Pe o planetă ca Pământul, pe măsură ce roca și apa trec prin cicluri și schimbări, se topesc și se răcesc și se erodează și se accelerează, se dezbrăcă pe văi largi și se stivuiesc în munți falnici, fenomenele naturale ale trecutului lasă urme în crustă. a planetei. Prin eliminarea gheții antice, de exemplu, oamenii de știință pot studia particulele prinse și să afle despre condițiile atmosferice cu milioane de ani în urmă. Studiind mineralele magnetice înglobate în roca antică, geologii au aflat că câmpul magnetic al planetei inversează poli - aproximativ o dată la 250.000 de ani în medie.
Oamenii de știință pot afla multe despre Pământ din straturile geologice ale scoarței sale, dar chiar mai multe informații pot fi ascunse în evidența rocilor. Potrivit geologului și paleontologului Paul Olsen de la Universitatea Columbia, cheile istoriei nu numai a planetei noastre, dar și a sistemului solar și a galaxiei pot fi găsite sub picioarele noastre.
Într-un studiu publicat astăzi în Proceedings of the National Academy of Science, Olsen și colegii susțin că ciclurile astronomice ale planetelor pot fi măsurate în straturi de roci terestre. Miele cilindrice de rocă extrasă din pământ, unele care se întind cu mii de picioare și se întind pe milioane de ani de istorie, pot conține urme subtile ale influenței gravitației altor planete, permițând oamenilor de știință să deducă pozițiile istorice ale planetelor în urmă cu sute de milioane de ani. .
„Aceasta este o lume nouă de date empirice care permite testarea teoriei sistemelor solare pe scară largă”, spune Olsen. Își numește modelul Gere Orrery, numit după modelele mecanice ale secolului al XVIII-lea ale sistemului solar. Lucrarea nu a putut doar să furnizeze un set de date independent pentru a testa modelele existente de mișcare planetară, dar a fost de asemenea folosită pentru a dezvălui cicluri orbitale care nu au fost niciodată măsurate până acum. Orreriul geologic ar putea fi folosit chiar ca un nou instrument pentru a testa unele dintre cele mai fundamentale teorii din știință, cum ar fi teoria generală a relativității a lui Einstein, existența posibilă a planetelor suplimentare în sistemul solar vechi și chiar influențele gravitaționale ale materiei întunecate. pe Calea Lactee, spune Olsen.
Geologul Paul Olsen din Parcul Național Pădurea Petrificată din Arizona, în care roci vechi de 200 de milioane de ani contribuie la dezvăluirea mișcărilor demult ale altor planete. (Kevin Krajick / Institutul Pământului, Universitatea Columbia) „Această lucrare este o încercare de a rezolva o problemă foarte dificilă și perplexă pentru astronomii și geologii care sunt interesați de istoria sistemului solar și de modul în care a afectat sistemul Pământului - climă, sedimentare, etcetera”, spune Spencer Lucas, un geolog și paleontolog la Muzeul de Istorie și Știință Naturală din New Mexico, care nu a fost implicat în studiu. „Aceste cicluri astronomice au evoluat timp de sute de milioane de ani și există o anumită cantitate de haos în această evoluție, așa că a fost întotdeauna o mare provocare pentru geologi și astronomi să încerce să înțeleagă ce s-a întâmplat cu aceste cicluri.”
Straturile scoarței terestre reprezintă un record al climei trecute, iar acele climaturi au fost influențate de mișcări cerești numite cicluri Milankovitch. Numiți pentru geofizicianul și astronomul sârb Milutin Milankovitch, aceste cicluri sunt rezultatul interacțiunilor gravitaționale ale Pământului cu alte planete care influențează traiectoria Pământului în jurul soarelui, inclusiv forma căii sale eliptice (excentricitate), precum și înclinarea (oblicitatea) și vâlceala. (precesiunea) axei planetei.
Modificările pe orbita Pământului afectează climatul planetei și, după cum Olsen a argumentat pentru prima dată într-o lucrare din Science în 1986, o înregistrare a climatelor din trecut ar putea fi folosită pentru a deduce pozițiile și mișcările altor planete.
Dar de ce să treci prin necazul și cheltuielile săpării miezurilor de pământ pentru a constata traiectoriile altor planete? Folosind legile mecanicii orbitale, oamenii de știință pot crea modele matematice pentru a studia istoria micului nostru cartier solar din spațiu.
Totuși, astfel de modele sunt doar fiabile, spune Olsen. Nicio ecuație matematică simplă nu descrie mișcările a mai mult de două corpuri în mișcare în spațiu cu un grad ridicat de certitudine. Cu opt planete și soarele, ca să nu mai vorbim de milioane de corpuri mai mici din sistemul solar, astronomii nu pot dezvolta soluții analitice pentru a descrie mișcările exacte ale planetelor în trecutul îndepărtat. În schimb, cercetătorii calculează orbitele anterioare ale planetelor cu o mică creștere la un moment dat. Conform lucrărilor lui Jacques Laskar, directorul cercetării la Observatorul de la Paris și coautor al noii lucrări, erorile se acumulează la fiecare interval de timp, astfel încât predicțiile devin esențial inutile peste 60 de milioane de ani - nu foarte mult timp în cei 4, 5 miliarde de ani - istoric de ani al sistemului solar.
Modelele de calcul anterioare ale lui Laskar au furnizat dovezi că planetele interioare (Mercur, Venus, Pământ și Marte) se pot comporta haotic. Sau cu alte cuvinte, pozițiile acestor patru planete ar putea fi determinate în mare măsură de condițiile inițiale, ceea ce le face aproape imposibil de prevăzut doar pe baza pozițiilor și direcțiilor văzute astăzi.
„Aceste înregistrări ale schimbărilor climatice se dovedesc a fi cheia pentru a descoperi ceea ce face efectiv sistemul solar”, spune Olsen.
Miezul rocilor din sedimentele lacului extras din bazinul Newark din centrul New Jersey, care se întinde pe o perioadă de aproximativ 40.000 de ani. (Paul Olsen) Demonstrarea viabilității Orrery-ului său geologic a fost o muncă de dragoste de-a lungul vieții pentru Olsen. În lucrarea sa din 1986, el a analizat nucleele din Supergrupa Mesozoic Newark - un ansamblu de roci format acum aproximativ 200 - 227 milioane de ani - în centrul New Jersey. Stânca conținea o înregistrare a creșterii și căderii lacurilor în sincronizare cu mărimea ploilor musonice tropicale, care fluctua în funcție de cantități diferite de lumina soarelui la tropice determinate de orbita Pământului și axa spinării.
„Ceea ce vedem în miez sunt manifestări fizice ale adâncimii în schimbare a apei”, spune Olsen prin e-mail. „Când lacul s-a aflat cel mai adânc, poate chiar peste 100 de metri adâncime, s-au depus nămoluri negre fin stratificate, iar când a fost foarte superficial și chiar uscat sezonier, au fost așezate nămoluri roșii cu fisuri abundente de desecare."
Olsen a folosit analiza Fourier - o metodă de a reprezenta forme de undă complexe în componente sinusoidale mai simple - pentru a arăta că schimbările ciclice ale climatului Pământului prinse în registrul geologic se potrivesc ciclurilor Milankovitch ale mecanicii cerești. Dar era o ciudățenie.
„Unul dintre cicluri nu a fost legat direct de nimic cunoscut la vremea respectivă în ciclurile orbitale”, spune Olsen. „A durat aproximativ două milioane de ani și nu știam despre ce este vorba.”
După ce au primit o subvenție a Fundației Naționale pentru Știință (NSF), în anii 90, pentru a săpa și analiza aproape 22, 600 de metri de miez continuu din șapte site-uri din Supergrupul Newark, Olsen și colegii săi au descoperit că misterul ciclu a fost un ciclu orbital de lungă durată cauzat de interacțiunile dintre Marte și Pământ. Constatarea „oferă primele dovezi geologice ale comportamentului haotic al planetelor interioare”, Olsen și Dennis Kent, profesor de geologie la Universitatea Rutgers și coautor al noii cercetări, au scris într-o lucrare din 1999 publicată de Royal Society.
Pentru a explora în continuare aceste cicluri în palmaresul rock, Olsen și echipa sa au lansat Proiectul Coring Plateau Colorado în 2013 cu o altă subvenție NSF. Ei au găurit un miez de peste 1.640 de metri lungime prin secțiunea Triassică a Formației Chinle din Parcul Național Pădurea Petrificată din Arizona. Nucleul Chinle conține straturi de cenușă vulcanică cu minerale de zircon care pot fi datate radiometric.
Instalare pentru extragerea unui miez din Formația Chinle în Parcul Național Pădurea Petrificată, Arizona. (Paul Olsen) Comparând urmele inversărilor câmpului magnetic al Pământului din nucleul eșantionului Formației Chinle cu cele din nucleul Newark, cercetătorii au putut deduce datele exacte ale ciclurilor climatice cauzate de gravitatea altor planete. Analiza lor a relevat un ciclu de 405.000 de ani în mecanica cerească cauzat de Jupiter și Venus, care există de 200 de milioane de ani, exact așa cum este astăzi.
În lucrarea lor cea mai recentă, Olsen și echipa sa au adăugat măsurători suplimentare la modelele lor, folosind o scală de culoare stratigrafică pentru a studia eșantionul de bază, precum și măsurători geofizice ale găurii de bază (radioactivitate naturală, densitatea rocii și viteza sonică au fost măsurate) ). De asemenea, echipa a scanat nucleul pentru datele de florescență cu raze X pentru a analiza cu atenție toate ciclurile astronomice vizibile în formația Newark.
Indiferent de măsurători, au fost identificate aceleași influențe planetare în rocă. „Este cu adevărat încântător să vezi că aceste lucruri funcționează atunci când se rezolvă. Îți oferă un sentiment al realității ... atunci când apar atât de multe lucruri improbabile ", spune Olsen. „Este foarte uimitor.”
Cu toate că Orrery Geologic are implicații de cercetare de anvergură, ideea îndrăzneață a lui Olsen a fost întâmpinată de un scepticism. Modelele sale încearcă să explice un număr extraordinar de factori pentru a lega înregistrarea rocilor cu influența altor planete asupra climei Pământului (un sistem complex în sine și în sine).
Lucas numește proiectul „o casă de cărți foarte complexă, care nu se sprijină pe o fundație științifică solidă”. El spune că există lacune în formația Newark, deci nu este o cronologie completă a perioadei de 25 de milioane de ani pe care Olsen o are grup studiat. (Olsen și Kent, cu toate acestea, au folosit datarea cu plumb de uraniu într-un studiu anul trecut și au descoperit că înregistrarea geologică în secvența Newark este completă pentru perioada de timp relevantă.) Înregistrarea Chinle este de asemenea incompletă, spune Lucas, deoarece a fost depusă de râurile și ritmurile de sedimentare sunt „extrem de diferite” între două secțiuni, ceea ce face dificilă utilizarea Chinle pentru a calibra în mod fiabil datele din roca Newark.
Chiar Charles Darwin a lamentat incompletitudinea înregistrării geologice, iar geologii acceptă pe larg că înregistrarea conține lacune, sau în limbajul științific, „neconformități”. Întrebarea fundamentală este cât de multe informații pot fi extrase în mod fiabil dintr-un registru geologic imperfect.
„Mulți geologi pornesc din punctul de vedere că trebuie să vezi totul înainte să înțelegi ceva”, spune Olsen. „Modusul meu operandi este să împingeți ce este util în registrul rock și în palmaresul paleontologic, în măsura în care îl puteți împinge pentru a scoate lucruri din istorie pe care nu le puteți obține altfel.”
Un tablou realizat de Paul Olsen, cu o vedere imaginară a Pământului, din spațiu, care privește spre est peste New York noaptea, cu planetele principale folosite în Orreria Geologică. De jos în sus: Jupiter, Marte (roșiatic), Venus și Luna toate împreună. (Paul Olsen) Chiar și cu lacune în palmaresul rock, unii oameni de știință consideră că Olsen este pe ceva. „Aceste date la care Paul Olsen lucrează de mai mulți ani sunt unele dintre cele mai bune date care au fost colectate vreodată”, spune Linda Hinnov, geolog la Universitatea George Mason din Virginia, care nu a fost implicată în studiu.
Hinnov spune că acum provocarea constă în a completa decalajul dintre aproximativ 50 și 200 de milioane de ani în urmă. În prezent, datele geologice și modelele astronomice au fost corelate între 0 și aproximativ 50 de milioane de ani în urmă, precum și între aproximativ 200 și 225 milioane de ani în urmă. Pentru a extinde Orreria Geologică, diferența dintre aceste două perioade „trebuie completată cu date care sunt cel puțin la fel de bune ca datele prezentate aici”, spune Hinnov.
Deși este sceptic în legătură cu unele dintre rezultatele specifice ale echipei Olsen, Lucas este de acord că acest tip de lucru, care conectează înregistrarea rocii la corpurile cerești din cer, va deveni esențial pentru rezolvarea uneia dintre cele mai mari probleme științifice din ziua de azi: înțelegerea ce controlează Clima Pământului. „Nu înțelegem suficient relația dintre aceste cicluri astronomice, climatul trecut și modul în care ciclurile s-au schimbat în timp”, spune el. „Orice lucru care contribuie la înțelegerea sistemului climatic al Pământului are potențialul de a ne ajuta să înțelegem mai bine climatul viitor, despre care vorbim cu adevărat despre predicție.”
Orreria geologică poate fi incompletă și, ca și modelele de calcul ale sistemelor planetare, poate fi exactă până la un punct. Dar, printre minunile cosmosului, începem să aflăm cum mișcările corpurilor cerești, aflate la milioane de kilometri distanță și cu milioane de ani în urmă, au modelat chiar lumea pe care mergem.
