Som hjernen, så breen

Når en isbre kalver i sjøen, kan forskerne se de samme mønstrene som i hjerneimpulser, jordskjelv og andre komplekse og uforutsigbare systemer.
1.7 2011 05:00


Anne Chapuis på Svalbard (Foto: privat)

Hva skjer når en en glasiolog tar med seg en hjerneforsker til Svalbard for å studere hvordan isbreer kalver?

- Det var morsomt og viktig å samarbeide med en forsker som aldri hadde sett en isbre før, sier glasiologen Anne Chapuis på Universitetet for miljø og biovitenskap på Ås.

- Det var første gang jeg har vært med på et slikt tverrfaglig prosjekt, sier Tom Tetzlaff. Han er opprinnelig fysiker, men arbeider nå innenfor feltet beregningorientert nevrovitenskap på samme universitet.

Det som førte henne Chapuis og Tetzlaff sammen, var behovet for å skjønne de kompliserte mønstrene som Chapuis så i data fra over 7000 kalvinger.

- Vi har studert hvor ofte kalvinger av forskjellig størrelse skjer, sier Tetzlaff. Og forskerne fant en dyp sammenheng med blant annet prosesser i jordskorpen, pengemarkeder og nerveimpulser i hjernen.

Forskjellig funksjon – samme struktur.


Tom Tetzlaff (Foto: UMB)

Det som forener de forskjellige prosessene både i og utenfor hjernen, er at de er komplekse på en helt spesiell måte: De er ustabile, i overgangen mellom en tilstand og en annen.

Teoretikerne kaller det for selvorganisert kritikalitet. Praktiske eksempler er alt fra underkjølt vann, ustabile luftmasser, spenninger i jordskorpen nær kontinentalplater, overopphetede børser eller isbretunger som møter havflaten.

Resultatet er plutselig dannelse av iskrystaller, tordenvær, jordskjelv, børskrakk – eller breer som slipper større og mindre isblokker ut i sjøen. De kalver.

Vanskelige å forutsi

Selvorganisert kritikalitet gir opphav til prosesser som er vanskelige å forutsi i detalj. Meteorologene kan ikke spå nøyaktig hvor haglskur og lynnedslag vil ramme. Seismologene kan ikke forutsi når og hvor jordskjelvet vrenger opp bakken. Børsmelgere kunne tjent en formue hvis de bare hadde visst når markedet kollapser.

Og glasiologer kan ikke vite nøyaktig når og hvor en isblokk vil rase ut i sjøen med et vått drønn.

Men likevel kan forskerne se mønstre i kompleksiteten, når de bare tar ett mentalt skritt tilbake og ser skogen framfor bare trær, eller den statistiske helheten framfor de enkelte delene.

Pionerer

Dette har Chapuis og Tetzlaff gjort. Tre somre har de tilbragt i telt nær to isbreer på Svalbard, sammen med et internasjonalt team av fire frivillige fra Universitetet på Svalbard (UNIS).


Feltarbeid på Svalbard (Foto: Anne Chapuis)

- Dette er den første kartleggingen av kalvinger som er så detaljert over så lange tidsrom, dag og natt, sier Tetzlaff.

- Breene ligger om lag 20 kilometer fra forskningsstasjonen på Ny Ålesund, så vi fikk båttransport ut, og slo teltleir i opptil to uker i strekk, sier Chapuis.

Brukte ører og øyne

Hun forteller at det største problemet i starten ikke var nærgående isbjørner, men problemer med å takle skiftordningen og ensformigheten.

- En natt hadde vi snøstorm, og morgenen etter så vi isbjørnspor like ved leire, forteller hun. Noe mer av det lunefulle rovdyret opplevde de ikke. Men så hadde de også med seg den lokale vaktbikkja Imjak, som var vant med å varsle hvite bamser.

Et annet problem var selve registreringen. Det viste seg snart at tekniske hjelpemidler var til liten nytte.

- Det var umulig å skille vindstøy i mikrofonen fra lydene av kalvingen, og kameraene hadde ikke høy nok oppløsning, sier Chapuis.

- Dessuten var det kaldt, og batteriene holdt ikke lenge nok.

Resultatet ble at kalvingene måtte klassifiseres der og da, med oppmerksomme øyne og ører.

Ofte var lyden en viktig indikator på størrelsen. Kalvingene kunne ikke alltid sees, men en lang rumling betød en større kalving enn et kortere smell.

- Det er som når en skyskraper faller ned, sier Tetzlaff.

Lukket system

Etter til sammen 20 døgn med observasjoner hadde de to forskerne data som skal bli til en artikkel i et fagblad. Resultatene er foreløpige, understreker begge. Likevel gir de interessant innsikt i isbreens indre liv.

For den sentrale konklusjonen er: Isbreen kan sees som et komplisert, lukket system. Det som skjer når breen spytter større og mindre isblokker ut i vannet, er resultatet av ustabile prosesser, av organisert kritikalitet.

Sagt på en annen måte: Isbreen lever sitt indre liv og utvikler sitt komplekse kalvemønster uten at ytre påvirkning er nødvendig.

Fallende kurve

Chapuis og Tetzlaff har laget en matematisk modell som simulerer dette mønsteret. Og ut av modellen kommer en kurve som går igjen i de fleste slike komplekse systemer.

- De større kalvingene er sjeldere, mens de små kalvingene skjer oftere, sier Chapuis.


Rød kurve illustrerer hvordan hyppigheten avtar når tilfeldighetene får rå. Blå kurve illustrerer den karakteristiske “lange halen” som gir flere større hendelser når kompleks indre dynamikk adlyder den såkalte “power law”. (figur: Tom Tetzlaff)

Dette kalles på engelsk “power law”, og går igjen i alt fra jordskjelv til børskrakk. De store hendelsene er sjeldnere enn de små, og følger en buet, fallende kurve.

En lignende fallende bue er også typisk for tilfeldige prosesser. Det er for eksempel færre som får sju rette i lotto enn seks rette, og så videre.

Men “power law” gir flere “sju rette” enn tilfeldighetene skulle tilsi. Breen kalver altså oftere store isblokker når den adlyder “power law”.

- Power law har en karakteristisk “lang hale” av større hendelser. Hyppigheten på dem avtar overraskende langsomt. Med andre ord, de virkelig store hendelsene er sjeldne, men de vil skje før eller siden, sier Tetzlaff.

Kurven er heller ikke lik for alle breer. Noen isbreer er mer ustabile enn andre. De har forholdsvis flere av de store kalvingene, og færre av de små. Resultatet er at disse breene trekker seg raskere tilbake.

Forenklet modell

- Modellen vår viser at hvis temperaturen går opp, så vil nettopp dette skje, sier Tetzlaff. Han understreker likevel at dette bare er en forenklet modell.

- Vi trenger flere observasjoner over lengre tidsrom der gjennomsnittstemperaturen varierer for å se om modellen stemmer i praksis, om høyere temperatur faktisk gir mer ustabile breer i tilbakegang, sier han.

- Breen kan også trekke seg tilbake fordi det rent tilfeldig er en opphopning av større kalvinger i et kortere tidsrom, supplerer Chapuis.

Forsker Grand Prix

- Hovedmotivasjonen min er å bevare så mye vill natur som mulig. Jeg håper å oppnå dette gjennom forskningen min og ved å kommunisere den til publikum, sier hun.

Og dette siste har hun klart bra. I slutten av september går Chapuis videre til semifinalen i Forsker Grand Prix, som avholdes under forskningsdagene i Oslo.

Her skal doktorgradstipendiater i løpet av fire minutter klare å pirre hjernene til publikum med underholdende kunnskap om mange temaer – blant annet den dype sammenheng mellom hjerner og isbreenes indre liv.
 

forskning.no ønsker en åpen og saklig debatt. Vi forbeholder oss retten til å fjerne innlegg. Du må bruke ditt fulle navn. Vis regler

Regler for leserkommentarer på forskning.no:

  1. Diskuter sak, ikke person. Det er ikke tillatt å trakassere navngitte personer eller andre debattanter.
  2. Rasistiske og andre diskriminerende innlegg vil bli fjernet.
  3. Vi anbefaler at du skriver kort.
  4. forskning.no har redaktøraransvar for alt som publiseres, men den enkelte kommentator er også personlig ansvarlig for innholdet i innlegget.
  5. Publisering av opphavsrettsbeskyttet materiale er ikke tillatt. Du kan sitere korte utdrag av andre tekster eller artikler, men husk kildehenvisning.
  6. Alle innlegg blir kontrollert etter at de er lagt inn.
  7. Du kan selv melde inn innlegg som du mener er upassende.
  8. Du må bruke fullt navn. Anonyme innlegg vil bli slettet.

Annonse

Om forskningen

Forskningen til Anne Chapuis og Tom Tetzlaff ble støttet av Forskningsrådet og Svalbard Science Forum.

Simuleringer av modell-isbreen ble gjennomført med neural nettverks-simulatoren NEST.