Hvordan observasjoner kan avdekke årsak-virkning i naturen

I mange fagdisipliner jobber man med naturfenomener som kan observeres og måles over tid. Fra disse målingene – tidsserier – vil man gjerne finne ut hvordan ulike komponenter i systemet påvirker hverandre. Er det fenomen X som driver fenomen Y, er det motsatt, eller eksisterer det ingen kobling mellom dem? Den tradisjonelle måten å angripe dette spørsmålet på er å lage matematiske modeller som kan reprodusere tidsseriene. I mange tilfeller er derimot modellering vanskelig eller umulig, enten fordi systemet er for komplekst eller fordi man ikke har nok observasjoner til modellvalidering. Klimasystemet er et godt eksempel på et ekstremt komplekst system.

Temaet for doktorgradsavhandlingen min var derfor å utvikle robuste numeriske metoder som kan si noe om interaksjonen mellom fenomener, basert kun på dynamisk informasjon i observerte tidsserier – uten å anta noe om hvordan systemet fungerer.

I avhandlingen min introduserer jeg et nytt analytisk rammeverk – prediktiv asymmetri – som på en robust måte kan kvantifisere at det eksisterer en kobling (kausalitet) mellom fenomener, kun basert på tidsserier. Metoden er matematisk garantert å plukke opp viktige egenskaper ved det dynamiske systemet som tidsseriene kommer fra, og er derfor et stort fremskritt sammenlignet med flere eksisterende kausalitetsdeteksjonsteknikker der dette ikke er eksplisitt bevist. Vi har validert metoden med numeriske tester på hundretusenvis av kunstige dynamiske systemer der vi kjenner fasiten – hva som påvirker hva – og på ekte systemer der vi kjenner årsaksforholdene. Testene viser at metoden er et robust verktøy for kausalitetsdeteksjon på tvers av fagdisipliner.

I avhandlingen min benytter jeg denne metoden, samt eksisterende kausalitetsdeteksjonsmetoder, til å blant annet forstå effekten av atmosfærisk CO₂ og solinnstråling på globalt havnivå de siste 800 tusen år.

Personalia

Kristian Agasøster Haaga (1989) er født og oppvokst på vestlandet, og har tidligere fullført bachelorgrad og mastergrad i geokjemi ved Universitetet i Bergen, fra 2009 til 2014. Siden april 2015 har han arbeidet med doktorgraden ved Institutt for geovitenskap, Universitetet i Bergen, på «Earth System Interactions and Information Transfer»-prosjektet finansiert av Trond Mohn stiftelse, under veiledning av førsteamanuensis Bjarte Hannisdal (UiB), ph.d. David Diego og forsker Jo Brendryen (UiB).