De geschiedenis van ons klimaat is in ijs geschreven. Het lezen ervan is een kwestie van het ontcijferen van de complexe signalen afkomstig van tienduizenden jaren van verzamelde isotopen die mijlen onder het oppervlak van Antarctica bevroren zijn.

Bij het begrijpen van de enorme hoeveelheid informatie verpakt in een ijskern, wetenschappers staan ​​voor een forensische uitdaging:hoe de nuttige informatie het beste te scheiden van de corrupte.

Een nieuw artikel gepubliceerd in het tijdschrift Entropie laat zien hoe tools uit de informatietheorie, een tak van complexiteitswetenschap, kan deze uitdaging aangaan door snel in te spelen op delen van de gegevens die nader onderzoek vereisen.

"Met dit soort gegevens we hebben beperkte mogelijkheden om het goed te doen, " zegt Joshua Garland, een wiskundige aan het Santa Fe Institute die werkt met 68, 000 jaar aan gegevens van de West-Antarctische ijskap Verdeel ijskern. "Voor het extraheren van het ijs en het verwerken van de gegevens zijn honderden mensen nodig, en tonnen verwerking en analyse. Vanwege de beperkte middelen, replicakernen zijn zeldzaam. "

Tegen de tijd dat Garland en zijn team de gegevens te pakken kregen, er waren meer dan 10 jaar verstreken vanaf het eerste boren van de ijskern tot de publicatie van de dataset die het bevatte. De ijskern van twee mijl werd gewonnen over vijf seizoenen van 2007-2012, door teams van de meerdere universiteiten gefinancierd door de National Science Foundation. Vanuit het veldkamp in West-Antarctica, de kern was verpakt, vervolgens verscheept naar de National Science Foundation Ice Core Facility in Colorado, en ten slotte naar de Universiteit van Colorado. In het Stable Isotope Lab van het Institute of Arctic and Alpine Research, een ultramoderne verwerkingsfaciliteit hielp wetenschappers om waterisotopenrecords uit het ijs te halen.

Het resultaat is een zeer opgeloste, complexe dataset. In vergelijking met eerdere ijskerngegevens, die elke 5 centimeter analyse mogelijk maakte, de WAIS Divide-kern maakt analyse op millimeterresolutie mogelijk.

"Een van de opwindende dingen aan ijskernonderzoek in het afgelopen decennium is dat we deze laboratoriumsystemen hebben ontwikkeld om het ijs in hoge resolutie te analyseren, " zegt Tyler Jones, een paleoklimatoloog aan de Universiteit van Colorado Boulder. "Een tijdje geleden waren we beperkt in ons vermogen om het klimaat te analyseren omdat we niet genoeg datapunten konden krijgen, of als we konden, zou het te lang duren. Deze nieuwe technieken hebben ons miljoenen datapunten opgeleverd, wat nogal moeilijk te beheren en te interpreteren is zonder een aantal nieuwe ontwikkelingen in onze [gegevens]verwerking."

In eerdere kernen, Garland merkt op dat decennia, zelfs eeuwen, samengevoegd tot één punt. De WAIS-gegevens, daarentegen, geeft soms meer dan veertig datapunten per jaar. Maar naarmate wetenschappers de gegevens op kortere tijdschalen gaan analyseren, zelfs kleine afwijkingen kunnen problematisch zijn.

"Naarmate fijnmazige gegevens beschikbaar komen, fijnmazige analyses kunnen worden uitgevoerd, " merkt Garland op. "Maar het maakt de analyse ook vatbaar voor fijnmazige anomalieën."

Om snel vast te stellen welke anomalieën nader onderzoek vereisen, het team gebruikt informatietheoretische technieken om te meten hoeveel complexiteit op elk punt in de tijdreeks voorkomt. Een plotselinge piek in de complexiteit kan betekenen dat er ofwel een grote, onverwachte klimaatgebeurtenis, als een supervulkaan, of dat er een probleem was in de gegevens- of gegevensverwerkingspijplijn.

"Dit soort anomalie zou onzichtbaar zijn zonder een zeer gedetailleerde, fijn gemalen, puntsgewijze analyse van de gegevens, die een menselijke expert vele maanden zou kosten om te presteren, " zegt Elizabeth Bradley, een computerwetenschapper aan de University of Colorado Boulder en externe professor aan het Santa Fe Institute. "Hoewel de informatietheorie ons de onderliggende oorzaak van een anomalie niet kan vertellen, we kunnen deze technieken gebruiken om snel de segmenten van de dataset te markeren die door paleoklimaatexperts moeten worden onderzocht."

Ze vergelijkt de ijskerndataset met een Google-zoekopdracht die een miljoen pagina's oplevert. "Het is niet dat je niet door die miljoen pagina's zou kunnen gaan, " zegt Bradley. "Maar stel je voor dat je een techniek had die je zou kunnen wijzen op degenen die potentieel zinvol waren?" Bij het analyseren van grote, gegevenssets uit de echte wereld, informatietheorie kan verschillen in de gegevens opsporen die wijzen op een verwerkingsfout of een significante klimaatgebeurtenis.

in hun Entropie papier, de wetenschappers beschrijven hoe ze informatietheorie gebruikten om een ​​problematisch stuk gegevens uit de oorspronkelijke ijskern te identificeren en te repareren. Hun onderzoek leidde uiteindelijk tot een herbemonstering van de archiefijskern - de langste herbemonstering van een ijskern met hoge resolutie tot nu toe. Toen dat deel van het ijs opnieuw werd bemonsterd en opnieuw verwerkt, het team was in staat om een ​​abnormale piek in entropie op te lossen van ongeveer 5, 000 jaar geleden.

"Het is van vitaal belang om dit gebied goed te krijgen, "Slinger merkt op, "omdat het klimaatinformatie bevat vanaf het begin van de menselijke beschaving."

"Ik denk dat klimaatverandering het meest urgente probleem is waarmee de mensheid ooit te maken heeft gehad, en ijskernen zijn ongetwijfeld de beste gegevens over het klimaat op aarde die honderdduizenden jaren teruggaan, ", zegt Jones. "De informatietheorie helpt ons de gegevens te doorzoeken om er zeker van te zijn dat wat we de wereld in brengen het absoluut beste en meest zekere product is dat we kunnen."