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.
Tôi là nhà nghiên cứu băng vô tuyến. Tôi dùng rađa nghiên cứu sông và lớp băng. Và như hầu hết các nhà nghiên cứu băng, Tôi ước tính bao nhiêu băng sẽ làm tăng mực nước biển trong tương lai. Nên hôm nay, tôi muốn nói tại sao khó đặt ra số đẹp về mực nước biển dâng, và tại sao tôi tin việc thay đổi cách nghĩ về công nghệ rađa, giáo dục khoa học trái đất, chúng ta có thể có nhiều lợi ích hơn.
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.
Hầu hết nhà khoa học nói về nước biển dâng họ chỉ ra kịch bản như này. Vấn đề này là do sử dụng lớp băng và mô hình khí hậu. Một mặt, bạn có thể thấy mực nước biển được dự đoán bởi các mô hình này trong hơn 100 năm tới. Thực tế, đây là mực nước biển hiện tại, và đây là mực nước biển mà 4 triệu người có thể bị xóa sổ. Cho nên về mặt lên kế hoạch, thì kịch bản này không chắc chắn lắm rồi.
However, beyond that, this plot comes with the asterisk and the caveat,
Tuy nhiên, ngoài ra, kịch bản này
"... 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?
còn đến cùng với một điềm báo trước, "...trừ khi băng ở Tây nam Cực sụp đổ." và trường hợp đó, chúng ta sẽ nói về những con số cao hơn đáng kể. Chúng thực sự vượt ra khỏi biểu đồ. Lý do ta nên nghiêm túc chịu trách nhiệm đó là vì ta biết về lịch sử địa chất Trái Đất có các giai đoạn mực nước biển tăng lên nhanh hơn hiện nay. Và hiện tại, chúng ta không thể loại trừ khả năng đó có thể xảy ra trong tương lai. Vậy tại sao chúng ta không khẳng định một khối băng bằng một lục địa sẽ sụp đổ hay không?
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.
À, để làm được, chúng ta cần các mô hình mà ta biết bao gồm tất cả quá trình, điều kiện và vật lý sẽ gây ra sự sụp đổ như vậy. Và thật khó để biết được, Vì các quá trình và điều kiện đang diễn ra bên dưới nhiều km băng, và các vệ tinh, như vệ tinh chụp ảnh này, không quan sát được chúng. Thật ra, chúng ta có nhiều sự quan sát toàn diện về bề mặt sao hỏa hơn những gì bên dưới lớp băng Nam cực. Và điều này thậm chí khó khăn hơn khi ta cần quan sát không gian và thời gian ở qui mô cực lớn.
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.
Về mặt không gian, đây là 1 lục địa. Và cũng như vậy ở Bắc Mĩ, Dãy Rocky, vùng Everglades và Great Lakes rất khác, vùng dưới bề mặt Nam Cực cũng vậy. Về mặt thời gian, bây giờ ta biết các tảng băng không chỉ tiến hóa qua hàng thế kỉ và hàng thiên niên kỉ, mà còn thay đổi qui mô qua ngày và năm. Nên những gì ta cần là quan sát bên dưới hàng km băng ở qui mô lục địa, và chúng ta luôn mong đợi điều đó.
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.
Vậy làm như thế nào? Chúng ta hoàn toàn mù tịt về lớp bên dưới. Như đã nói, tôi nghiên cứu băng vô tuyến, và lý do là ra đa thâm nhập trên không là công cụ chính để nhìn vào bên trong lớp băng. Nên hầu hết dữ liệu nhóm tôi sử dụng được lấy từ các máy bay như chiếc World War II-era DC-3 này, đã thực sự chiến đấu trong Trận Ardennes. Bạn có thể thấy các anten bên dưới cánh. Chúng được sử dụng để truyền tín hiệu ra đa xuống băng. Và tiếng vọng trở về chứa thông tin về những gì đang xảy ra trong và dưới lớp băng. Trong khi đang bay, các nhà khoa học và kĩ sư ở trên máy bay khoảng 8 tiếng liên tục, để bảo đảm rằng ra đa đang hoạt động. Và tôi nghĩ đây thực sự là một khái niệm sai lầm vầ loại công tác thực địa này, nơi mà mọi người tưởng tượng các nhà khoa học nhìn ra cửa sổ, chiêm ngưỡng phong cảnh, địa chất và số phận của những tảng băng. Chúng tôi có 1 bạn từ "Frozen Planet" BBC trên 1 trong các chuyến bay này. Và anh ấy đã dành hàng giờ để quay chúng tôi vặn nút.
(Laughter)
(Cười)
And I was actually watching the series years later with my wife,
Và tôi và vợ đã thực sự xem bộ phim
and a scene like this came up, and I commented on how beautiful it was. And she said, "Weren't you on that flight?"
vào nhiều năm sau đó, và một cảnh như này xuất hiện, tôi cảm thán về vẻ đẹp của nó. Vợ tôi nói, "Không phải anh trên chuyến bay đó sao?"
(Laughter)
(Cười)
I said, "Yeah, but I was looking at a computer screen."
Tôi nói, "Đúng, nhưng anh
đang nhìn màn hình máy tính."
(Laughter)
(Cười)
So when you think about this type of fieldwork, don't think about images like this. Think about images like this.
Cho nên khi bạn nghĩ về loại công việc này đừng nghĩ về những hình ảnh như này. Nên nghĩ về những hình ảnh như này.
(Laughter)
(Cười)
This is a radargram, which is a vertical profile through the ice sheet,
Đây là sơ đồ ra đa,
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.
là đường thẳng xuyên qua tảng băng, như một miếng bánh. Lớp sáng phía trên là bề mặt tảng băng, lớp sáng dưới đáy là tầng đá lục địa, và lớp giữa là giống như vòng gỗ, ở đó chứa thông tin lịch sử tảng băng. Và ngạc nhiên là chúng làm tốt việc này. Các ra đa xâm nhập mặt đất được sử dụng để điều tra hạ tầng đường sá hoặc dò thám bom trong đất gặp khó khăn khi xuyên qua vài mét đất. Và ở đây chúng ta nhìn qua 3 km băng. Và có các lý do điện từ thú vị, phức tạp, nhưng từ bây giờ băng về cơ bản là mục tiêu hoàn hảo cho ra đa, và ra đa về cơ bản là công cụ hoàn hảo để nghiên cứu băng.
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.
Đây là những đường bay của hầu hết máy bay sử dụng âm thanh ra đa thu thập thông tin trên Nam Cực. Đây là kết quả của những nỗ lực phi thường hàng thập kỉ của các nhóm từ nhiều quốc gia và hợp tác quốc tế. Khi bạn đặt chúng với nhau, bạn sẽ có hình ảnh như này, là lục địa Nam Cực trông như thế này khi không có băng phía trên. Và bạn có thể thật sự thấy sự đa dạng của lục địa này ở hình ảnh thế này đây. Những điểm màu đỏ là núi lửa hoặc núi, khu vực màu xanh là biển khơi nếu lớp băng bị dở bỏ. Đây là một không gian khổng lồ. Tuy nhiên, tất cả không gian mà mất hàng thập kỉ để tạo ra chỉ là một ảnh chụp nhanh bên dưới bề mặt. Nó không cho ta chỉ định nào về lớp băng đang thay đổi như thế nào theo thời gian. Hiện tại, chúng ta làm về nó, vì hóa ra rằng các quan sát ra đa đầu tiên về Nam Cực thu thập được là bằng việc sử dụng phim quang học 35 mm. Và có hàng ngàn cuộn phim này ở các nơi lưu trữ của bảo tàng của Viện Scott Polar Research tại Đại học 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 --
Cho nên hè qua, tôi đã lấy máy quét phim hiện đại nhất đã phát triển phim kĩ thuật số ở Hollywood và sửa lại chúng, và 2 sử gia nghệ thuật, và chúng tôi đi đến Anh, mang bao tay vào, lưu trữ và số hóa phim đó. Vậy là tạo ra 2 triệu hình ảnh có độ phân giải cao mà nhóm tôi hiện đang phân tích và xử lí để so sánh với tình trạng trong lớp băng hiện giờ. Và, thật ra, tôi tìm thấy máy quét phim từ một nhà lưu trữ ở Viện Hàn lâm Khoa học và Nghệ thuật Điện ảnh. Cho nên tôi muốn cảm ơn Viện
(Laughter)
(Cười)
for making this possible.
vì đã giúp thành hiện thực.
(Laughter)
(Cười)
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.
Và ngạc nhiên là chúng ta có thể thấy những gì diễn ra dưới lớp băng 50 năm trước đây vẫn là một ảnh chụp nhanh nữa. Chúng ta không thể quan sát biến đổi theo năm hay theo mùa, mà ta biết là quan trọng. Cũng có vài sự tiến bộ ở đây. Có các hệ thống ra đa mặt đất gần đây này ở một điểm. Cho nên bạn lấy chúng và đặt trên lớp băng và bạn chôn một ắc quy bên dưới. Bạn để chúng ở đó vài tháng hoặc vài năm, và chúng sẽ gửi xung động xuống lớp băng vài phút hoặc vài giờ một lần. Nên điều này cho thấy sự quan sát liên tục nhưng chỉ ở một điểm. Nên nếu bạn so sánh nó với hình ảnh 2-D máy bay cung cấp, thì đây chỉ là một đường thẳng. Và điều này khá giống nơi ta ở hiện tại. Ta có thể chọn phủ sóng không gian tốt bằng dò tìm ra đa trên không hay độ bao phủ tạm thời tốt ở một chỗ với dò tìm trên mặt đất.
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.
Nhưng cả hai đều không cho điều ta muốn: cả hai đều giống nhau. Và nếu chúng ta làm, chúng ta sẽ cần các cách quan sát băng hoàn toàn mới. Và lý tưởng là chúng cực kỳ rẻ tiền để mà chúng ta có thể dùng nhiều cảm biến để đo. À, để duy trì hệ thống ra đa, thì chi phí lớn nhất là cho công suất cần để tự truyền tín hiệu ra đa. Nên thật tuyệt nếu có thể dùng các hệ thống ra đa hiện tại hay tín hiệu vô tuyến có trong môi trường. Và may mắn là toàn bộ lĩnh vực thiên văn vô tuyến này được hình thành dựa trên các tín hiệu vô tuyến sáng trên trời. Và một cái rất sáng là mặt trời của chúng ta.
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."
Nên 1 trong các thứ thú vị nhất mà nhóm tôi đang làm hiện nay là thử dùng phát xạ vô tuyến mặt trời như một loại tín hiệu ra đa. Đây là 1 trong các thực nghiệm ở Big Sur. Ống PVC đó là 1 giá đỡ do một số sinh viên ở phòng thí nghiệm của tôi làm. Và ý tưởng ở đây là chúng ta ở ngoài Big Sur, và xem mặt trời lặn ở tần số vô tuyến, chúng ta thử dò phản xạ mặt trời xuống bề mặt đại dương. Bây giờ, tôi biết các bạn đang nghĩ "Không có sông băng ở Big Sur."
(Laughter)
(Cười)
And that's true.
Và đúng là vậy.
(Laughter)
(Cười)
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.
Nhưng hóa ra dò tìm phản xạ của mặt trời trên mặt đại dương và dò tìm phản xạ dưới đáy 1 lớp băng cực kỳ giống nhau về mặt địa vật lý. Và nếu điều này đúng, chúng ta sẽ có thể vận dụng nguyên tắc đo như ở Nam Cực. Và điều này không xa vời. Ngành địa chấn đã trải qua một bài phát triển kĩ thuật tương tự, nơi mà họ có thể chuyển từ sử dụng thuốc kích nổ thành tiếng địa chấn xung quanh trong môi trường đó. Các ra đa phòng thủ luôn sử dụng tín hiệu tivi và vô tuyến, Nên họ không phải truyền tín hiệu ra đa và bỏ vị trí của họ. Nên những gì tôi đang nói là điều này có thể làm được Và nếu được, chúng ta sẽ cần các cảm biến cực rẻ tiền để ta có thể dùng hệ thống với hàng trăm, ngàn cảm biến trên 1 tảng băng để lấy ảnh.
And that's where the technological stars have really aligned to help us.
Và đó là nơi các ngôi sao công nghệ
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 --
thật sự liên kết để giúp chúng ta. Cá hệ thống ra đa trước mà tôi đã nói là được phát triển bởi các kĩ sư có kinh nghiệm qua khóa học nhiều năm ở các sơ sở quốc gia với các thiết bị chuyên dụng đắc tiền. Nhưng phát triển mới về phần mềm định vị sóng vô tuyến, chế tạo nhanh và bước đột phá sản xuất, khiến một nhóm thanh niên có thể làm việc ở phòng thí nghiệm suốt khóa học vài tháng để tạo ra ra đa mẫu đầu tiên. OK, không thanh niên nào khác, họ là sinh viên Stanford, nhưng vẫn đúng
(Laughter)
(Cười)
that these enabling technologies are letting us break down the barrier
Những công nghệ hỗ trợ này
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.
cho phép chúng ta phá bỏ rào cản giữa các kĩ sư tạo ra thiết bị và các nhà khoa học sử dụng chúng. Và bằng việc dạy sinh viên ngành kĩ sư nghĩ giống như các nhà khoa học trái đất, sinh viên khoa học trái đất có thể nghĩ như kĩ sư, phòng thí nghiệm đang tạo nên 1 môi trường có thể tạo ra cảm biến ra đa đặc biệt cho mỗi vấn đề hiện có, tối ưu hóa với chi phí thấp, năng suất cao cho vấn đề đó. Và nó sẽ hoàn toàn thay đổi cách chúng ta quan sát lớp băng.
Look, the sea level problem and the role of the cryosphere in sea level rise
Nhìn xem, vấn đề mực nước biển và vai trò
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.
của băng quyển đối với tăng mực nước biển là cực kỳ quan trọng và sẽ ảnh hưởng đến cả thế giới. Nhưng đó không là lý do để tôi nghiên cứu. Tôi làm để có cơ hội dạy và hướng dẫn những học sinh cực kì thông minh, vì tôi tin tưởng sâu sắc rằng các nhóm siêu tài năng, cuồng nhiệt, đam mê có thể giải quyết hầu hết khó khăn thế giới đối mặt, và nếu quan sát để ước tính mực nước biểng dâng chỉ là một trong nhiều vấn đề như thế thì họ có thể và sẽ giải quyết được.
Thank you.
Cảm ơn.
(Applause)
(Vỗ tay)