气候历史是用冰书写的，要解读它就需要破译从南极表面以下数英里处积累了数万年的同位素中提取复杂信号。当科学家们弄清楚冰芯中蕴含的大量信息时，他们面临着一个法医难题：如何最好地将有用的信息与腐败分子区分开来。发表在《熵》(Entropy)上的一篇新论文展示了来自复杂性科学分支信息论(information theory)工具如何通过快速锁定需要进一步研究的部分数据来应对这一挑战。圣达菲研究所(Santa Fe Institute)数学家约书亚·加兰(Joshua Garland)说：有了这样的数据，得到正确答案的机会是有限的，提取冰并处理数据需要数百人，以及数以吨计的处理和分析，由于资源限制，复制核心很少。
博科园-科学科普：加兰德和他的团队拿到这些数据时，从最初的冰核钻探到发布数据集已经过去了10多年。这个两英里长的冰核是由美国国家科学基金会(National Science Foundation)资助的多所大学的团队在2007-2012年的五个季节里提取出来。从南极西部的野外营地，冰芯被打包，然后运往科罗拉多州的国家科学基金会冰芯设施，最后运往科罗拉多大学。在北极和高山研究所(Institute of Arctic and Alpine Research)的稳定同位素实验室(Stable同位素Lab)，一个最先进的处理设备帮助科学家从冰层中提取水同位素记录。结果是一个高分辨率、复杂的数据集。与之前每5厘米进行一次分析的冰芯数据相比，WAIS分割岩芯可以进行毫米分辨率的分析。
南极西部冰核的一部分，图片：National Science Foundation
科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado Boulder)的古气候学家泰勒•琼斯(Tyler Jones)表示：过去10年，冰核研究令人兴奋的一点是，开发了这些实验室系统，以高分辨率分析冰。很久以前分析气候的能力是有限的，因为我们无法获得足够的数据点，或者如果我们能得到数据点，那就需要很长时间。这些新技术为我们提供了数以百万计的数据点，如果我们的(数据)处理没有一些新进展，这些数据点很难管理和解释。在之前的核心中，Garland注意到几十年，甚至几百年，被聚合成一个点。相比之下，WAIS数据有时每年提供40多个数据点。但是随着科学家们在更短的时间尺度上分析数据，即使是很小的异常也可能成为问题。
随着细粒度数据变得可用，可以执行细粒度分析，但它也使分析容易受到细粒度异常的影响。为了快速识别哪些异常需要进一步研究，该团队使用信息理论技术来测量时间序列中每个点出现的复杂性。复杂性的突然激增可能意味着要么发生了重大的、意想不到的气候事件，比如超级火山爆发，要么数据或数据处理管道出现了问题。科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado Boulder)计算机科学家、圣达菲研究所(Santa Fe Institute)外部教授伊丽莎白•布拉德利(Elizabeth Bradley)表示:“如果没有对数据进行非常详细、细致、逐点的分析，这种异常是看不见的，而这需要一位人类专家花费数月时间来完成。
尽管信息论不能告诉我们异常的根本原因，但我们可以使用这些技术快速标记出应该由古气候专家调查的数据集的各个部分。她将ice core数据集与一个返回100万页的谷歌搜索进行了比较，布拉德利说：这并不是说你不能读完那几百万页。”但想象一下，如果你有一种技术，可以让你找到那些可能有意义的东西？在分析大型真实数据集时，信息论可以发现数据中的差异，这些差异可能是处理错误的信号，也可能是重大气候事件的信号。
在他们的论文中，科学家们详细描述了他们如何使用信息论来识别和修复来自原始冰核的一段有问题的数据。他们的调查最终促使了对存档的冰芯重新采样——这是迄今为止对高分辨率冰芯重新采样时间最长的一次。当这部分冰被重新取样和处理后，研究小组能够解决大约5000年前熵的异常峰值。对这一地区的开发至关重要，因为它包含了人类文明初期的气候信息。琼斯说：我认为气候变化是人类面临的最紧迫的问题，而冰芯无疑是几十万年前地球气候的最佳记录，信息论帮助我们筛选数据，以确保我们向世界推出的产品绝对是最好、最确定的。
博科园-科学科普｜研究/来自：圣达菲研究所
参考期刊文献:《Entropy》
论文DOI: 10.3390/e20120931
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