Earth System Interactions and Information Transfer

Jorden blir ofte beskrevet som et komplekst "geosystem" av ulike komponenter (litosfære-hydrosfære-atmosfære-biosfære) som er sammenkoblet og som utvikler seg over tid. Dersom vi tar dette konseptet på alvor, hvordan går vi da frem for å teste årsakshypoteser på grunnlag av geologiske observasjoner fra jordens dype fortid? I dette prosjektet bruker vi kunnskap fra dynamiske systemer og informasjonsteori til å utvikle og teste nye, modellfrie metoder for å finne årsakssammenhenger i geologiske data. Et av de viktigste resultatene av dette prosjektet er en ny fremgangsmåte for beregning av rettet informasjonsstrømning (transfer entropy), mellom observerte tidsserier. Denne metoden kan brukes til å teste årsakshypoteser i komplekse systemer der mekanismene er helt eller delvis ukjent, uten å ty til modellering. Vår nye fremgangsmåte gjør metoden mer anvendbar på ufullstendige geologiske data med mye usikkerhet. Vi vil publisere metodearbeidet i løpet av 2018, og programvare gjøres tilgjengelig på prosjektets nettsider: http://www.earthsystemevolution.com/ I prosjektperioden har vi fullført flere studier der vi anvender denne typen modellfrie metoder for å teste årsakshypoteser i jordens dype fortid. Vi har vist at klimaendringer har vært et dynamisk pådriv for globale endringer i planktoniske økosystemer gjennom de siste 65 millioner år. Dette tverrfaglige arbeidet retter søkelyset på et viktig problem: hvordan har biosfæren blitt påvirket av langsiktige miljøendringer? Vi har også pekt på problemer med den utstrakte bruken av geologiske formasjoner til å "korrigere" ufullstendige fossildata med det formål å rekonstruere fortidens biologiske mangfold. En forbedret praksis vil være av stor betydning for hvordan vi rekonstruerer og tolker livets historie ved hjelp av fossiler. Vi har også studert hvordan solinnstråling har påvirket dynamiske endringer i globalt havnivå (isvolum) over gjentatte istider og mellomistider de siste 800 tusen år. Vi viser at sommerenergien (integrert solinnstråling gjennom sommeren) ved forskjellige breddegrader har vært et dynamisk pådriv for klimavariabiliteten gjennom istidene. I tillegg til det klassiske Milankovitch-pådrivet ved nordlige breddegrader viser vi at også andre breddegrader kan ha spilt en viktig dynamisk rolle i globale isvolumvariasjoner. Vi vil fortsette å gjøre nye resultater, metoder og programvare åpent tilgjengelig på prosjektets nettsider: http://www.earthsystemevolution.com/

Earth scientists increasingly recognize our planet as a complex system of interactions among physical, chemical, and biological components. However, our ability to study Earth system interactions, based on the incompletely preserved rock record, is challe nged by the complexity of the system, as well as by limitations in both data and models. This project will combine innovative method development with analyses of geological records to confront these challenges. Information-theoretic techniques can quantif y the strength and directionality of coupling among components in a complex system, without making mechanistic assumptions. Such methods hold great promise for geological data analysis, but to fulfill this promise, several technical issues need to be addr essed, including protocols for data pre-processing and surrogate data methods, as well as open-source software implementation. Geological records of Earth system components stretch back more than 3 billion years, providing information on tectonics, biogeo chemical cycling, biotic macroevolution, and climate changes. This project will seek quantitative evidence for drive-response interactions among such records, on multiple time scales. With its data-driven, rigorous approach to testing causal hypotheses in deep time, this project will have potentially wide implications for our understanding of Earth system interactions, their importance in global environmental changes, and their role in the evolution of the biosphere.