Na planecie takiej jak Ziemia, gdy skała i woda przechodzą cykle i zmiany, topią się, ochładzają, erodują i gromadzą się, rozbierane w szerokich dolinach i ułożone w wysokich górach, naturalne zjawiska przeszłości pozostawiają ślady w skorupie planety. Na przykład poprzez wykopywanie starożytnego lodu naukowcy mogą badać uwięzione cząstki i dowiedzieć się o warunkach atmosferycznych miliony lat temu. Studiując minerały magnetyczne osadzone w starożytnej skale, geologowie odkryli, że pole magnetyczne planety odwraca bieguny - średnio raz na 250 000 lat.
Naukowcy mogą dowiedzieć się wiele o Ziemi z geologicznych warstw jej skorupy, ale nawet więcej informacji może być ukrytych w skale. Według geologa i paleontologa Paula Olsena z Columbia University, klucze do historii nie tylko naszej planety, ale także Układu Słonecznego i galaktyki można znaleźć pod naszymi stopami.
W badaniu opublikowanym dzisiaj w Proceedings of National Academy of Science Olsen i współpracownicy twierdzą, że cykle astronomiczne planet można mierzyć w ziemskich warstwach skalnych. Cylindryczne rdzenie skał wydobyte z ziemi, niektóre rozciągające się na tysiące stóp i liczące miliony lat historii, mogą zawierać subtelne ślady wpływu grawitacji innych planet, pozwalając naukowcom wywnioskować historyczne położenie planet setki milionów lat temu .
„To nowy świat danych empirycznych, który pozwala na testowanie teorii wielkiego układu słonecznego” - mówi Olsen. Swój model nazywa Gerere Orrery, nazwany na cześć XVIII-wiecznych modeli mechanicznych Układu Słonecznego. Praca może nie tylko zapewnić niezależny zestaw danych do testowania istniejących modeli ruchu planet, ale także została wykorzystana do ujawnienia cykli orbitalnych, których nigdy wcześniej nie mierzono. Geologiczna Orrery mogłaby nawet zostać wykorzystana jako nowe narzędzie do testowania niektórych najbardziej podstawowych teorii w nauce, takich jak ogólna teoria względności Einsteina, możliwe istnienie dodatkowych planet w starożytnym Układzie Słonecznym, a nawet wpływ grawitacyjny ciemnej materii w Drodze Mlecznej, mówi Olsen.
Geolog Paul Olsen z Arizony w Petrified Forest National Park, gdzie 200-letnie skały pomagają odkryć dawne ruchy innych planet. (Kevin Krajick / Earth Institute, Columbia University) „Ten artykuł jest próbą rozwiązania bardzo trudnego i kłopotliwego problemu dla astronomów i geologów, którzy są zainteresowani historią Układu Słonecznego i jego wpływem na układ Ziemi - klimat, sedymentację itp.” - mówi Spencer Lucas, geolog i paleontolog z Muzeum Historii Naturalnej i Nauki w Nowym Meksyku, który nie brał udziału w badaniu. „Te cykle astronomiczne ewoluowały przez setki milionów lat i w tej ewolucji panuje pewien chaos, więc geologowie i astronomowie zawsze stanowili duże wyzwanie, aby zrozumieć, co się stało z tymi cyklami”.
Warstwy skorupy ziemskiej reprezentują zapis klimatów z przeszłości, na które wpłynęły ruchy niebieskie zwane cyklami Milankovitcha. Nazwany na cześć serbskiego geofizyka i astronoma Milutina Milankowicza, cykle te są wynikiem interakcji grawitacyjnych Ziemi z innymi planetami, które wpływają na trajektorię Ziemi wokół Słońca, w tym kształt jej eliptycznej ścieżki (ekscentryczność), a także nachylenie (nachylenie) i kołysanie (precesja) osi planety.
Zmiany na orbicie Ziemi wpływają na klimat planety, a jak Olsen po raz pierwszy argumentował w artykule z 1986 roku w Science, zapis przeszłych klimatów mógłby zatem zostać wykorzystany do ustalenia pozycji i ruchów innych planet.
Ale po co męczyć się i ponosić koszty kopania ziemnych rdzeni, by sprawdzić trajektorie innych planet? Korzystając z praw mechaniki orbitalnej, naukowcy mogą tworzyć modele matematyczne do badania historii naszego małego słonecznego sąsiedztwa w kosmosie.
Takie modele są jednak do pewnego stopnia niezawodne, mówi Olsen. Żadne proste równania matematyczne z dużym stopniem pewności nie opisują ruchów więcej niż dwóch poruszających się ciał w przestrzeni. Przy ośmiu planetach i Słońcu, nie wspominając o milionach mniejszych ciał w Układzie Słonecznym, astronomowie nie mogą opracować analitycznych rozwiązań opisujących dokładne ruchy planet w odległej przeszłości. Zamiast tego badacze obliczają dawne orbity planet z niewielkim przyrostem naraz. Według pracy Jacquesa Laskara, dyrektora ds. Badań w Obserwatorium Paryskim i współautora nowego artykułu, błędy kumulują się w każdym przedziale czasu, tak że prognozy stają się zasadniczo bezużyteczne po około 60 milionach lat - niezbyt długo w 4, 5 miliarda - roczna historia Układu Słonecznego.
Wcześniejsze modele obliczeniowe Laskara dostarczyły również dowodów, że planety wewnętrzne (Merkury, Wenus, Ziemia i Mars) mogą zachowywać się chaotycznie. Innymi słowy, pozycje tych czterech planet mogą być w dużej mierze determinowane przez warunki początkowe, co czyni ich prawie niemożliwym do przewidzenia wyłącznie na podstawie pozycji i kierunków dzisiaj obserwowanych.
„Te rekordowe zmiany klimatu okazują się być kluczem do zrozumienia, co faktycznie robi Układ Słoneczny”, mówi Olsen.
Rdzeń skalny osadów jeziornych wydobywanych z basenu Newark w środkowej części stanu New Jersey, trwający około 40 000 lat. (Paul Olsen) Wykazanie opłacalności jego Geologicznego Dziedzictwa było życiową pracą miłości do Olsena. W swoim artykule z 1986 r. Przeanalizował rdzenie z mezozoicznej supergrupy Newark - skupiska skał utworzonych około 200–227 milionów lat temu - w środkowej części New Jersey. Skała zawierała zapis wzlotów i upadków jezior zsynchronizowanych z wielkością tropikalnych deszczów monsunowych, które zmieniają się w zależności od różnych ilości światła słonecznego w tropikach określonych przez orbitę i oś obrotu Ziemi.
„W rdzeniach widzimy fizyczne przejawy zmieniającej się głębokości wody”, mówi Olsen za pośrednictwem poczty elektronicznej. „Kiedy jezioro było najgłębsze, może ponad 100 metrów głębokości, osadzały się czarne drobno laminowane błoto, a kiedy było bardzo płytkie, a nawet sezonowo suche, układano czerwone błoto z obfitymi pęknięciami.”
Olsen zastosował analizę Fouriera - metodę reprezentowania złożonych kształtów fal w prostszych składowych sinusoidalnych - aby wykazać, że cykliczne zmiany klimatu Ziemi uwięzione w zapisie geologicznym odpowiadają cyklom Milankovitcha mechaniki niebieskiej. Ale była jedna dziwność.
„Jeden z cykli nie był bezpośrednio związany z niczym znanym w tamtym czasie w cyklach orbitalnych” - mówi Olsen. „Miało około dwóch milionów lat i nie wiedziałem, co to jest”.
Po otrzymaniu grantu National Science Foundation (NSF) w latach 90. XX w. Na wykopanie i analizę prawie 22 600 stóp ciągłych rdzeni z siedmiu miejsc w supergrupie Newark, Olsen i jego koledzy odkryli, że tajemniczy cykl był długim okresem orbitalnym spowodowanym przez interakcje między Marsem a Ziemią. Odkrycie „dostarcza pierwszych geologicznych dowodów chaotycznego zachowania planet wewnętrznych”, Olsen i Dennis Kent, profesor geologii na Rutgers University i współautor nowych badań, napisany w artykule z 1999 roku opublikowanym przez Royal Society.
Aby dalej badać te cykle w rekordowym rocku, Olsen i jego zespół uruchomili projekt Colorado Plateau Coring Project w 2013 r. Z kolejną dotacją NSF. Wywiercili rdzeń o długości ponad 1640 stóp przez triasową część formacji Chinle w parku narodowym Petrified Forest w Arizonie. Rdzeń Chinle zawiera warstwy popiołu wulkanicznego z minerałami cyrkonu, które można datować radiometrycznie.
Instalacja do wydobycia rdzenia z formacji Chinle w Petrified Forest National Park, Arizona. (Paul Olsen) Dzięki dopasowaniu śladów odwrócenia pola magnetycznego Ziemi w rdzeniu próbki formacji Chinle do rdzenia w rdzeniu Newark, naukowcy byli w stanie określić dokładne daty cykli klimatycznych spowodowanych grawitacją innych planet. Ich analiza ujawniła 405 000-letni cykl mechaniki niebieskiej spowodowany przez Jowisza i Wenus, który istniał przez 200 milionów lat, dokładnie tak jak dzisiaj.
W najnowszym artykule Olsen i jego zespół dodali dodatkowe pomiary do swoich modeli, wykorzystując stratygraficzną skalę kolorów do badania próbki rdzenia, a także pomiary geofizyczne otworu rdzenia (zmierzono naturalną radioaktywność, gęstość skały i prędkość dźwięku ). Zespół przeskanował również jądro w poszukiwaniu danych fluorescencji rentgenowskiej, aby dokładnie przeanalizować wszystkie cykle astronomiczne widoczne w formacji Newark.
Bez względu na to, jakie pomiary zastosowano, w skale zidentyfikowano te same wpływy planetarne. „To naprawdę ekscytujące widzieć, jak te rzeczy się sprawdzają. Daje poczucie rzeczywistości… kiedy tak wiele nieprawdopodobnych rzeczy się sprawdza ”, mówi Olsen. „To naprawdę niesamowite.”
Chociaż Geological Orrery ma potencjalnie daleko idące implikacje badawcze, śmiały pomysł Olsena spotkał się z pewnym sceptycyzmem. Jego modele próbują uwzględnić nadzwyczajną liczbę czynników w celu powiązania rekordu skalnego z wpływem innych planet na klimat Ziemi (złożony system sam w sobie).
Lucas nazywa ten projekt „bardzo złożonym domem z kart, który nie opiera się na solidnych podstawach naukowych”. Mówi, że istnieją luki w formacji Newark, więc nie jest to kompletna chronologia 25-letniego okresu, który ma Olsen grupa badana. (Olsen i Kent jednak użyli datowania ołowiu uranu w badaniu w zeszłym roku i stwierdzili, że zapis geologiczny w sekwencji Newark jest kompletny w odpowiednim przedziale czasowym.) Zapis Chinle również jest niepełny, mówi Lucas, ponieważ został złożony przez rzeki i wskaźniki sedymentacji są „bardzo różne” między dwiema sekcjami, co utrudnia użycie Chinle do rzetelnej kalibracji dat w skale Newark.
Nawet Charles Darwin ubolewał nad niekompletnością zapisu geologicznego, a geolodzy powszechnie akceptują, że zapis zawiera luki lub, mówiąc w języku naukowym, „niezgodności”. Podstawowym pytaniem jest to, ile informacji można wiarygodnie uzyskać z niedokładnego zapisu geologicznego.
„Wielu geologów zaczyna z punktu widzenia tego, że musisz wszystko zobaczyć, zanim cokolwiek zrozumiesz”, mówi Olsen. „Moim sposobem działania jest przesunięcie tego, co jest przydatne w zapisie rockowym i zapisie paleontologicznym, tak daleko, jak to możliwe, aby wyciągnąć rzeczy z historii, których nie można uzyskać w żaden inny sposób”.
Obraz Paula Olsena przedstawiający wyimaginowany widok Ziemi z kosmosu spoglądającego nocą na wschód nad Nowym Jorkiem w nocy z głównymi planetami użytymi w Gerere Orrery. Od dołu do góry: Jowisz, Mars (czerwonawy), Wenus i Księżyc w połączeniu. (Paul Olsen) Nawet z brakami w zapisie rockowym, niektórzy naukowcy uważają, że Olsen się na czymś podoba. „Te dane, nad którymi Paul Olsen pracował od wielu lat, są jednymi z najlepszych danych, jakie kiedykolwiek zebrano”, mówi Linda Hinnov, geolog z George Mason University w Wirginii, który nie był zaangażowany w badanie.
Hinnov mówi, że wyzwaniem jest teraz wypełnienie luki między około 50 a 200 milionami lat temu. Obecnie dane geologiczne i modele astronomiczne są dopasowane od 0 do około 50 milionów lat temu, a także od około 200 do 225 milionów lat temu. Aby rozszerzyć obszar geologiczny, lukę między tymi dwoma okresami „należy wypełnić danymi, które są co najmniej tak dobre, jak dane tu przedstawione”, mówi Hinnov.
Chociaż jest sceptyczny wobec niektórych ustaleń zespołu Olsena, Lucas zgadza się, że ten rodzaj pracy, łączący rekord skalny z ciałami niebieskimi na niebie, stanie się krytyczny dla rozwiązania jednego z największych problemów naukowych dzisiaj: zrozumienia, co kontroluje Klimat Ziemi. „Nie rozumiemy wystarczająco związku między tymi cyklami astronomicznymi, przeszłymi klimatami oraz tego, jak zmieniły się cykle w czasie”, mówi. „Cokolwiek takiego, co przyczynia się do naszego zrozumienia systemu klimatycznego Ziemi, może pomóc nam lepiej zrozumieć przyszły klimat, o czym właśnie mówimy.”
Obszar geologiczny może być niekompletny i podobnie jak modele obliczeniowe układów planetarnych może być dokładny tylko do jednego punktu. Ale wśród cudów kosmosu zaczynamy dowiadywać się, w jaki sposób ruchy ciał niebieskich oddalone o miliony mil i miliony lat temu ukształtowały świat, po którym kroczymy.
