно тому, как в Северной Америке отчётливо видны Скалистые горы, парк Эверглейдс и Великие озёра, подповерхностные регионы Антарктиды тоже различимы на карте. Что касается времени, то теперь мы знаем, что ледяные щиты не только формируются веками и тысячелетиями, но и меняются в течение нескольких лет и даже дней. Вот почему мы хотим вести наблюдения под километрами льда в масштабе целого континента и хотим вести их постоянно.
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.
Как же нам этого добиться? Некоторая часть того, что находится под поверхностью Антарктиды, нам всё же доступна. В самом начале я сказал вам, что я радиогляциолог. Такая профессия существует, потому что основной инструмент, с помощью которого мы заглядываем вглубь ледяных щитов, — радар подлёдного зондирования. Большинство используемых моей командой данных собирают самолёты, такие как вот этот DC-3 времён Второй мировой, который пережил ещё наступление в Арденнах. Под крылом у него есть антенны. С их помощью сигналы радара передаются в лёд. А отражающееся эхо даёт нам понять, что происходит внутри ледяного щита и под ним. Во время этого процесса учёные и инженеры проводят на самолёте по восемь часов без перерыва, обеспечивая исправную работу радара. Мне кажется, существует заблуждение о подобных полевых работах. Что учёные только и делают, что смотрят в окно, размышляют о местности, её геологическом контексте и судьбе ледяных щитов. Однажды наш полёт снимали для сериала BBC «Замёрзшая планета». Оператор несколько часов снимал, как мы вращаем ручки.
(Laughter)
(Смех)
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?"
Несколько лет спустя мы с женой смотрели этот сериал. Когда в кадре появился подобный пейзаж, я сказал, что он очень красивый. И она спросила: «Разве ты не видел его из самолёта?»
(Laughter)
(Смех)
I said, "Yeah, but I was looking at a computer screen."
Я ответил, что тогда смотрел в монитор.
(Laughter)
(Смех)
So when you think about this type of fieldwork, don't think about images like this. Think about images like this.
Так что, думая о полевых работах в Антарктиде, не представляйте себе такие картины. Представляйте вот такие.
(Laughter)
(Смех)
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.
Это радарограмма — поперечный разрез ледяного щита, похожий на кусок торта. Белый слой сверху — поверхность ледяного щита, белый слой снизу — земная кора самого континента, а слои между ними, как годичные кольца у деревьев, рассказывают об истории ледяного щита. Удивительно, как хорошо это работает. Георадары, которые используются для изучения инфраструктуры дорог и обнаружения мин, с трудом проходят сквозь пару метров земли. А мы смотрим сквозь три километра льда. И на то есть изощрённые, увлекательные, электромагнитные причины, но пока просто скажем, что лёд — это, пожалуй, идеальная цель для радара, а радар — идеальный инструмент для исследования ледяных щитов.
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.
По этим линиям полёта современные воздушные радары сделали геологические разрезы по всей Антарктиде. Это результат десятилетий героических усилий команд из разных стран и международных совместных проектов. Соединив все разрезы вместе, мы получаем такое изображение. Так выглядел бы Антарктический континент безо льда. На изображении хорошо видно, насколько разнообразен рельеф Антарктиды. Красным отмечены вулканы и горы; синие области были бы открытым океаном, если бы ледяного щита не было. Это — огромный пространственный масштаб. Однако всё это, создававшееся десятилетиями, — всего лишь один снимок подповерхности. Он не сообщает нам о том, как ледяной щит изменяется во времени. Мы уже решаем эту проблему, ведь, как оказалось, самые первые радиолокационные наблюдения Антарктиды снимались с помощью 35-мм киноплёнки. Несколько тысяч рулонов этой плёнки находятся в архивах музея Института полярных исследований имени Скотта в Кембридже.
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 --
Прошлым летом я взял с собой новейший телекинопроектор, созданный для оцифровки и улучшения качества голливудских фильмов, и двух искусствоведов. Мы прилетели в Англию, надели перчатки и заархивировали и оцифровали всю эту плёнку. Мы получили два миллиона снимков высокого разрешения. Сейчас моя группа анализирует и обрабатывает их, чтобы сравнить с нынешним состоянием ледяного щита. Кстати, об этом проекторе я узнал от архивиста Академии кинематографических искусств и наук. Поэтому я бы хотел поблагодарить Академию...
(Laughter)
(Смех)
for making this possible.
...за такую возможность.
(Laughter)
(Смех)
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.
Но как бы ни было удивительно, что нам довелось взглянуть на то, каким был ледяной щит 50 лет назад, это не более, чем ещё один снимок. Он не даст нам проследить ежегодные или ежемесячные изменения, а мы знаем, как это важно. Здесь мы тоже не стоим на месте. Есть новые наземные радиолокационные системы, находящиеся на одном месте. Такие радары ставят на ледяной щит и закапывают в снег запас автомобильных аккумуляторов. Оставляют их там на несколько месяцев или лет, и они посылают импульс в ледяной щит раз в несколько минут или часов. Получается непрерывное наблюдение во времени, но на одном месте. Если сравнивать со снимками из самолёта, то это просто одна вертикальная линия. Так и обстоят сейчас дела в нашей области. Надо выбирать между хорошим пространственным охватом с воздушным зондированием и временным охватом с наземным зондированием.
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.
Но на самом деле мы хотим и то, и другое одновременно. Чтобы добиться этого, нужны совершенно новые способы наблюдения за ледяным щитом. В идеале они должны быть очень недорогими, чтобы снимать множество показаний со множества датчиков. У существующих радиолокационных систем больше всего расходов уходит на энергию для передачи самогó сигнала. Поэтому было бы неплохо использовать существующие системы или радиосигналы из окружающей среды. На наше счастье, вся сфера радиоастрономии построена на том, что на небе есть яркие радиосигналы. А самый яркий — это наше солнце.
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."
Один из самых интересных проектов моей группы — использование солнечных радиоизлучений в качестве радиосигнала. Вот одно из наших полевых испытаний в Биг-Суре. Эта конструкция из труб — стойка антенны, построенная студентами в моей лаборатории. Идея вот в чём: находясь в Биг-Суре, мы наблюдаем закат в радиочастотах и определяем отражение солнца с поверхности океана. Я знаю, о чём вы думаете: «Но ведь в Биг-Суре нет ледников!»
(Laughter)
(Смех)
And that's true.
Так и есть.
(Laughter)
(Смех)
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.
Но оказывается, что определение отражения солнца с поверхности океана и со дна ледяного щита геофизически очень похожи. Если у нас всё получится, то мы сможем применять такой же принцип измерения и в Антарктиде. Это более вероятно, чем кажется. Сейсмическая отрасль прошла через похожее совершенствование своих методов. Им удалось перейти со взрыва динамитов в качестве источника на сейсмический фоновый шум в окружающей среде. А военные радары часто пользуются сигналами радио и телевидения, чтобы не передавать сигналы со своих радаров и не выдавать своё местоположение. Я хочу сказать, что шансы на успех у нас есть. И в таком случае нам понадобятся очень недорогие датчики. Тогда мы сможем разместить сотни тысяч датчиков на ледяной щит, чтобы они делали снимки.
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 --
И здесь для помощи нам действительно сошлись технологические звёзды. Первые РЛС, о которых я уже говорил, в течение нескольких лет создавали опытные инженеры в госучреждениях с дорогим специализированным оборудованием. Но изобретения в области программно-определяемых радиосистем и быстрого прототипирования, а также движение производителей позволяют команде подростков за несколько месяцев работы в моей лаборатории построить прототип радара. Хорошо, это не простые подростки, а студенты Стэнфорда, но суть та же...
(Laughter)
(Смех)
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.
что эти вспомогательные технологии стирают границы между инженерами, которые создают инструменты, и учёными, которые ими пользуются. Когда студенты-инженеры начинают мыслить, как геологи, а студенты-геологи — мыслить, как инженеры, моя лаборатория превращается в среду́, где мы можем создать свой радиолокационный датчик для каждой отдельной проблемы, оптимизированный под низкую стоимость и высокую производительность для решения этой проблемы. Это в корне изменит способы наблюдения за ледяным щитом.
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.
Конечно, тема уровня моря и влияние криосферы на его повышение — очень важная проблема, которая волнует весь мир. Но я занимаюсь этим по другой причине. Для меня это возможность быть учителем и наставником чрезвычайно умных студентов. Я глубоко убеждён, что команды гиперталантливых, гипермотивированных и гиперувлечённых молодых людей могут решить большую часть проблем нашего мира. Получение необходимых наблюдений для оценки повышения уровня моря — это лишь одна из многих проблем, решение которой им под силу.
Thank you.
Спасибо.
(Applause)
(Аплодисменты)