我們要如何去觀察南極大冰原底下數公里的狀況

南極是個廣大且動態的地方，但雷達科技──從二次大戰時期的底片到精密的微型感測器──讓科學家得以觀察並了解在大陸的冰底下所發生的細部改變。加入無線電冰河學家達斯汀許洛德，讓我們一起飛到南極上空，看看能穿透冰的雷達如何協助我們了解未來的水平面上升──以及融冰對於我們所有人的意義是什麼。

我是無線電冰河學家。

意思就是說，我用雷達
來研究冰河和大冰原。

和現在大部分的冰河學家一樣，

我在努力解決的問題是估計

在未來，冰對於海平面
上升的影響會有多大。

所以，今天，我想和各位談的是

為什麼這麼難預測
海平面上升的數字，

以及為什麼我相信藉由
改變我們對雷達技術

以及地球科學教育的看法，

我們就能把預測做得更好。

當大部分科學家談到海平面上升時，

他們會展示這類的圖。

這張圖是用大冰原
和氣候模型產生出來的。

在右邊，各位能看見海平面的範圍，

是用這些模型針對
未來一百年所做的預測。

背景說明：這是目前的海平面，

海平面超過這個高度時，

有超過四百萬人會受到遷移的影響。

所以，就規劃而言，

在這張圖上的不確定性已經很高了。

然而，在那之外，這張圖
還帶著星號和警告的訊息：

「……除非西南極冰蓋崩解。」

若那狀況發生，我們要談的
數字又會明顯更高了。

它們會在這張圖的範圍之外。

我們應該要認真看待
那種可能性的原因，

是我們從地球的地質史可以知道，

在歷史上的某些時期，

海平面上升的速度比現今還快很多。

現在，我們無法排除

那種現象在未來發生的可能性。

所以，為什麼我們無法有信心地說出

和大陸一樣大的一塊大冰原
是否有明顯的一部分

將會或者將不會崩解？

要做到這一點，我們需要模型，

且模型必須要
含有與這類崩解相關的

過程、條件、物理學。

那些資訊很難知道，

因為那些過程和條件是發生在

冰底下數公里深的地方，

而衛星，比如產出這張影像的衛星，

無法觀察到它們。

事實上，我們對於火星表面的觀察，

還比南極冰蓋底下更全面。

更困難的是，我們需要的觀察資料

在空間和時間的規模上都非常龐大。

就空間來說，這是一塊大陸。

就如同在北美洲，

落磯山脈、佛羅里達大沼澤、
五大湖區域是非常明顯的，

在南極的表面區域亦是如此。

就時間來說，我們現在知道

大冰原的演化並不只能從
千年和百年才看得出來，

它們其實每年、每天都在改變。

所以我們想要的是：
觀察在冰底下數公里深的地方，

範圍規模要和一塊大陸一樣大，

且所有時間點的資料都要有。

所以，我們要怎麼做？

我們並非完全看不見
表層以下的地方。

在一開始我有提到
我是無線電冰河學家，

這一點之所以很重要，

是因為空載且能穿透冰的雷達，

是我們用來看大冰原
裡面的主要工具。

所以，我的小組所用的大部分資料，
都是用飛機搜集的資料，

像這架二次大戰時期的 DC-3，

它真的打過突出部之役。

你們可以看到在機翼下面的天線。

它們是用來把雷達訊號
向下傳輸到冰裡面。

反射回來的電波資訊就能說明

在大冰原內部和底下發生的狀況。

在進行的同時，

科學家和工程師會在飛機上，

八小時完全不休息，

確保雷達的運作順利。

我認為，人們對於這種
實地調查工作有一種誤解，

把這種工作想像成
科學家從窗戶向外窺視，

凝視著地景以及其地質環境，

深思著大冰原的命運。

其實在飛機上有一個 BBC
《冰凍星球》節目的人同行。

他花了數小時的時間
在拍攝我們轉動旋鈕。

（笑聲）

多年後，我和我太太
一起看這系列節目，

出現了一個像這樣的景，
我說著它有多麼美麗。

她說：「你不是在那台飛機上嗎？」

（笑聲）

我說：「是啊，
但我都在看電腦螢幕。」

（笑聲）

所以，別把這類的實地調查工作

想像成這樣的畫面。

而是要想成這樣的畫面。

（笑聲）

這是雷達圖像，
整個大冰原的垂直剖面，

有一點像一片蛋糕。

上方亮色的那一層
是大冰原的表面，

底下亮色的那一層
是大陸本身的床岩，

中間的各層有點像是年輪，

包含了大冰原歷史的資訊。

能有這麼好的結果，
是很不可思議的。

能夠穿透地面的雷達，

用來調查道路基礎設施
或是偵測地雷的那種，

要穿過幾公尺的陸地都很困難了。

在這裡，我們能穿過三公里的冰。

這背後有著很複雜
且有趣的電磁理由，

但在這裡我們姑且就說
冰是雷達的完美目標，

而基本上雷達也是研究
大冰原的完美工具。

這些是飛行路線，

沿這些路線，我們從
南極各地取得大部分的

現代空載雷達探測數據。

這是來自不同國家的團隊

以及國際合作，投入
數十年努力的結果。

把這些都整合起來，
就會得到像這樣的影像，

這就是把南極大陸上面的冰

去除後的樣子。

在這樣的影像中，
可以真正看到大陸的多樣性。

紅色區域代表火山或山岳；

藍色區域是開放海洋，

如果把冰除去的話。

那是巨大的空間尺度。

然而，要花數十年時間才能

產出一張表面底下的快照。

這樣還無法看出大冰原
如何隨著時間改變。

我們正在努力，因為結果發現，

最早的南極雷達觀測資料

是用 35 毫米的光學底片收集的。

這種底片有數千卷之多，

都存放在史考特
極地研究中心的博物館中，

位在劍橋大學內。

所以，去年夏天，
我拿了最先進的掃瞄器，

它是為了將好萊塢電影
給數位化和重製而設計的，

與兩位藝術歷史學家

一同前往英國，戴上手套，

把所有那些底片都建檔和數位化。

結果產出了兩百萬張
高解析度的影像，

現在我的小組正在
努力分析和處理它們，

來和同時期大冰原內的狀況做比較。

其實，那台掃瞄器──我是從

電影藝術與科學學院的
檔案保管員那裡得知的。

所以，我要感謝影藝學院──
（註：模仿奧斯卡得主致辭）

（笑聲）

讓這一切得以成真。

（笑聲）

我們能夠看到五十年前，

在冰底下發生的狀況，
雖然這是很了不起的事，

但這也只是多看到一張快照而已。

它還沒辦法提供我們

每年或每季的變化觀測資料，

我們知道這些資料很重要。

還是有一些進展。

最近有些地面雷達系統
可以固定在一個地點。

所以你可以把這類的
雷達放到大冰原上，

並貯藏許多汽車電池來供電。

你可以把它們留在那裡
數個月或數年，

它們每分鐘或每小時就會將脈衝

向下發送到大冰原裡。

這樣就能得到
連續時間的觀測資料──

但只是單點的。

如果你把那成像結果放到
飛機提供的二維圖片上，

其實只是一條垂直線。

大致上，這就是我們
目前在努力的領域。

我們可以選擇涵蓋很大的空間面積，

用空載雷達探測；

或選擇涵蓋長時間範圍、
單一地點，用陸基雷達探測。

但兩個選項都無法提供我們想要的：

我們想同時得到兩者。

如果我們要那麼做，

我們會需要用全新的
方式來觀察大冰原。

理想上，那些方式的
成本應該要極低，

這樣我們才能從許多
感測器取得許多測量值。

就目前既有的雷達系統而言，

最耗成本的部分是在電力，

用來發射雷達訊號。

所以，如果我們
能用在環境中既有的

雷達系統或雷達訊號，那就很棒了。

不幸的是，整個無線電天文學領域

都建立在一個基礎事實上：
天空中有明亮的無線電訊號。

而最明亮的訊號就是太陽。

所以，我的小組現在正在進行的
最讓人興奮的事情之一，

就是嘗試使用太陽放射的
無線電來當作一種雷達訊號。

這是我們在大索爾的實地測試之一。

聚氯乙烯管做成的塔是個天線架，
我的實驗室中的一些大學生打造的。

這裡的想法是，
我們在大索爾待在戶外，

我們去看日落的無線電頻率，

並試著偵測太陽照在
海洋表面所形成的反射。

我知道你們在想：
「在大索爾沒有冰河。」

（笑聲）

的確如此。

（笑聲）

但結果發現，偵測太陽
照射在海洋表面的反射，

和偵測大冰原底部的反射，

在地球物理學上是極度相似的。

如果這是可行的，

我們應該可以把同樣的
測量原則應用到南極。

這並沒有看起來得那麼牽強。

地震產業就已經完成了
一個類似的技術發展實做，

他們從將引爆炸藥當作來源，

變成是用環境中的震測雜波。

防禦雷達也總是在用
電視訊號以及廣播訊號，

這樣他們就不用發出一個雷達訊號，

暴露出他們的所在位置。

所以，我的意思是，
這很有可能是可行的。

如果可行，我們就會
需要極低成本的感測器，

才能在大冰原上部署含有
數百或數千個感測器的網路，

來進行成像。

那對我們而言，可說是
科技上的天時地利人和。

我先前談到的早期雷達系統，

是由有經驗的工程師，
花了數年時間，

在國家提供的場所中，
用昂貴的專門設備開發出來的。

但因為近期開發出了軟體無線電，

加上快速製造，以及自造者運動，

讓在我實驗室中工作的
一個青少年團隊，

能夠花短短幾個月的時間，

就建造出一個原型雷達。

好吧，他們不是隨便的青少年，
他們是史丹佛大學生，

但重點不變──

（笑聲）

這些科技賦予我們能力，
讓我們能夠突破擋在

打造工具的工程師和
使用工具的科學家之間的障礙。

透過教導工程學生
用地球科學家的方式思考，

教導地球科學學生
用工程師的方式思考，

我的實驗室建立出了一個環境，
讓我們可以針對手上的每個問題，

打造訂製的雷達感測器，

為該問題找出低成本高效能的

最佳化解決方案。

那將會完全改變我們
觀察大冰原的方式。

海平面問題以及冰凍圈在
海平面上升中所扮演的角色

是極度重要的，

且會影響整個世界。

但那並非我投身這個領域的原因。

我這麼做是為了
有機會能夠教導和指導

極聰明的學生，

因為我深信，
由超有才華、超有動力、

超有熱情的年輕人所組成的團隊，

能夠解決世界面臨的大部分難題，

我也深信，提供估計
海平面上升所需要的觀測值，

也只是他們能夠且將會解決的
許多此類問題當中的一個。

謝謝。

（掌聲）