La storia del nostro clima è scritta nel ghiaccio. Leggerlo è una questione di decifrare i complessi segnali estratti da decine di migliaia di anni di isotopi accumulati congelati miglia sotto la superficie dell'Antartide.

Quando si dà un senso all'enorme quantità di informazioni racchiuse in un nucleo di ghiaccio, gli scienziati devono affrontare una sfida forense:il modo migliore per separare le informazioni utili da quelle corrotte.

Un nuovo articolo pubblicato sulla rivista entropia mostra come gli strumenti della teoria dell'informazione, una branca della scienza della complessità, può affrontare questa sfida puntando rapidamente su parti dei dati che richiedono ulteriori indagini.

"Con questo tipo di dati, abbiamo opportunità limitate per farlo bene, "dice Joshua Garland, un matematico del Santa Fe Institute che lavora con 68, 000 anni di dati dalla calotta glaciale dell'Antartico occidentale Divide il nucleo di ghiaccio. "L'estrazione del ghiaccio e l'elaborazione dei dati richiedono centinaia di persone, e tonnellate di elaborazione e analisi. A causa di vincoli di risorse, i core replicati sono rari. "

Quando Garland e il suo team sono entrati in possesso dei dati, sono trascorsi più di 10 anni dalla perforazione iniziale della carota di ghiaccio alla pubblicazione del set di dati in essa contenuto. La carota di ghiaccio di due miglia è stata estratta in cinque stagioni dal 2007 al 2012, da team delle molteplici università finanziate dalla National Science Foundation. Dal campo in Antartide occidentale, il nucleo è stato confezionato, poi spedito alla National Science Foundation Ice Core Facility in Colorado, e infine all'Università del Colorado. Presso lo Stable Isotope Lab dell'Istituto di ricerca artica e alpina, un impianto di elaborazione all'avanguardia ha aiutato gli scienziati a estrarre i record di isotopi dell'acqua dal ghiaccio.

Il risultato è una soluzione altamente risolta, insieme di dati complessi. Rispetto ai precedenti dati sulle carote di ghiaccio, che ha consentito l'analisi ogni 5 centimetri, il nucleo WAIS Divide consente l'analisi con una risoluzione millimetrica.

"Una delle cose più entusiasmanti della ricerca sulle carote di ghiaccio nell'ultimo decennio è che abbiamo sviluppato questi sistemi di laboratorio per analizzare il ghiaccio in alta risoluzione, "dice Tyler Jones, un paleoclimatologo presso l'Università del Colorado Boulder. "Molto tempo fa eravamo limitati nella nostra capacità di analizzare il clima perché non riuscivamo a ottenere abbastanza dati, o se potessimo ci vorrebbe troppo tempo. Queste nuove tecniche ci hanno fornito milioni di punti dati, che è piuttosto difficile da gestire e interpretare senza alcuni nuovi progressi nella nostra elaborazione [dei dati]."

Nei nuclei precedenti, Garland osserva che decenni, anche secoli, sono stati aggregati in un unico punto. I dati WAIS, al contrario, a volte fornisce più di quaranta punti dati all'anno. Ma mentre gli scienziati si muovono per analizzare i dati su scale temporali più brevi, anche piccole anomalie possono essere problematiche.

"Man mano che i dati a grana fine diventano disponibili, possono essere eseguite analisi a grana fine, " osserva Garland. "Ma rende anche l'analisi suscettibile di anomalie a grana fine".

Per identificare rapidamente quali anomalie richiedono ulteriori indagini, il team utilizza tecniche teoriche dell'informazione per misurare quanta complessità appare in ogni punto della sequenza temporale. Un picco improvviso nella complessità potrebbe significare che c'era o un importante, evento climatico inaspettato, come un super vulcano, o che si è verificato un problema nei dati o nella pipeline di elaborazione dei dati.

"Questo tipo di anomalia sarebbe invisibile senza un'analisi altamente dettagliata, a grana fine, analisi punto per punto dei dati, che un esperto umano impiegherebbe molti mesi per eseguire, "dice Elizabeth Bradley, un informatico presso l'Università del Colorado Boulder e professore esterno presso il Santa Fe Institute. "Anche se la teoria dell'informazione non può dirci la causa sottostante di un'anomalia, possiamo usare queste tecniche per contrassegnare rapidamente i segmenti del set di dati che dovrebbero essere studiati da esperti di paleoclima".

Confronta il set di dati del nucleo di ghiaccio con una ricerca su Google che restituisce un milione di pagine. "Non è che tu non possa passare attraverso quei milioni di pagine, "dice Bradley. "Ma immagina se avessi una tecnica che potrebbe indirizzarti verso quelle potenzialmente significative?" Quando si analizzano grandi, set di dati del mondo reale, la teoria dell'informazione può individuare differenze nei dati che segnalano un errore di elaborazione o un evento climatico significativo.

nella loro entropia carta, gli scienziati spiegano in dettaglio come hanno usato la teoria dell'informazione per identificare e riparare un tratto problematico di dati dal nucleo di ghiaccio originale. La loro indagine alla fine ha portato a un ricampionamento del nucleo di ghiaccio d'archivio, il più lungo ricampionamento di un nucleo di ghiaccio ad alta risoluzione fino ad oggi. Quando quella porzione di ghiaccio è stata ricampionata e rielaborata, il team è stato in grado di risolvere un picco anomalo di entropia da circa 5, 000 anni fa.

"È di vitale importanza per ottenere questa zona a destra, "Note di ghirlanda, "perché contiene informazioni sul clima dagli albori della civiltà umana".

"Penso che il cambiamento climatico sia il problema più urgente che l'umanità abbia mai affrontato, e le carote di ghiaccio sono senza dubbio la migliore registrazione del clima terrestre che risale a centinaia di migliaia di anni fa, " afferma Jones. "La teoria dell'informazione ci aiuta a vagliare i dati per assicurarci che ciò che stiamo diffondendo nel mondo sia il prodotto migliore e più certo possibile in assoluto".