Na planetu, kakršen je Zemlja, ko se skala in voda skozi cikle in spremembe spreminjata, se topi in hladi ter erodira in nabira, raztrgana v širokih dolinah in zložena v visokih gorah, naravni pojavi preteklosti puščajo sledi v skorji planeta. Na primer, z odpravljanjem starodavnega ledu lahko znanstveniki preučujejo ujete delce in spoznajo atmosferske razmere pred milijoni let. S preučevanjem magnetnih mineralov, vgrajenih v starodavno skalo, so geologi spoznali, da magnetno polje planeta obrne polotoke - približno enkrat na 250.000 let v povprečju.
Znanstveniki se lahko naučijo veliko o Zemlji iz geoloških plasti njene skorje, še več informacij pa se lahko skriva znotraj skalnega zapisa. Po besedah geologa in paleontologa Paula Olsena z univerze Columbia se pod našimi nogami lahko najdejo ključi zgodovine ne le našega planeta, temveč tudi osončja in galaksije.
V študiji, objavljeni danes v zborniku Proceedings of the National Academy of Science, Olsen in sodelavci trdijo, da je mogoče astronomske cikle planetov meriti v kopenskih plasteh kamnin. Cilindrična jedra kamnine, ki se izvlečejo iz tal, nekaj se razteza na tisoče metrov in se razteza na milijone let zgodovine, lahko vsebujejo subtilne sledi vpliva gravitacije drugih planetov, kar omogoča znanstvenikom, da sklepajo o zgodovinskih položajih planetov pred stotimi milijoni let .
"To je nov svet empiričnih podatkov, ki omogoča preizkuse obsežne teorije osončja, " pravi Olsen. Svoj model imenuje Geološka ordinacija, imenovana po mehanskih modelih osončja iz 18. stoletja. Delo ni moglo zagotoviti samo neodvisnega nabora podatkov za testiranje obstoječih modelov gibanja planetov, ampak je bilo uporabljeno tudi za razkrivanje orbitalnih ciklov, ki jih prej še nikoli niso merili. Geološka ordinacija bi lahko bila celo uporabljena kot novo orodje za preizkušanje nekaterih najosnovnejših teorij znanosti, kot so Einsteinova splošna teorija relativnosti, morebitni obstoj dodatnih planetov v starodavnem osončju in celo gravitacijski vplivi temne snovi v Mlečni poti, pravi Olsen.
Geolog Paul Olsen v Arizonskem narodnem parku Petrified Forest, kjer 200 milijonov let stare skale pomagajo razkriti dolgotrajne gibe drugih planetov. (Kevin Krajick / Earth Institute, Univerza Columbia) "Ta članek je poskus rešiti zelo težaven in moten problem za astronome in geologe, ki jih zanima zgodovina osončja in kako je vplival na sistem Zemlje - podnebje, sedimentacija in podobno, " pravi Spencer Lucas, geolog in paleontolog iz Prirodoslovnega muzeja v Novi Mehiki, ki ni bil vključen v raziskavo. "Ti astronomski cikli so se razvijali že sto milijonov let in v tej evoluciji je določena količina kaosa, zato je bil geologom in astronomom vedno velik izziv, da bi poskušali razumeti, kaj se je zgodilo s temi cikli."
Plasti Zemljine skorje predstavljajo preteklo podnebje, na to podnebje pa so vplivala nebesna gibanja, imenovana Milankovičevi cikli. Poimenovani po srbskem geofiziku in astronomu Milutinu Milankoviču, so ti cikli rezultat gravitacijskih interakcij Zemlje z drugimi planeti, ki vplivajo na Zemljino pot okoli sonca, vključno z obliko njegove eliptične poti (ekscentričnost), pa tudi nagibom (poševnostjo) in nihanjem (precesija) osi planeta.
Spremembe Zemljine orbite vplivajo na podnebje planeta, in kot je Olsen prvič trdil v članku iz leta 1986 v Science, bi lahko zapis preteklih podnebjev uporabili za sklepanje o položajih in premikih drugih planetov.
Toda zakaj bi morali izkopati zemeljska jedra, da bi ugotovili poti drugih planetov? S pomočjo zakonov orbitalne mehanike lahko znanstveniki ustvarijo matematične modele za preučevanje zgodovine naše male sončne soseske v vesolju.
Takšni modeli pa so zanesljivi samo do neke mere, pravi Olsen. Nobena preprosta matematična enačba ne opisuje gibov več kot dveh gibajočih se teles v vesolju z visoko stopnjo gotovosti. Z osmimi planeti in soncem, da ne govorimo o milijonih manjših teles v osončju, astronomi ne morejo razviti analitičnih rešitev, s katerimi bi opisali natančno gibanje planetov v daljni preteklosti. Namesto tega raziskovalci izračunajo nekdanje orbite planetov po en majhen prirastek. Glede na delo Jacquesa Laskarja, direktorja raziskav na pariškem observatoriju in soavtorja novega prispevka, se napake naberejo v vsakem časovnem intervalu, tako da napovedi postanejo skoraj neuporabne čez približno 60 milijonov let - ne več kot 4, 5 milijarde - letna zgodovina osončja.
Laskarjevi prejšnji računski modeli so bili tudi dokaz, da se lahko notranji planeti (Merkur, Venera, Zemlja in Mars) obnašajo kaotično. Ali z drugimi besedami, položaje teh štirih planetov bi lahko v veliki meri določali začetni pogoji, zaradi česar je skoraj nemogoče napovedati le na podlagi današnjih položajev in smeri.
"Ti kameni zapisi o podnebnih spremembah se izkažejo kot ključni za ugotovitev, kaj v resnici počne sončni sistem, " pravi Olsen.
Skalno jedro jezerskih sedimentov, ki se pridobivajo iz bazena Newark v osrednjem New Jerseyju, ki traja približno 40.000 let. (Paul Olsen) Dokazovanje sposobnosti njegove geološke ordinacije je Olsen vseživljenjsko delo. V svojem delu iz leta 1986 je analiziral jedra iz mezozojske Newark Supergrupe - sklop kamnin, ki se je oblikoval pred približno 200 do 227 milijoni let - v osrednjem New Jerseyju. Skala je vsebovala zapis o vzponu in padcu jezer v sozvočju z magnitudo tropskih monsunskih dežev, ki nihajo glede na različne količine sončne svetlobe v tropih, ki jih določajo zemeljska orbita in spinova os.
"To, kar vidimo v jedrih, so fizične manifestacije spreminjanja globine vode, " pravi Olsen po e-pošti. "Ko je bilo jezero v svoji najgloblji, morda več kot 100 metrov globoki, so se odlagale črne fino laminirane blato in ko je bilo zelo plitvo in celo sezonsko suho, so se odlagale rdeče blato z obilnimi razpokami za sušenje."
Olsen je uporabil Fourierovo analizo - metodo za predstavitev zapletenih valovnih oblik v enostavnejših sinusoidnih komponentah -, da je pokazal, da se ciklične spremembe podnebja Zemlje, ujete v geološkem zapisu, ujemajo s cikli nebesne mehanike Milankoviča. Vendar je obstajala ena nenavada.
"Eden od ciklov ni bil neposredno vezan na nič, kar je bilo takrat znano v orbitalnih ciklih, " pravi Olsen. "Dolga je bila približno dva milijona let in nisem vedel, kaj je to."
Potem ko je v devetdesetih letih prejšnjega stoletja prejel donacijo Nacionalne znanstvene fundacije (NSF) za izkop in analizo skoraj 22.600 čevljev neprekinjenih jeder iz sedmih krajev v Newarkovi superskupini, sta Olsen in njegovi sodelavci odkrila, da je skrivnostni cikel dolgoročni orbitalni cikel, ki ga je povzročila interakcije med Marsom in Zemljo. Ugotovitev "prinaša prve geološke dokaze o kaotičnem obnašanju notranjih planetov", Olsen in Dennis Kent, profesor geologije na univerzi Rutgers in soavtor novih raziskav, so zapisali v prispevku iz leta 1999, ki ga je objavilo Royal Society.
Za nadaljnje raziskovanje teh ciklov v rock plošči sta Olsen in njegova ekipa leta 2013 sprožila projekt Colorado Plateau Coring z drugo donacijo NSF. Skozi triasni del Chinle formacije v Arizonskem narodnem parku okamneli gozd so izvrtali jedro, dolgo več kot 1640 čevljev. Jedro Chinle vsebuje plasti vulkanskega pepela z cirkonskimi minerali, ki jih je mogoče radiometrično datirati.
Namestitev za pridobivanje jedra iz Chinle tvorbe v okamenelem gozdu Nacionalni park v Arizoni. (Paul Olsen) Z ustreznimi sledmi preobratov magnetnega polja Zemlje v vzorčnem jedru Chinle Formation s tistimi v jedru Newarka so raziskovalci lahko sklepali o natančnih datumih klimatskih ciklov, ki jih povzroča gravitacija drugih planetov. Njihova analiza je razkrila 405.000-letni cikel nebesne mehanike, ki sta ga povzročila Jupiter in Venera, in ki obstaja že 200 milijonov let, natanko tako kot danes.
Olsen in njegova ekipa sta v svojih najnovejših prispevkih dodala dodatne meritve s svojimi stratigrafskimi barvnimi lestvicami za proučevanje vzorca jedra, pa tudi geofizične meritve luknje v jedru (naravne radioaktivnost, gostota kamnine in zvočna hitrost so bili izmerjeni ). Skupina je tudi pregledala jedro za podatke rentgenske florescence, da je skrbno analizirala vse astronomske cikle, vidne v Newarkovi formaciji.
Ne glede na to, katere meritve so bile uporabljene, so bili v skali opredeljeni enaki planetarni vplivi. "Resnično je navdušujoče, če se te stvari lotijo, ko se odpravijo. Daješ občutek resničnosti ... ko se zgodi toliko neverjetnih stvari, "pravi Olsen. "Res je neverjetno."
Čeprav ima geološka ordinacija morda daljnosežne posledice za raziskave, je bila Olsenova drzna zamisel srečana z nekaj skepse. Njegovi modeli poskušajo izračunati izjemno veliko dejavnikov, da bi povezali kameni zapis z vplivom drugih planetov na podnebje Zemlje (zapleten sistem sam po sebi).
Lucas projekt imenuje "zelo zapletena hiša kart, ki ne počiva na trdnih znanstvenih temeljih." Pravi, da se v Newarkovi formaciji pojavljajo vrzeli, zato ne gre za popolno kronologijo 25-milijonskega obdobja, ki jo Olsen's skupina študirala. (Vendar sta Olsen in Kent v lanski raziskavi uporabila datiranje urana s svincem in ugotovila, da je geološki zapis v Newarkovem zaporedju dokončen za ustrezno časovno obdobje.) Tudi zapis Chinle je nepopoln, pravi Lucas, saj ga je odložil Reke in hitrosti sedimentacije sta med dvema odsekoma "zelo različni", kar otežuje uporabo Chinleja za zanesljivo umerjanje datumov v skali Newark.
Tudi Charles Darwin je prigovarjal o nepopolnosti geološkega zapisa in geologi široko sprejemajo, da zapis vsebuje vrzeli ali, znanstveno rečeno, "neskladnosti". Temeljno vprašanje je, koliko informacij je mogoče zanesljivo izvleči iz nepopolnega geološkega zapisa.
"Številni geologi začnejo s stališča, da moraš videti vse, preden lahko karkoli razumeš, " pravi Olsen. "Moj način delovanja je, da potisnem, kar je koristno v rock zapis in paleontološki zapis, kolikor ga lahko potisnete, da se stvari iz zgodovine izvlečejo, ki jih ne morete dobiti drugače."
Slika Paul Olsen zamišljenega pogleda Zemlje iz vesolja, ki je ponoči gledal vzhodno nad New York, z glavnimi planeti, ki se uporabljajo v Geološki ordinaciji. Od spodaj navzgor: Jupiter, Mars (rdečkasta), Venera in Luna, vse skupaj. (Paul Olsen) Nekateri znanstveniki menijo, da je Olsen zaskrbljen tudi zaradi vrzeli v zapisu. "Ti podatki, s katerimi se Paul Olsen ukvarja že vrsto let, so nekateri najboljši podatki, ki so jih kadar koli zbrali, " pravi Linda Hinnov, geologinja z univerze George Mason v Virginiji, ki ni bila vključena v raziskavo.
Hinnov pravi, da je zdaj izziv zapolniti vrzel med približno 50 in 200 milijoni let. Trenutno se geološki podatki in astronomski modeli ujemajo že od 0 do približno 50 milijonov let, pa tudi med približno 200 in 225 milijonov let. Za razširitev geološkega zalogovnika je treba vrzel med tema dvema obdobjema "zapolniti s podatki, ki so vsaj tako dobri kot podatki, ki so predstavljeni tukaj", pravi Hinnov.
Čeprav je skeptičen do nekaterih ugotovitev Olsenove ekipe, se Lucas strinja, da bo tovrstno delo, ki povezuje ploščo z nebesnimi telesi na nebu, postalo kritično za reševanje enega največjih znanstvenih problemov danes: razumevanje, kaj nadzoruje Zemljina klima. "Premalo razumemo razmerje med temi astronomskimi cikli, preteklimi podnebji in kako so se cikli skozi čas spreminjali, " pravi. "Karkoli takega, kar prispeva k našem razumevanju klimatskega sistema Zemlje, nam lahko pomaga bolje razumeti podnebje v prihodnosti, o čemer pravzaprav govorimo."
Geološka ordinacija je morda nepopolna in podobno kot računski modeli planetarnih sistemov je morda le natančna. Toda med čudeži kozmosa se začenjamo učiti, kako so gibi nebesnih teles, oddaljeni več milijonov in pred milijoni let, oblikovali sam svet, po katerem hodimo.
