Op een planeet zoals de aarde, terwijl de rots en het water door cycli en veranderingen gaan, smelten en afkoelen en eroderen en aangroeien, gestript in brede valleien en opgestapeld in torenhoge bergen, laten de natuurlijke fenomenen van het verleden sporen achter in de korst van de planeet. Door het oude ijs eruit te boren, kunnen wetenschappers de gevangen deeltjes bestuderen en miljoenen jaren geleden leren over atmosferische omstandigheden. Door het bestuderen van magnetische mineralen ingebed in oeroud gesteente, hebben geologen geleerd dat het magnetische veld van de planeet polen omkeert - gemiddeld ongeveer eens in de 250.000 jaar.
Wetenschappers kunnen veel over de aarde leren van de geologische lagen van de aardkorst, maar er kan nog meer informatie verborgen zijn in het rotsrecord. Volgens geoloog en paleontoloog Paul Olsen van Columbia University kunnen de sleutels tot de geschiedenis van niet alleen onze planeet, maar ook het zonnestelsel en de melkweg onder onze voeten worden gevonden.
In een studie die vandaag is gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Science, beweren Olsen en collega's dat astronomische cycli van de planeten kunnen worden gemeten in terrestrische rotslagen. Cilindrische rotskernen uit de grond, sommige strekken zich duizenden voet uit en overspannen miljoenen jaren geschiedenis, kunnen subtiele sporen bevatten van de invloed van de zwaartekracht van andere planeten, waardoor wetenschappers de historische posities van planeten honderden miljoenen jaren geleden kunnen afleiden .
"Dit is een nieuwe wereld van empirische gegevens die het mogelijk maakt om de grootschalige theorie van zonnestelsels te testen, " zegt Olsen. Hij noemt zijn model de Geological Orrery, vernoemd naar mechanische modellen uit de 18e eeuw van het zonnestelsel. Het werk kon niet alleen een onafhankelijke gegevensset leveren om bestaande modellen van planetaire beweging te testen, maar het werd ook gebruikt om orbitale cycli te onthullen die nog nooit eerder waren gemeten. De Geologische Orrery zou zelfs kunnen worden gebruikt als een nieuw hulpmiddel om enkele van de meest fundamentele theorieën in de wetenschap te testen, zoals de algemene relativiteitstheorie van Einstein, het mogelijke bestaan van extra planeten in het oude zonnestelsel en zelfs de zwaartekrachtsinvloeden van donkere materie in de Melkweg, zegt Olsen.
Geoloog Paul Olsen in het Nationaal Park Petrified Forest in Arizona, waar 200 miljoen jaar oude rotsen de lang geleden bewegingen van andere planeten helpen onthullen. (Kevin Krajick / Earth Institute, Columbia University) "Dit artikel is een poging om een zeer moeilijk en verwarrend probleem op te lossen voor astronomen en geologen die geïnteresseerd zijn in de geschiedenis van het zonnestelsel, en hoe het het systeem van de aarde heeft beïnvloed - klimaat, sedimentatie, enzovoort, " zegt Spencer Lucas, een geoloog en paleontoloog in het New Mexico Museum of Natural History and Science die niet bij de studie betrokken waren. "Deze astronomische cycli zijn honderden miljoenen jaren geëvolueerd, en er is een zekere hoeveelheid chaos in die evolutie, dus het is altijd een grote uitdaging geweest voor geologen en astronomen om te proberen te begrijpen wat er met deze cycli is gebeurd."
De lagen van de aardkorst vertegenwoordigen een record van voorbije klimaten, en die klimaten werden beïnvloed door hemellichamen die Milankovitch-cycli worden genoemd. Genoemd naar Servische geofysicus en astronoom Milutin Milankovitch, deze cycli zijn het resultaat van de zwaartekrachtsinteracties van de aarde met andere planeten die de baan van de aarde rond de zon beïnvloeden, inclusief de vorm van haar elliptische pad (excentriciteit), evenals de kanteling (schuine stand) en wiebelen (precessie) van de as van de planeet.
Veranderingen in de baan van de aarde beïnvloeden het klimaat van de planeet, en zoals Olsen voor het eerst in een artikel in Science in 1986 betoogde, kon een record van eerdere klimaten daarom worden gebruikt om de posities en bewegingen van andere planeten af te leiden.
Maar waarom zouden we de moeite en kosten van het opgraven van aarden kernen doorlopen om de banen van andere planeten vast te stellen? Met behulp van de wetten van de orbitale mechanica kunnen wetenschappers wiskundige modellen maken om de geschiedenis van onze kleine zonnewijk in de ruimte te bestuderen.
Dergelijke modellen zijn echter slechts tot op zekere hoogte betrouwbaar, zegt Olsen. Geen eenvoudige wiskundige vergelijkingen beschrijven de bewegingen van meer dan twee bewegende lichamen in de ruimte met een hoge mate van zekerheid. Met acht planeten en de zon, en niet te vergeten miljoenen kleinere lichamen in het zonnestelsel, kunnen astronomen geen analytische oplossingen ontwikkelen om de exacte bewegingen van de planeten in het verre verleden te beschrijven. In plaats daarvan berekenen onderzoekers de vroegere banen van de planeten met een kleine stap tegelijk. Volgens het werk van Jacques Laskar, onderzoeksdirecteur bij het Observatorium van Parijs en co-auteur van het nieuwe artikel, stapelen fouten zich op in elk tijdsinterval zodat voorspellingen in wezen nutteloos worden na ongeveer 60 miljoen jaar - niet erg lang in de 4, 5 miljard - jaar geschiedenis van het zonnestelsel.
Laskar's eerdere rekenmodellen leverden ook bewijs dat de binnenplaneten (Mercurius, Venus, Aarde en Mars) zich chaotisch kunnen gedragen. Of met andere woorden, de posities van deze vier planeten zouden grotendeels kunnen worden bepaald door initiële omstandigheden, waardoor ze bijna onmogelijk te voorspellen zijn op basis van alleen de posities en richtingen die we vandaag zien.
"Deze rotsverslagen van klimaatverandering blijken de sleutel te zijn om erachter te komen wat het zonnestelsel eigenlijk doet", zegt Olsen.
Rotskern van merenafzettingen gewonnen uit het Newark Basin in het centrum van New Jersey, verspreid over ongeveer 40.000 jaar. (Paul Olsen) De levensvatbaarheid van zijn geologische orrerie aantonen is een levenslange liefdeswerk voor Olsen geweest. In zijn paper uit 1986 analyseerde hij kernen van de Mesozoïsche Newark Supergroup - een verzameling rotsen die ongeveer 200 tot 227 miljoen jaar geleden werd gevormd - in centraal New Jersey. De rots bevatte een record van de opkomst en ondergang van meren synchroon met de omvang van tropische moessonregens, die fluctueren volgens variërende hoeveelheden zonlicht in de tropen, bepaald door de baan van de aarde en de rotatieas.
"Wat we in de kernen zien, zijn fysieke manifestaties van de veranderende waterdiepte", zegt Olsen via e-mail. "Toen het meer op zijn diepst was, misschien wel meer dan 100 meter diep, werden zwarte fijn gelamineerde modder afgezet, en toen het erg ondiep en zelfs seizoensgebonden droog was, werden rode modders met overvloedige uitdrogingsscheuren neergelegd."
Olsen gebruikte Fourier-analyse - een methode om complexe golfvormen in eenvoudiger sinusoïdale componenten weer te geven - om aan te tonen dat de cyclische veranderingen in het aardklimaat die in het geologische record gevangen zitten, overeenkomen met de Milankovitch-cycli van de hemelmechanica. Maar er was een eigenaardigheid.
"Een van de cycli was niet direct gekoppeld aan iets dat destijds bekend was in orbitale cycli, " zegt Olsen. "Het was ongeveer twee miljoen jaar lang en ik wist niet wat het was."
Na het ontvangen van een subsidie van de National Science Foundation (NSF) in de jaren negentig om bijna 22.600 voet aan continue kernen op te graven en te analyseren van zeven locaties binnen de Newark Supergroup, ontdekten Olsen en zijn collega's dat de mysterieuze cyclus een langdurige orbitale cyclus was veroorzaakt door de interacties tussen Mars en aarde. De bevinding “biedt het eerste geologische bewijs van het chaotische gedrag van de binnenplaneten”, schreven Olsen en Dennis Kent, een professor in de geologie aan de Rutgers University en coauteur van het nieuwe onderzoek, in een paper van 1999, gepubliceerd door de Royal Society.
Om deze cycli in het rockrecord verder te verkennen, lanceerden Olsen en zijn team het Colorado Plateau Coring-project in 2013 met een nieuwe NSF-subsidie. Ze boorden een kern van meer dan 1.640 voet lang door het Trias gedeelte van de Chinle-formatie in het Nationaal Park Petrified Forest in Arizona. De Chinle-kern bevat vulkanische aslagen met zirkoonmineralen die radiometrisch kunnen worden gedateerd.
Installatie om een kern te extraheren uit de Chinle-formatie in Petrified Forest National Park, Arizona. (Paul Olsen) Door sporen van de magnetische veldomkeringen in de Chinle Formation-monsterkern te matchen met die in de Newark-kern, konden de onderzoekers de exacte data van klimatologische cycli afleiden die werden veroorzaakt door de zwaartekracht van andere planeten. Hun analyse onthulde een cyclus van 405.000 jaar in de hemelmechanica veroorzaakt door Jupiter en Venus die al 200 miljoen jaar bestaat, precies zoals het nu is.
In hun meest recente artikel hebben Olsen en zijn team aanvullende metingen aan hun modellen toegevoegd, met behulp van een stratigrafische kleurenschaal om het kernmonster te bestuderen, evenals geofysische metingen van het kerngat (natuurlijke radioactiviteit, rotsdichtheid en sonische snelheid werden allemaal gemeten) ). Het team heeft ook de kern gescand op röntgenfluorescentiegegevens om alle astronomische cycli die zichtbaar zijn in de Newark-formatie zorgvuldig te analyseren.
Ongeacht welke metingen werden gebruikt, werden dezelfde planetaire invloeden geïdentificeerd in de rots. “Het is echt opwindend om deze dingen te zien werken wanneer ze trainen. Het geeft je een gevoel van realiteit ... wanneer zoveel onwaarschijnlijke dingen uitkomen ', zegt Olsen. "Het is echt heel verbazingwekkend."
Hoewel de Geological Orrery mogelijk verstrekkende onderzoeksimplicaties heeft, is Olsen's gewaagde idee enigszins sceptisch geweest. Zijn modellen proberen rekening te houden met een buitengewoon aantal factoren om het rotsrecord te koppelen aan de invloed van andere planeten op het klimaat van de aarde (een complex systeem op zichzelf).
Lucas noemt het project "een zeer complex kaartenhuis dat niet op een degelijke wetenschappelijke basis rust." Hij zegt dat er gaten zijn in de Newark-formatie, dus het is geen volledige chronologie van de periode van 25 miljoen jaar dat Olsen groep studeerde. (Olsen en Kent gebruikten echter vorig jaar uranium-looddating in een onderzoek en vonden dat het geologische record in de Newark-reeks compleet is voor de relevante tijdspanne.) Het Chinle-record is ook onvolledig, zegt Lucas, omdat het werd gedeponeerd door rivieren en de sedimentatiesnelheden zijn "enorm verschillend" tussen twee delen, waardoor het moeilijk is om Chinle te gebruiken om de datums in de Newark-rots betrouwbaar te kalibreren.
Zelfs Charles Darwin betreurde de onvolledigheid van het geologische dossier, en geologen accepteren wijd en zijd dat het verslag lacunes of, in wetenschappelijke termen, "afwijkingen" bevat. De fundamentele vraag is hoeveel informatie betrouwbaar uit een imperfect geologisch dossier kan worden gehaald.
"Veel geologen gaan ervan uit dat je alles moet zien voordat je iets kunt begrijpen, " zegt Olsen. "Mijn modus operandi is om te pushen wat nuttig is in het rockrecord en het paleontologische record voor zover je het kunt pushen om dingen uit de geschiedenis te halen die je op geen andere manier kunt krijgen."
Een schilderij van Paul Olsen van een ingebeeld beeld van de aarde vanuit de ruimte met 's nachts oostwaarts over New York met de belangrijkste planeten die in de geologische orrery worden gebruikt. Van onder naar boven: Jupiter, Mars (roodachtig), Venus en de maan allemaal in combinatie. (Paul Olsen) Zelfs met gaten in het rockrecord denken sommige wetenschappers dat Olsen ergens mee bezig is. "Deze gegevens waar Paul Olsen al vele jaren aan werkt, zijn enkele van de beste gegevens die ooit zijn verzameld, " zegt Linda Hinnov, een geoloog aan de George Mason University in Virginia, die niet betrokken was bij het onderzoek.
Hinnov zegt dat het nu de uitdaging is om het gat tussen ongeveer 50 en 200 miljoen jaar geleden te dichten. Momenteel zijn de geologische gegevens en astronomische modellen voor 0 tot ongeveer 50 miljoen jaar geleden gekoppeld, evenals tussen ongeveer 200 en 225 miljoen jaar geleden. Om de Geologische Orrery uit te breiden, moet de kloof tussen deze twee periodes worden opgevuld met gegevens die minstens even goed zijn als de gegevens die hier worden gepresenteerd, zegt Hinnov.
Hoewel hij sceptisch staat tegenover enkele specifieke bevindingen van Olsen's team, is Lucas het erover eens dat dit soort werk, dat het rotsrecord verbindt met de hemellichamen aan de hemel, van cruciaal belang zal worden voor het oplossen van een van de grootste wetenschappelijke problemen van vandaag: begrijpen welke besturingselementen Het klimaat van de aarde. "We begrijpen niet genoeg over de relatie tussen deze astronomische cycli, voorbije klimaten en hoe de cycli in de loop van de tijd zijn veranderd", zegt hij. "Iets dergelijks dat bijdraagt aan ons begrip van het klimaatsysteem van de aarde, kan ons helpen het toekomstige klimaat beter te begrijpen, en dat is echt waar we het over hebben."
De geologische orrery is mogelijk onvolledig en net als computationele modellen van planetaire systemen is deze mogelijk tot op zekere hoogte nauwkeurig. Maar onder de wonderen van de kosmos beginnen we te leren hoe de bewegingen van hemellichamen, miljoenen mijlen weg en miljoenen jaren geleden, de wereld hebben gevormd waarop we lopen.
