Hvordan kompleksitet videnskab hurtigt kan opdage uregelmæssigheder i klimarekorden

Historien om vores klima er skrevet i is. At læse det er et spørgsmål om at tyde de komplekse signaler trukket fra titusinder af år med akkumulerede isotoper frosset miles under overfladen af ​​Antarktis.

Når man forstår den enorme mængde information, der er pakket ind i en iskerne, forskere står over for en retsmedicinsk udfordring:hvordan man bedst adskiller de nyttige oplysninger fra de korrupte.

Et nyt papir offentliggjort i tidsskriftet Entropi viser, hvordan værktøjer fra informationsteori, en gren af ​​kompleksitetsvidenskab, kan løse denne udfordring ved hurtigt at finde ud af dele af de data, der kræver yderligere undersøgelse.

"Med denne form for data, vi har begrænsede muligheder for at få det rigtigt, "siger Joshua Garland, en matematiker ved Santa Fe Institute, der arbejder med 68, 000 års data fra den vestantarktiske inddeling af iskerne. "Udvinding af is og behandling af data tager hundredvis af mennesker, og masser af behandling og analyse. På grund af ressourcebegrænsninger, replikkerner er sjældne. "

Da Garland og hans team fik fat i dataene, mere end 10 år var gået fra den første boring af iskernen til offentliggørelsen af ​​det datasæt, den indeholdt. Den to-mile iskerne blev ekstraheret over fem sæsoner fra 2007-2012, af teams fra de flere universiteter finansieret af National Science Foundation. Fra feltlejren i Vestantarktis, kernen blev pakket, derefter sendt til National Science Foundation Ice Core Facility i Colorado, og endelig til University of Colorado. På Stable Isotope Lab på Institute of Arctic and Alpine Research, en state-of-the-art forarbejdningsfacilitet hjalp forskere med at trække isotopregistreringer fra isen.

Resultatet er et meget løst, komplekse datasæt. Sammenlignet med tidligere iskernedata, som tillod analyse hver 5. centimeter, WAIS Divide -kernen tillader analyse ved millimeteropløsning.

"En af de spændende ting ved iskerneforskning i det sidste årti er, at vi har udviklet disse laboratoriesystemer til at analysere isen i høj opløsning, "siger Tyler Jones, en paleoklimatolog ved University of Colorado Boulder. "For et stykke tid siden var vi begrænsede i vores evne til at analysere klima, fordi vi ikke kunne få nok datapunkter, eller hvis vi kunne, ville det tage for lang tid. Disse nye teknikker har givet os millioner af datapunkter, hvilket er ret vanskeligt at styre og fortolke uden nogle nye fremskridt i vores [data] behandling. "

I tidligere kerner, Garland bemærker, at årtier, endda århundreder, blev samlet til et enkelt punkt. WAIS -data, derimod, giver nogle gange mere end fyrre datapunkter om året. Men da forskere går over til at analysere dataene på kortere tidsskalaer, selv små anomalier kan være problematiske.

"Efterhånden som finkornede data bliver tilgængelige, finkornet analyse kan udføres, "Garland noter." Men det gør også analysen modtagelig for finkornede anomalier. "

For hurtigt at identificere hvilke afvigelser, der kræver yderligere undersøgelse, teamet bruger informationsteoretiske teknikker til at måle, hvor meget kompleksitet der vises på hvert tidspunkt i tidssekvensen. En pludselig stigning i kompleksiteten kan betyde, at der enten var en større, uventet klimahændelse, som en super vulkan, eller at der var et problem i data eller databehandlingsrørledningen.

"Denne form for anomali ville være usynlig uden en meget detaljeret, finkornet, punkt-for-punkt analyse af dataene, som ville tage en menneskelig ekspert mange måneder at udføre, "siger Elizabeth Bradley, en datalog ved University of Colorado Boulder og ekstern professor ved Santa Fe Institute. "Selvom informationsteori ikke kan fortælle os den underliggende årsag til en anomali, vi kan bruge disse teknikker til hurtigt at markere de segmenter af datasættet, der skal undersøges af paleoklimatiske eksperter. "

Hun sammenligner iskernedatasættet med en Google -søgning, der returnerer en million sider. "Det er ikke sådan, at du ikke kunne gå igennem de millioner sider, "Siger Bradley." Men tænk, hvis du havde en teknik, der kunne pege dig mod dem, der potentielt var meningsfulde? "Når du analyserer store, virkelige datasæt, informationsteori kan få øje på forskelle i de data, der signalerer enten en behandlingsfejl eller en betydelig klimahændelse.

I deres Entropi papir, forskerne beskriver, hvordan de brugte informationsteori til at identificere og reparere en problematisk strækning af data fra den oprindelige iskerne. Deres undersøgelse førte til sidst til en prøveudtagning af arkiviskernen-den længste omprøveudtagning af en iskerne med høj opløsning til dato. Da denne del af isen blev samplet og genbehandlet, holdet var i stand til at løse en unormal stigning i entropi fra cirka 5, 000 år siden.

"Det er meget vigtigt at få dette område rigtigt, "Garland noter, "fordi den indeholder klimainformation fra den menneskelige civilisations begyndelse."

"Jeg tror, ​​at klimaforandringer er det mest presserende problem nogensinde for menneskeheden, og iskerner er utvivlsomt den bedste registrering af Jordens klima, der går flere hundrede tusinder af år tilbage, "siger Jones." Informationsteori hjælper os med at gennemse dataene for at sikre, at det, vi lægger ud i verden, er det absolut bedste og mest sikre produkt, vi kan. "