Forskere sporer dyb historie om planeters bevægelser, og indvirkning på jordens klima

Forskere har længe hævdet, at periodiske udsving i Jordens klima er drevet af cykliske ændringer i fordelingen af ​​sollys, der når vores overflade. Dette skyldes cykliske ændringer i, hvordan vores planet drejer om sin akse, ellipticiteten af ​​dens bane, og dens orientering mod solen - overlappende cyklusser forårsaget af subtile gravitationssamspil med andre planeter, mens kroppene hvirvler rundt om solen og ved hinanden som slingrende hula-hoops.

Men planetariske stier ændrer sig over tid, og det kan ændre cyklussernes længde. Dette har gjort det udfordrende for videnskabsmænd at udrede, hvad der drev mange gamle klimaskift. Og problemet bliver stadig sværere, jo længere tilbage i tiden man kommer; små ændringer i en planets bevægelse kan slå andres skævt - først lidt, men som evigheder går, disse ændringer giver genlyd mod hinanden, og systemet forvandles på måder, der er umulige at forudsige ved hjælp af selv den mest avancerede matematik. Med andre ord, det er kaos derude. Indtil nu, forskere er i stand til at beregne planeternes relative bevægelser og deres mulige virkninger på vores klima med rimelig pålidelighed tilbage kun omkring 60 millioner år - et relativt øjenblink i jordens mere end 4,5 milliarder liv.

Denne uge, i et nyt papir i Proceedings of the National Academy of Sciences , et team af forskere har skubbet rekorden langt tilbage, identificere nøgleaspekter af planeternes bevægelser fra en periode for omkring 200 millioner år siden. Holdet ledes af geolog og palæontolog Paul Olsen fra Columbia Universitys Lamont-Doherty Earth Observatory. Sidste år, ved at sammenligne periodiske ændringer i gamle sedimenter boret fra Arizona og New Jersey, Olsen og kolleger identificerede en 405, 000-års cyklus i Jordens kredsløb, der tilsyneladende slet ikke har ændret sig i løbet af mindst de sidste 200 millioner år - en slags metronom, som alle andre cyklusser kan måles på. Ved at bruge de samme sedimenter i det nye papir, de har nu identificeret en cyklus, der startede med at vare 1,75 millioner år, men fungerer nu hvert 2,4 millioner år. Det her, de siger, giver dem mulighed for at ekstrapolere langsigtede ændringer i Jupiters veje og de indre planeter (Merkur, Venus og Mars), de kroppe, der med størst sandsynlighed vil påvirke vores egen bane.

Olsens ultimative mål:at bruge Jordens klipper til at skabe, hvad han kalder en "Geologisk Orrery" - en registrering af klimatiske ændringer på Jorden, der kan ekstrapoleres tilbage til et større kort over solsystemets bevægelser over hundreder af millioner af år. Han siger, at det ville åbne et vindue ikke kun mod vores eget klima, men selve solsystemets udvikling, inklusive den mulige eksistens af tidligere planeter, og dets mulige interaktioner med usynlig mørkt stof.

Vi talte med Olsen om Geologisk Orrery, hans arbejde, og det nye papir.

De fleste mennesker har sikkert aldrig hørt ordet "orrery". Hvad er det, og hvordan passer det med vores udviklende forståelse af himmelens mekanik?

I begyndelsen af ​​1800-tallet, Matematiker Pierre-Simon de Laplace tog Newtons love for tyngdekraft og planetbevægelse og offentliggjorde sin idé om, at det skulle være muligt at udvikle en enkelt stor ligning, der ville gøre det muligt at modellere hele universet. Med kun viden om nutiden, al fortid og fremtid kunne kendes. Denne idé er inkorporeret i orreriet, en mekanisk model af solsystemet. Urværksmekanismer som denne til at forudsige formørkelser og lignende går tilbage til de gamle grækere, men det er nu klart, at problemet er langt mere kompliceret, og interessant. Vi har siden opdaget, at solsystemet ikke er et urværk. Det er faktisk kaotisk over lange tidsskalaer, så Laplaces store ligning var et fatamorgana. Det betyder, at du ikke kan udpakke dens historie fra beregninger eller modeller, uanset hvor præcist, fordi det virkelige solsystems bevægelser er utrolig følsomme. Variering af en faktor, selv en mindste smule, resulterer i et andet resultat efter millioner af år - selv hvad de store asteroider, eller mindre planeter, såsom Ceres og Vesta, laver. En af mine medforfattere, Jacques Laskar, har vist, at beregninger kun kan projicere frem eller tilbage 60 millioner år. Efter det, forudsigelserne bliver fuldstændig upålidelige. Da Jorden er omkring 4,6 milliarder år gammel, det betyder, at kun omkring 1,6 procent af dens tidligere eller fremtidige kredsløb kan forudsiges. Over milliarder af år, de bedste beregninger afslører mange mulige forrygende begivenheder, såsom at en af ​​de indre planeter falder ned i solen eller bliver slynget ud af solsystemet. Måske endda at Jorden og Venus kunne støde sammen en dag. Vi kan ikke sige, om nogen af ​​disse faktisk skete, eller kan ske i fremtiden. Så vi har brug for en anden metode til at begrænse mulighederne.

Så, hvad er "Geologisk Orrery?" Prøver du igen at koge alt ned til én ligning, eller er det noget andet?

The Geological Orrery er det modsatte af en ligning eller model. Det er designet til at give en præcis og nøjagtig historie om solsystemet. Vi får den historie lige her på Jorden, fra vores klimas historie, som er registreret i den geologiske optegnelse, især i store, langlivede søer. Jordens kredsløb og akseorientering ændrer sig konstant, fordi de bliver deformeret af andre legemers tyngdekraft. Disse ændringer påvirker fordelingen af ​​sollys, der rammer vores overflade, hvilket igen påvirker klimaet, og den slags sedimenter, der aflejres. Det giver os den geologiske registrering af solsystemets adfærd. Mange forskere har brugt sedimenter til at bestemme virkningerne af orbitale deformationer. Det er sådan, vi ved, at istider i de sidste par millioner år blev fulgt af dem. Nogle forskere har forsøgt at gå meget længere tilbage i tiden. Det nye her er den systematiske tilgang til at tage stenkerner, der strækker sig over titusinder af år, ser på den cykliske sedimentære rekord af klima og nøjagtigt daterer disse ændringer over flere steder. Det giver os mulighed for at fange hele spektret af solsystem-drevne deformationer af vores kredsløb og akse over lange tidsperioder.

Hvad fortæller stenene dig om, hvordan sådanne cykliske ændringer påvirker vores klima?

Med to store kerneeksperimenter til dato, vi har lært, at ændringer i tropiske klimaer fra vådt til tørt i løbet af de tidlige dinosaurers tid, fra omkring 252 til 199 millioner år siden, blev drevet af orbitale cyklusser, der varede omkring 20, 000, 100, 000 og 400, 000 år. Dertil kommer en meget længere cyklus på omkring 1,75 millioner år. De kortere cyklusser er omtrent det samme i dag, men cyklussen på 1,75 millioner år er langt væk – den er 2,4 millioner år i dag. Vi tror, ​​at forskellen er forårsaget af en gravitationsdans mellem Jorden og Mars. Denne forskel er fingeraftrykket af solsystemets kaos. Intet eksisterende sæt af modeller eller beregninger kopierer disse data præcist.

Hvor langt tror du, vi kommer med dette problem i løbet af dit liv?

Næste trin er at kombinere vores to færdige udboringseksperimenter med kerner taget på høje breddegrader. Mens vores kernedata gør et rigtig godt stykke arbejde med at kortlægge nogle aspekter af planetariske baner, de fortæller os intet om andre. For dem, vi har brug for en kerne fra en gammel sø over de palæo-arktiske eller antarktiske cirkler. Sådanne aflejringer findes i det, der nu er Kina og Australien. Vi vil også gerne inkludere aflejringer, der forlænger rekorden op 20 millioner år eller deromkring frem mod nutiden, og en anden kerne på lav breddegrad, som vi præcist kan datere. Med dem, vi ville være i stand til at afgøre, om der er sket nogen ændringer i den Mars-Jorden gravitationsdans. Det ville være et fuldstændigt bevis på konceptet for Geologisk Orrery. Det planlægger jeg bestemt at være med til.

Dit papir nævner, at dette arbejde kan give indsigt i solsystemets udvikling – måske det endnu bredere univers.

Hvis alt dette lykkes, vi kunne planlægge den store mission for at bruge Geologisk Orrery i mindst resten af ​​tiden mellem 60 og 190 millioner år. Denne mission ville være dyr efter geologiske standarder, fordi stenboring er dyrt. Men resultaterne ville have vidtrækkende konsekvenser. Vi ville helt sikkert have data til at producere klimamodeller af høj kvalitet til Jorden. Og der er ingen tvivl om, at vi ville have parametrene for tidligere klimaer på Mars eller andre klippeplaneter. Men mere spændende og mere spekulativt er muligheden for at udforske, hvordan vi muligvis skal justere tyngdekraftsteorien, eller test nogle kontroversielle teorier, såsom den mulige eksistens af et plan af mørkt stof i vores galakse, som vores solsystem passerer igennem med jævne mellemrum.

Vi taler dyb tid her. Har dette nogen anvendelse på spørgsmål om moderne klimaændringer?

Det har relevans for nutiden. ud over den måde, klimaet er afstemt efter vores kredsløb, det er også påvirket af mængden af ​​kuldioxid i luften. Nu er vi på vej ind i en tid, hvor CO2-niveauet kan være lige så højt, som det var for 200 millioner år siden. tidlige dinosaurer. Dette giver os en potentiel måde at se, hvordan alle faktorerne interagerer. Det har også resonans med vores søgen efter liv på Mars, eller for beboelige exoplaneter.