Entropy, 15(11), 4844–4888p. (2013) DOI:10.3390/e15114844

Statistical Mechanics and Information-Theoretic Perspectives on Complexity in the Earth System

G. Balasis, R. V. Donner, S. M. Potirakis, J. Runge, C. Papadimitriou, I. A. Daglis, K. Eftaxias, J. Kurths

This review provides a summary of methods originated in (non-equilibrium) statistical mechanics and information theory, which have recently found successful applications to quantitatively studying complexity in various components of the complex system Earth. Specifically, we discuss two classes of methods: (i) entropies of different kinds (e.g., on the one hand classical Shannon and Rényi entropies, as well as non-extensive Tsallis entropy based on symbolic dynamics techniques and, on the other hand, approximate entropy, sample entropy and fuzzy entropy); and (ii) measures of statistical interdependence and causality (e.g., mutual information and generalizations thereof, transfer entropy, momentary information transfer). We review a number of applications and case studies utilizing the above-mentioned methodological approaches for studying contemporary problems in some exemplary fields of the Earth sciences, highlighting the potentials of different techniques.

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