Vårt klimats historia är skriven i is. Att läsa det handlar om att dechiffrera de komplexa signalerna som dras från tiotusentals år av ackumulerade isotoper frusna miles under ytan av Antarktis.

När man känner till den enorma mängden information som packas in i en iskärna, forskare står inför en rättsmedicinsk utmaning:hur man bäst skiljer den användbara informationen från den korrupta.

En ny artikel publicerad i tidningen Entropi visar hur verktyg från informationsteori, en gren av komplexitetsvetenskap, kan hantera denna utmaning genom att snabbt ta del av delar av data som kräver ytterligare undersökning.

"Med den här typen av data, vi har begränsade möjligheter att göra det rätt, "säger Joshua Garland, en matematiker vid Santa Fe Institute som arbetar med 68, 000 års data från den västra antarktiska isbanan Dela iskärnan. "Att extrahera isen och bearbeta data tar hundratals människor, och massor av bearbetning och analys. På grund av resursbegränsningar, replikera kärnor är sällsynta. "

När Garland och hans team fick tag på uppgifterna, mer än 10 år hade gått från den första borrningen av iskärnan till publiceringen av datauppsättningen som den innehöll. Den två mil långa iskärnan extraherades under fem säsonger 2007-2012, av lag från flera universitet som finansieras av National Science Foundation. Från fältlägret i västra Antarktis, kärnan var förpackad, skickades sedan till National Science Foundation Ice Core Facility i Colorado, och slutligen till University of Colorado. På Stable Isotope Lab vid Institute of Arctic and Alpine Research, en toppmodern bearbetningsanläggning hjälpte forskare att dra isotoprekord från isen.

Resultatet är ett mycket löst, komplex datauppsättning. Jämfört med tidigare iskärndata, som tillät analys var 5 centimeter, WAIS Divide -kärnan tillåter analys vid millimeterupplösning.

"En av de spännande sakerna med iskärnforskning under det senaste decenniet är att vi har utvecklat dessa labbsystem för att analysera isen i hög upplösning, "säger Tyler Jones, en paleoklimatolog vid University of Colorado Boulder. "För ett tag sedan var vi begränsade i vår förmåga att analysera klimat eftersom vi inte kunde få tillräckligt med datapunkter, eller om vi kunde skulle det ta för lång tid. Dessa nya tekniker har gett oss miljontals datapunkter, vilket är ganska svårt att hantera och tolka utan några nya framsteg i vår [data] behandling. "

I tidigare kärnor, Garland noterar att årtionden, även århundraden, sammanställdes till en enda punkt. WAIS -data, däremot, ger ibland mer än fyrtio datapunkter per år. Men när forskare går för att analysera data på kortare tidsskalor, även små avvikelser kan vara problematiska.

"När finkorniga data blir tillgängliga, finkorniga analyser kan utföras, "Garland noterar." Men det gör också analysen mottaglig för finkorniga avvikelser. "

För att snabbt identifiera vilka avvikelser som kräver ytterligare undersökning, laget använder informationsteoretiska tekniker för att mäta hur mycket komplexitet som visas vid varje punkt i tidssekvensen. En plötslig stigning i komplexiteten kan innebära att det antingen fanns en stor, oväntad klimathändelse, som en super vulkan, eller att det fanns ett problem i data- eller databehandlingsrörledningen.

"Denna typ av anomali skulle vara osynlig utan en mycket detaljerad finkornig, punkt-för-punkt-analys av data, vilket skulle ta en mänsklig expert många månader att utföra, "säger Elizabeth Bradley, datavetare vid University of Colorado Boulder och extern professor vid Santa Fe Institute. "Även om informationsteorin inte kan berätta för oss den underliggande orsaken till en anomali, Vi kan använda dessa tekniker för att snabbt flagga segmenten i datamängden som bör undersökas av paleoklimat -experter. "

Hon jämför is -kärnuppsättningen med en Google -sökning som returnerar en miljon sidor. "Det är inte så att du inte kunde gå igenom de miljoner sidorna, "Säger Bradley." Men tänk om du hade en teknik som kunde peka dig mot de som potentiellt var meningsfulla? "När du analyserar stora, verkliga datauppsättningar, informationsteori kan upptäcka skillnader i data som antingen signalerar ett behandlingsfel eller en betydande klimathändelse.

I deras Entropi papper, forskarna beskriver hur de använde informationsteori för att identifiera och reparera en problematisk datasträcka från den ursprungliga iskärnan. Deras undersökning föranledde så småningom en omprovning av arkiviskernen-den längsta omprovningen av en högupplöst iskärna hittills. När den delen av isen omprovades och omarbetades, laget kunde lösa en avvikande topp i entropi från ungefär 5, 000 år sedan.

"Det är oerhört viktigt att få detta område rätt, "Girland noterar, "för att den innehåller klimatinformation från den mänskliga civilisationens gryning."

"Jag tror att klimatförändringar är det mest angelägna problemet någonsin för mänskligheten, och iskärnor är utan tvekan den bästa registreringen av jordens klimat som går tillbaka hundratusentals år, "säger Jones." Informationsteorin hjälper oss att bläddra igenom data för att se till att det vi lägger ut i världen är den absolut bästa och mest säkra produkten vi kan. "