På en planet som Jorden, mens berget og vannet går gjennom sykluser og forandringer, smelter og avkjøles og eroderer og akkreserer, strippes ut i brede daler og stablet opp i ruvende fjell, etterlater fortidens naturfenomen spor i skorpen av planeten. Ved å kaste ut gammel is, for eksempel, kan forskere studere de fangede partiklene og lære om atmosfæriske forhold for millioner av år siden. Ved å studere magnetiske mineraler innebygd i eldgammel bergart, har geologer lært at planetens magnetfelt reverserer poler - omtrent en gang hvert 250.000 år i gjennomsnitt.
Forskere kan lære mye om jorden fra de geologiske lagene i jordskorpen, men enda mer informasjon kan være skjult i fjelloppføringen. I følge geolog og paleontolog Paul Olsen fra Columbia University kan nøklene til historien til ikke bare planeten vår, men også solsystemet og galaksen finnes under føttene våre.
I en studie publisert i dag i Proceedings of the National Academy of Science, argumenterer Olsen og kollegene for at astronomiske sykluser av planetene kan måles i terrestriske berglag. Sylindriske kjerner av stein utvunnet fra bakken, noen som strekker seg tusenvis av meter og spenner over mange års historie, kan inneholde subtile spor etter påvirkning av andre planetenes tyngdekraft, slik at forskere kan utlede de historiske posisjonene til planeter for hundrevis av millioner år siden .
"Dette er en ny verden av empiriske data som åpner for tester av storskala teori om solsystem, " sier Olsen. Han kaller modellen sin Geological Orrery, oppkalt etter mekaniske modeller fra solsystemet fra 1700-tallet. Arbeidet kunne ikke bare gi et uavhengig datasett for å teste eksisterende modeller av planetarisk bevegelse, men det har også blitt brukt til å avdekke kretsløpssykluser som aldri før hadde blitt målt. The Geological Orrery kan til og med brukes som et nytt verktøy for å teste noen av de mest grunnleggende teoriene i vitenskapen, for eksempel Einsteins generelle relativitetsteori, den mulige eksistensen av ytterligere planeter i det gamle solsystemet, og til og med gravitasjonspåvirkningene av mørk materie. i Melkeveien, sier Olsen.
Geolog Paul Olsen ved Arizonas Petrified Forest nasjonalpark, der 200 millioner år gamle bergarter hjelper til med å avsløre de lenge siden bevegelsene til andre planeter. (Kevin Krajick / Earth Institute, Columbia University) "Denne artikkelen er et forsøk på å løse et veldig vanskelig og forvirrende problem for astronomer og geologer som er interessert i solsystemets historie, og hvordan det har påvirket jordens system - klima, sedimentasjon, osv.", Sier Spencer Lucas, en geolog og paleontolog ved New Mexico Museum of Natural History and Science som ikke var involvert i studien. "Disse astronomiske syklusene har utviklet seg i hundrevis av millioner av år, og det er en viss mengde kaos i den evolusjonen, så det har alltid vært en stor utfordring for geologer og astronomer å prøve å forstå hva som skjedde med disse syklusene."
Lagene på jordskorpen representerer en registrering av tidligere klima, og disse klimaene ble påvirket av himmelbevegelser kalt Milankovitch-sykluser. Disse syklene er oppkalt etter den serbiske geofysiker og astronomen Milutin Milankovitch, og er et resultat av jordens gravitasjonsinteraksjoner med andre planeter som påvirker Jordens bane rundt solen, inkludert formen på dens elliptiske bane (eksentrisitet), så vel som tilt (skråhet) og vingling (presisjon) av planetens akse.
Endringer i jordens bane påvirker klodens klima, og som Olsen først hevdet i en artikkel fra Science i 1986, kan en oversikt over tidligere klima derfor brukes til å utlede posisjoner og bevegelser til andre planeter.
Men hvorfor gå gjennom bryet og utgiftene ved å grave opp jordkjerner for å finne andre planets bane? Ved å bruke lovene om banemekanikk kan forskere lage matematiske modeller for å studere historien til det lille solområdet vårt i verdensrommet.
Slike modeller er imidlertid bare pålitelige til et poeng, sier Olsen. Ingen enkle matematiske ligninger beskriver bevegelsene til mer enn to bevegelige kropper i rommet med høy grad av sikkerhet. Med åtte planeter og solen, for ikke å nevne millioner av mindre kropper i solsystemet, kan ikke astronomer utvikle analytiske løsninger for å beskrive de eksakte bevegelsene til planetene i den fjerne fortiden. I stedet beregner forskere de tidligere banene til planetene ett lite trinn av gangen. I følge arbeidet til Jacques Laskar, forskningsdirektør ved Paris-observatoriet og en medforfatter av den nye artikkelen, akkumuleres det feil ved hvert tidsintervall slik at spådommer blir vesentlig ubrukelige utover rundt 60 millioner år - ikke så veldig lenge på 4, 5 milliarder- årets historie av solsystemet.
Laskars tidligere beregningsmodeller ga også bevis på at de indre planetene (Merkur, Venus, Jorden og Mars) kan oppføre seg kaotisk. Eller med andre ord, posisjonene til disse fire planetene kunne i stor grad bestemmes av de opprinnelige forholdene, noe som gjør dem nesten umulige å forutsi utelukkende basert på posisjonene og retningene som er sett i dag.
"Disse bergensregistrene om klimaendringer viser seg å være nøkkelen til å finne ut hva solsystemet faktisk gjør, " sier Olsen.
Fjellkjernen i sjøsedimenter hentet fra Newark-bassenget i sentrum av New Jersey og spenner over 40 000 år. (Paul Olsen) Å demonstrere levedyktigheten til hans geologiske orrery har vært en livslang arbeidskraft av kjærlighet for Olsen. I papiret fra 1986 analyserte han kjerner fra Mesozoic Newark Supergroup - en samling av bergarter dannet for rundt 200 til 227 millioner år siden - i New Jersey. Bergarten inneholdt en registrering av økningen og fallet av innsjøer synkronisert med størrelsen på tropiske monsunregner, som svinger i henhold til varierende mengder sollys i tropene bestemt av jordens bane- og spinnakse.
"Det vi ser i kjernene, er fysiske manifestasjoner av den skiftende vanndybden, " sier Olsen via e-post. "Da innsjøen var på det dypeste, kanskje godt over 100 meter dype, ble det avsatt svart finlaminerte gjørme, og da det var veldig grunt og til og med sesongmessig tørt, ble det lagt ned røde gjørmer med rikelig uttørkingssprekker."
Olsen benyttet Fourier-analyse - en metode for å representere komplekse bølgeformer i enklere sinusformede komponenter - for å vise at de sykliske endringene i jordas klima fanget i den geologiske referansen samsvarer med Milankovitch-syklusene i himmelmekanikken. Men det var en merkelighet.
"En av syklusene var ikke bundet direkte til noe som var kjent den gang i bane-sykluser, " sier Olsen. "Den var omtrent to millioner år lang, og jeg visste ikke hva det var."
Etter å ha mottatt en National Science Foundation (NSF) -stipend på 1990-tallet for å grave opp og analysere nesten 22 600 fot kontinuerlige kjerner fra syv steder i Newark Supergroup, oppdaget Olsen og hans kolleger at den mystiske syklusen var en langvarig orbital syklus forårsaket av samspillene mellom Mars og Jorden. Funnet “gir det første geologiske beviset på den indre planetenes kaotiske oppførsel, ” skrev Olsen og Dennis Kent, professor i geologi ved Rutgers University og medforfatter på den nye forskningen, i en artikkel fra 1999 publisert av Royal Society.
For ytterligere å utforske disse syklusene i bergensrekorden, lanserte Olsen og teamet hans Colorado Plateau Coring Project i 2013 med et annet NSF-tilskudd. De boret en kjerne som var mer enn 1640 fot lang gjennom trias-delen av Chinle-formasjonen i Ariasons Petrified Forest National Park. Chinle-kjernen inneholder vulkanske askelag med zirkonmineraler som kan radiometrisk dateres.
Installasjon for å trekke ut en kjerne fra Chinle Formation i Petrified Forest National Park, Arizona. (Paul Olsen) Ved å matche spor etter jordas magnetfeltomvendinger i prøvekjernen Chinle Formation og de i Newark-kjernen, kunne forskerne utlede de eksakte datoene for klimasykluser forårsaket av tyngdekraften til andre planeter. Analysen deres avslørte en 405 000-årig syklus i himmelmekanikk forårsaket av Jupiter og Venus som har eksistert i 200 millioner år, nøyaktig slik den er i dag.
I sin siste artikkel la Olsen og teamet ytterligere målinger til modellene sine ved å bruke en stratigrafisk fargeskala for å studere kjerneprøven så vel som geofysiske målinger av kjernehullet (naturlig radioaktivitet, bergtetthet og lydhastighet ble alle målt ). Teamet skannet også kjernen etter røntgenstråling av florescensdata for nøye å analysere alle de astronomiske syklusene som var synlige i Newark-formasjonen.
Uansett hvilke målinger som ble brukt, ble de samme planetariske påvirkningene identifisert i berget. “Det er veldig spennende å se disse tingene trene når de trener. Det gir deg en følelse av virkelighet ... når så mange usannsynlige ting ordner seg, sier Olsen. "Det er egentlig ganske fantastisk."
Selv om Geological Orrery har potensielt vidtrekkende forskningsimplikasjoner, er Olsens dristige idé blitt møtt med en viss skepsis. Hans modeller forsøker å redegjøre for et ekstraordinært antall faktorer for å knytte bergensregistret til påvirkning fra andre planeter på jordas klima (et komplekst system i og for seg selv).
Lucas kaller prosjektet "et veldig sammensatt korthus som ikke hviler på et forsvarlig vitenskapelig grunnlag." Han sier at det er hull i Newark-formasjonen, så det er ikke en fullstendig kronologi fra 25 millioner år som Olsens gruppe studert. (Olsen og Kent brukte imidlertid uran-bly-dateringer i en studie i fjor og fant at den geologiske posten i Newark-sekvensen er komplett for den aktuelle tidsperioden.) Chinle-posten er også ufullstendig, sier Lucas, fordi den ble deponert av elver og sedimentasjonshastigheter er "enormt forskjellige" mellom to seksjoner, noe som gjør det vanskelig å bruke Chinle til å pålitelig kalibrere datoene i Newark-berget.
Til og med Charles Darwin beklaget ufullstendigheten i den geologiske posten, og geologer godtar bredt at posten inneholder hull, eller i vitenskapelig standpunkt, "uoverensstemmelser." Det grunnleggende spørsmålet er hvor mye informasjon som kan trekkes pålitelig fra en ufullkommen geologisk registrering.
"Mange geologer tar utgangspunkt i at du må se alt før du kan forstå noe, " sier Olsen. "Min modus operandi er å skyve det som er nyttig i bergensprotokollen og den paleontologiske referansen så langt du kan presse den for å få ting ut av historien som du ikke kan få noen annen måte."
Et maleri av Paul Olsen av en tenkt utsikt over Jorden fra verdensrommet som ser østover over New York om natten med de viktigste planetene som ble brukt i Geological Orrery. Fra bunn til topp: Jupiter, Mars (rødlig), Venus og månen alle sammen. (Paul Olsen) Selv med hull i rocken, tror noen forskere at Olsen er på noe. "Disse dataene som Paul Olsen har arbeidet med i mange år nå, er noen av de beste dataene som noen gang er samlet inn, " sier Linda Hinnov, geolog ved George Mason University i Virginia, som ikke var involvert i studien.
Hinnov sier at utfordringen nå er å fylle ut gapet for rundt 50 og 200 millioner år siden. For øyeblikket har de geologiske dataene og astronomiske modellene blitt matchet for 0 til omtrent 50 millioner år siden, i tillegg til mellom 200 og 225 millioner år siden. For å utvide den geologiske orrisen, må gapet mellom disse to periodene "fylles ut med data som er minst like gode som dataene som er presentert her, " sier Hinnov.
Selv om han er skeptisk til noen av Olsens teams spesifikke funn, er Lucas enig i at denne typen arbeid, som kobler bergensplaten til himmellegemene på himmelen, vil bli kritisk til å løse et av de største vitenskapelige problemene i dag: å forstå hva som styrer Jordens klima. "Vi forstår ikke nok om forholdet mellom disse astronomiske syklusene, tidligere klima, og hvordan syklusene har endret seg gjennom tid, " sier han. "Alt som dette som bidrar til vår forståelse av jordas klimasystem, har potensialet til å hjelpe oss med å forstå fremtidig klima, og det er virkelig det vi snakker om å forutsi."
Geological Orrery kan være ufullstendig, og i likhet med beregningsmodeller av planetariske systemer kan det hende det bare er nøyaktig til et punkt. Men blant kosmos underverker begynner vi å lære hvordan bevegelsene til himmellegemer, millioner av kilometer unna og for millioner av år siden, har formet selve verdenen vi går på.
