Informationsteori som et retsmedicinsk værktøj til at undersøge klimamysterier

Under Jordens sidste istid, temperaturerne på planeten steg med jævne mellemrum dramatisk og hurtigt. Data i islag i Grønland og Antarktis viser, at disse opvarmningsbegivenheder - kaldet Dansgaard-Oeschger og Antarktis Isotop Maximum - fandt sted mindst 25 gange. Hver gang, i løbet af årtier, temperaturer steg 5-10 grader celsius, derefter afkølet igen, lidt efter lidt. Mens der stadig er flere konkurrerende teorier for de stadig uforklarlige mekanismer bag disse spidser, et nyt papir i journalen Kaos foreslår, at matematik fra informationsteori kunne tilbyde et stærkt værktøj til at analysere og forstå dem.

"I mange systemer, før en ekstrem begivenhed, informationsdynamikken bliver uorden, " siger Joshua Garland, en postdoc ved Santa Fe Institute og hovedforfatter på det nye papir. For eksempel, informationsteoretiske værktøjer er blevet brugt til at forudse anfaldshændelser fra forstyrrelser i EEG-aflæsninger.

I første omgang, forfatterne forventede, at de ville se et signal - en destabilisering i klimarekorden svarende til dem, der blev set i EEG'er før anfald - lige før opvarmningsbegivenhederne. Men de signaler dukkede aldrig op. "Omkring disse begivenheder, du har den samme mængde informationsproduktion, " siger Garland. Og dette, foreslå forfatterne, indikerer, at Dansgaard-Oeschger og Antarctic Isotope Maximum-hændelser højst sandsynligt var regelmæssige og forudsigelige mønstre af klimaet i den sidste istid snarere end resultaterne af uventede hændelser.

Ud over, informationsteori kunne forbedre, hvordan videnskabsmænd beregner akkumulering - hvor meget sne, der faldt i et givet år. "Det er meget udfordrende. Mange mennesker arbejder på dette, og de bruger sofistikeret matematik, kombineret med ekspertviden og kendte funktioner, for at finde ud af akkumuleringen, " siger Garland. I øjeblikket, fine pollensignaturer er nogle af de bedste forskelle mellem år i is, der er titusinder af år gammel, komprimeret under vægten af ​​hvert efterfølgende snefald. informationsteori, og specifikt en statistisk tilgang kaldet permutationsentropi, tilbyder en anden tilgang. "Dette kunne være et hurtigt og effektivt værktøj for eksperterne til at bekræfte deres arbejde, " siger Garland.

"Når du har med en tidsserie at gøre, du vil vide, hvilken meningsfuld information der er til stede. Du vil udtrække det og bruge det, og ikke at bruge oplysninger, der ikke er nyttige, " siger Garland. "Vi håber, at dette værktøj kan hjælpe videnskabsmænd med at gøre dette med gamle klimaregistreringer."

Informationsteori bliver allerede brugt til at identificere uregelmæssigheder i klimarekorden - især, at markere anomalier introduceret under indsamling og observation af iskernerne.

Dette papir følger i hælene på to relaterede undersøgelser offentliggjort i Entropy and Advances in Intelligent Data Analysis XV.

"Disse informationsteoretiske beregninger er ikke kun nyttige til at afsløre skjulte problemer med dataene, men også potentielt kraftfuld til at foreslå ny og nogle gange overraskende geovidenskab, " skriver forfatterne i det nye papir.