氣候歷史是用冰書寫的，要解讀它就需要破譯從南極表面以下數英里處積累了數萬年的同位素中提取複雜信號。當科學家們弄清楚冰芯中蘊含的大量信息時，他們面臨著一個法醫難題：如何最好地將有用的信息與腐敗分子區分開來。發表在《熵》(Entropy)上的一篇新論文展示了來自複雜性科學分支信息論(information theory)工具如何通過快速鎖定需要進一步研究的部分數據來應對這一挑戰。聖達菲研究所(Santa Fe Institute)數學家約書亞·加蘭(Joshua Garland)說：有了這樣的數據，得到正確答案的機會是有限的，提取冰並處理數據需要數百人，以及數以噸計的處理和分析，由於資源限制，複製核心很少。
博科園-科學科普：加蘭德和他的團隊拿到這些數據時，從最初的冰核鑽探到發佈數據集已經過去了10多年。這個兩英里長的冰核是由美國國家科學基金會(National Science Foundation)資助的多所大學的團隊在2007-2012年的五個季節裡提取出來。從南極西部的野外營地，冰芯被打包，然後運往科羅拉多州的國家科學基金會冰芯設施，最後運往科羅拉多大學。在北極和高山研究所(Institute of Arctic and Alpine Research)的穩定同位素實驗室(Stable同位素Lab)，一個最先進的處理設備幫助科學家從冰層中提取水同位素記錄。結果是一個高分辨率、複雜的數據集。與之前每5釐米進行一次分析的冰芯數據相比，WAIS分割巖芯可以進行毫米分辨率的分析。
南極西部冰核的一部分，圖片：National Science Foundation
科羅拉多大學博爾德分校(University of Colorado Boulder)的古氣候學家泰勒•瓊斯(Tyler Jones)表示：過去10年，冰核研究令人興奮的一點是，開發了這些實驗室系統，以高分辨率分析冰。很久以前分析氣候的能力是有限的，因為我們無法獲得足夠的數據點，或者如果我們能得到數據點，那就需要很長時間。這些新技術為我們提供了數以百萬計的數據點，如果我們的(數據)處理沒有一些新進展，這些數據點很難管理和解釋。在之前的核心中，Garland注意到幾十年，甚至幾百年，被聚合成一個點。相比之下，WAIS數據有時每年提供40多個數據點。但是隨著科學家們在更短的時間尺度上分析數據，即使是很小的異常也可能成為問題。
隨著細粒度數據變得可用，可以執行細粒度分析，但它也使分析容易受到細粒度異常的影響。為了快速識別哪些異常需要進一步研究，該團隊使用信息理論技術來測量時間序列中每個點出現的複雜性。複雜性的突然激增可能意味著要麼發生了重大的、意想不到的氣候事件，比如超級火山爆發，要麼數據或數據處理管道出現了問題。科羅拉多大學博爾德分校(University of Colorado Boulder)計算機科學家、聖達菲研究所(Santa Fe Institute)外部教授伊麗莎白•布拉德利(Elizabeth Bradley)表示:“如果沒有對數據進行非常詳細、細緻、逐點的分析，這種異常是看不見的，而這需要一位人類專家花費數月時間來完成。
儘管信息論不能告訴我們異常的根本原因，但我們可以使用這些技術快速標記出應該由古氣候專家調查的數據集的各個部分。她將ice core數據集與一個返回100萬頁的谷歌搜索進行了比較，布拉德利說：這並不是說你不能讀完那幾百萬頁。”但想象一下，如果你有一種技術，可以讓你找到那些可能有意義的東西？在分析大型真實數據集時，信息論可以發現數據中的差異，這些差異可能是處理錯誤的信號，也可能是重大氣候事件的信號。
在他們的論文中，科學家們詳細描述了他們如何使用信息論來識別和修復來自原始冰核的一段有問題的數據。他們的調查最終促使了對存檔的冰芯重新採樣——這是迄今為止對高分辨率冰芯重新採樣時間最長的一次。當這部分冰被重新取樣和處理後，研究小組能夠解決大約5000年前熵的異常峰值。對這一地區的開發至關重要，因為它包含了人類文明初期的氣候信息。瓊斯說：我認為氣候變化是人類面臨的最緊迫的問題，而冰芯無疑是幾十萬年前地球氣候的最佳記錄，信息論幫助我們篩選數據，以確保我們向世界推出的產品絕對是最好、最確定的。
博科園-科學科普｜研究/來自：聖達菲研究所
參考期刊文獻:《Entropy》
論文DOI: 10.3390/e20120931
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