Na planetě, jako je Země, jak hornina a voda procházejí cykly a změnami, tajícími a ochlazujícími a erodujícími a narůstajícími, rozprostřenými v širokých údolích a naskládanými ve vysokých horách, přírodní jevy minulých zanechávají stopy v kůře planety. Například vymrštěním starověkého ledu mohou vědci studovat zachycené částice a dozvědět se o atmosférických podmínkách před miliony let. Studiem magnetických minerálů zabudovaných do starověké skály se geologové dozvěděli, že magnetické pole planety obrací póly - v průměru asi jednou za 250 000 let.
Vědci se mohou dozvědět hodně o Zemi z geologických vrstev její kůry, ale ještě více informací může být skryto ve skalním záznamu. Podle geologa a paleontologa Paula Olsena z Columbia University lze pod nohama najít klíče k historii nejen naší planety, ale také sluneční soustavy a galaxie.
Ve studii zveřejněné dnes ve sborníku Národní akademie věd Olsen a jeho kolegové tvrdí, že astronomické cykly planet lze měřit v pozemských horních vrstvách. Válcová hornina těžená ze země, která se rozprostírají tisíce stop a překlenují miliony let historie, mohou obsahovat jemné stopy vlivu gravitace jiných planet, což vědcům umožňuje odvodit historické polohy planet před stovkami milionů let. .
"Toto je nový svět empirických dat, který umožňuje testování teorie velkého rozsahu sluneční soustavy, " říká Olsen. Svému modelu nazval Geologické orrerie, pojmenované po 18. století mechanickými modely sluneční soustavy. Práce nemohla poskytnout pouze nezávislý datový soubor pro testování existujících modelů planetárního pohybu, ale také se použila k odhalení orbitálních cyklů, které dříve nebyly měřeny. Geologický Orrery mohl být dokonce použit jako nový nástroj k testování některých nejzákladnějších teorií vědy, jako je Einsteinova obecná teorie relativity, možná existence dalších planet ve starověké sluneční soustavě a dokonce i gravitační vlivy temné hmoty. v Mléčné dráze, říká Olsen.
Geolog Paul Olsen v arizonském zkamenělém lesním národním parku, kde 200 milionů let staré skály pomáhají odhalit dávné pohyby jiných planet. (Kevin Krajick / Earth Institute, Columbia University) "Tento článek je pokusem vyřešit velmi obtížný a matoucí problém pro astronomy a geology, kteří se zajímají o historii sluneční soustavy a jak to ovlivnilo systém Země - klima, sedimentaci atd., " Říká Spencer Lucas, geolog a paleontolog v Muzeu přírodní historie a vědy v Novém Mexiku, kteří se studie nezúčastnili. "Tyto astronomické cykly se vyvíjely po stovky milionů let a v tomto vývoji je jisté množství chaosu, takže geologové a astronomové vždy měli velkou snahu pochopit, co se s těmito cykly stalo."
Vrstvy zemské kůry představují záznam minulých klimatických podmínek a tyto klima byly ovlivněny nebeskými pohyby zvanými Milankovitchovy cykly. Pojmenované pro srbský geofyzik a astronom Milutin Milankovitch, jsou tyto cykly výsledkem gravitačních interakcí Země s jinými planetami, které ovlivňují trajektorii Země kolem Slunce, včetně tvaru její eliptické dráhy (excentricita) a náklonu (šikmosti) a vlnění (precese) osy planety.
Změny na oběžné dráze Země ovlivňují klima planety, a jak Olsen poprvé tvrdil ve studii z roku 1986 ve vědě, mohl by se proto použít záznam minulých klimatů k odvození pozic a pohybů jiných planet.
Ale proč procházet problémy a náklady na vykopávání zemních jader, aby zjistili trajektorie jiných planet? Pomocí zákonů orbitální mechaniky mohou vědci vytvořit matematické modely pro studium historie naší malé sluneční čtvrti ve vesmíru.
Takové modely jsou však do jisté míry spolehlivé, říká Olsen. Žádné jednoduché matematické rovnice nepopisují pohyby více než dvou pohybujících se těles v prostoru s vysokou mírou jistoty. S osmi planetami a sluncem, nemluvě o milionech menších těl ve sluneční soustavě, nemohou astronomové vyvinout analytická řešení, která by popsala přesné pohyby planet v dávné minulosti. Místo toho vědci vypočítávají bývalé oběžné dráhy planet o jeden malý přírůstek najednou. Podle práce Jacquese Laskara, ředitele výzkumu v Pařížské observatoři a spoluautorky nového dokumentu, se v každém časovém intervalu hromadí chyby tak, že předpovědi jsou v podstatě zbytečné po více než 60 milionech let - ne příliš dlouho v 4, 5 miliardy - roční historie sluneční soustavy.
Laskarovy dřívější výpočetní modely také poskytly důkaz, že vnitřní planety (Merkur, Venuše, Země a Mars) se mohou chovat chaoticky. Nebo jinými slovy, pozice těchto čtyř planet by mohly být do značné míry určovány počátečními podmínkami, což je téměř nemožné předvídat pouze na základě pozic a směrů, které dnes vidíme.
"Ukázalo se, že tyto rockové záznamy o změně klimatu jsou klíčem k tomu, aby zjistily, co sluneční soustava vlastně dělá, " říká Olsen.
Skalní jádro jezerních sedimentů vytěžených z Newarkské pánve v centrálním New Jersey trvající asi 40 000 let. (Paul Olsen) Prokázání životaschopnosti jeho geologické ornice bylo celoživotní prací lásky k Olsenovi. Ve své práci z roku 1986 analyzoval jádra z mezozoické Newark Supergroup - shromáždění hornin vytvořených asi před 200 až 227 miliony let - v centrálním New Jersey. Skála obsahovala záznam o vzestupu a pádu jezer v synchronizaci s velikostí tropických monzunových dešťů, které kolísají podle proměnlivého množství slunečního světla v tropech určených orbitou Země a osou rotace.
"Co vidíme v jádrech, jsou fyzické projevy měnící se hloubky vody, " říká Olsen e-mailem. "Když bylo jezero nejhlubší, možná až přes 100 metrů hluboké, byly uloženy černé jemně laminované bahna, a když bylo velmi mělké a dokonce sezónně suché, byly položeny červené bahna s hojnými vysoušecími prasklinami."
Olsen použil Fourierovu analýzu - metodu představující složité průběhy v jednodušších sinusových komponentách - aby ukázal, že cyklické změny zemského klimatu zachycené v geologickém záznamu odpovídají Milankovitchovým cyklům nebeské mechaniky. Ale byla tu jedna zvláštnost.
"Jeden z cyklů nebyl přímo vázán na nic známého v té době na orbitálních cyklech, " říká Olsen. "Bylo to asi dva miliony let a já jsem nevěděl, co to je."
Po obdržení grantu National Science Foundation (NSF) v 90. letech 20. století, který měl vykopat a analyzovat téměř 22 600 stop nepřetržitých jader ze sedmi lokalit v Newark Supergroup, Olsen a jeho kolegové zjistili, že záhadný cyklus je dlouhodobým okružním cyklem způsobeným interakce mezi Marsem a Zemí. Zjištění „poskytuje první geologický důkaz chaotického chování vnitřních planet“, Olsen a Dennis Kent, profesor geologie na Rutgers University a spoluautor nového výzkumu, napsal v roce 1999 příspěvek publikovaný Královskou společností.
Za účelem dalšího prozkoumání těchto cyklů v rockovém rekordu zahájil Olsen a jeho tým v roce 2013 projekt Colorado Plateau Coring Project s dalším grantem NSF. Vyvrtali jádro dlouhé více než 1640 stop triassickou částí formace činčila v arizonském národním parku Petrified Forest. Jádro Chinle obsahuje vrstvy sopečného popela se zirkonovými minerály, které lze radiometricky datovat.
Instalace extrahovat jádro z formace Chinle v národním parku Petrified Forest, Arizona. (Paul Olsen) Vědci dokázali vysledovat přesná data klimatických cyklů způsobených gravitací jiných planet tím, že srovnali stopy zvratu zemského magnetického pole v jádru vzorku formace Chinle s těmi v jádru Newarku. Jejich analýza odhalila 405 000letý cyklus nebeské mechaniky způsobený Jupiterem a Venuší, který existuje 200 milionů let, přesně tak, jak je tomu dnes.
Ve své poslední práci Olsen a jeho tým přidali k svým modelům další měření, pomocí stratigrafické barevné škály studovali vzorek jádra a také geofyzikální měření díry jádra (byla změřena přirozená radioaktivita, hustota hornin a zvuková rychlost) ). Tým také prohledal jádro pro rentgenová fluorescenční data, aby pečlivě analyzoval všechny astronomické cykly viditelné ve formaci Newark.
Bez ohledu na to, která měření byla použita, byly ve skále identifikovány stejné planetární vlivy. "Je opravdu vzrušující vidět, jak tyto věci fungují, když fungují." Dává vám smysl pro realitu… když vyjde tolik nepravděpodobných věcí, “říká Olsen. "Je to opravdu úžasné."
Ačkoli má geologická ornitologie potenciálně dalekosáhlé důsledky pro výzkum, Olsenova odvážná myšlenka se setkala s určitou skepticismem. Jeho modely se pokoušejí vysvětlit mimořádný počet faktorů, aby propojily rockový rekord s vlivem jiných planet na zemské klima (komplexní systém sám o sobě).
Lucas nazývá projekt „velmi složitým domem karet, který nespočívá na spolehlivém vědeckém základu.“ Říká, že v Newarkové formaci jsou mezery, takže nejde o úplnou chronologii 25 milionového období, které Olsen skupina studovala. (Olsen a Kent však minulý rok ve studii použili datování olověného uranu a zjistili, že geologický záznam v Newarkově posloupnosti je pro příslušný časový rozvrh kompletní.) Lucinský záznam je také neúplný, protože byl uložen řeky a míry sedimentace jsou „velmi odlišné“ mezi dvěma sekcemi, což ztěžuje použití Chinle ke spolehlivé kalibraci dat v Newarkově skále.
Dokonce i Charles Darwin bědoval nad neúplností geologického záznamu a geologové široce uznávají, že záznam obsahuje mezery nebo ve vědecké řeči „nekonformity“. Základní otázkou je, kolik informací lze spolehlivě extrahovat z nedokonalého geologického záznamu.
"Spousta geologů začíná z pohledu, že musíte všechno vidět, než něco pochopíte, " říká Olsen. "Mým modus operandi je posunout to, co je užitečné v rockovém rekordu a paleontologickém záznamu, pokud je to možné, abyste se dostali z historie, že se nemůžete dostat jiným způsobem."
Obraz Paula Olsena o imaginárním pohledu na Zemi z vesmíru, který se v noci dívá na východ nad New York, s hlavními planetami používanými v Geologickém Orrery. Zdola nahoru: Jupiter, Mars (načervenalý), Venuše a Měsíc vše ve spojení. (Paul Olsen) I s mezerami v rockovém záznamu si někteří vědci myslí, že Olsen je na něco. "Tato data, na kterých Paul Olsen pracuje již mnoho let, jsou jedny z nejlepších dat, která kdy byla shromážděna, " říká Linda Hinnov, geologka na Univerzitě George Masona ve Virginii, která se studie nezúčastnila.
Hinnov říká, že výzvou je zaplnit mezeru před asi 50 až 200 miliony let. V současné době byla geologická data a astronomické modely porovnány před 0 až asi 50 miliony let, stejně jako před asi 200 až 225 miliony let. Abychom rozšířili Geologický Orrery, musí být mezera mezi těmito dvěma obdobími „vyplněna údaji, které jsou přinejmenším stejně dobré jako údaje, které jsou zde prezentovány, “ říká Hinnov.
I když je skeptický vůči některým konkrétním nálezům Olsenova týmu, Lucas souhlasí s tím, že tento druh práce spojující rockový rekord s nebeskými tělesy na obloze bude kritický pro řešení jednoho z největších vědeckých problémů dnes: pochopení toho, co kontroluje Zemské klima. "Nechápeme dost o vztahu mezi těmito astronomickými cykly, minulými klimatickými podmínkami a tím, jak se cykly změnily v čase, " říká. "Cokoliv takového, co přispívá k pochopení klimatického systému Země, má potenciál nám pomoci lépe porozumět budoucímu klimatu, což je vlastně to, o čem mluvíme o předpovídání."
Geologická orlice může být neúplná a podobně jako výpočetní modely planetárních systémů může být přesná pouze do určitého bodu. Ale mezi zázraky vesmíru se začínáme učit, jak pohyby nebeských těl, vzdálená miliony mil a milióny let, formovaly ten samý svět, kterým jdeme.
