Na planeti poput Zemlje, dok stijena i voda prolaze kroz cikluse i promjene, topi se i hladi te se erodira i prikuplja, iscrpljeni u širokim dolinama i naslagani na visokim planinama, prirodni fenomeni prošlosti ostavljaju tragove u kore planeta. Na primjer, uklanjajući drevni led, znanstvenici mogu proučavati zarobljene čestice i naučiti o atmosferskim uvjetima prije milijuna godina. Proučavajući magnetske minerale ugrađene u drevnu stijenu, geolozi su saznali da magnetsko polje planeta okreće polove - otprilike jednom svakih 250.000 godina.
Znanstvenici mogu mnogo naučiti o Zemlji iz geoloških slojeva njene kore, ali čak se više podataka može sakriti u zapisu o stijeni. Prema geologu i paleontologu Paulu Olsenu sa Sveučilišta Columbia, ključevi povijesti ne samo našeg planeta, već i Sunčevog sustava i galaksije mogu se naći ispod naših nogu.
U studiji objavljenoj danas u Proceedings of the National Academy of Science, Olsen i kolege tvrde da se astronomski ciklusi planeta mogu mjeriti u zemaljskim stijenama. Cilindrične jezgre stijena izvađene iz zemlje, neke se protežu na tisuće metara i protežu se više milijuna godina povijesti, mogu sadržavati suptilne tragove utjecaja gravitacije drugih planeta, omogućavajući znanstvenicima da zaključe povijesne položaje planeta prije stotine milijuna godina,
"Ovo je novi svijet empirijskih podataka koji omogućuje ispitivanja velikih teorija sunčevog sustava", kaže Olsen. Naziva svoj model Geološka ordinacija, nazvana po mehaničkim modelima Sunčevog sustava iz 18. stoljeća. Djelo nije moglo pružiti samo neovisan skup podataka za testiranje postojećih modela kretanja planeta, već je korišteno i za otkrivanje orbitalnih ciklusa koji nikada prije nisu bili mjereni. Geološka ordinacija mogla bi se koristiti i kao novi alat za ispitivanje nekih najosnovnijih teorija u znanosti, kao što je Einsteinova opća teorija relativnosti, moguće postojanje dodatnih planeta u drevnom Sunčevom sustavu, pa čak i gravitacijski utjecaji tamne materije u Mliječnom putu, kaže Olsen.
Geolog Paul Olsen iz Arizonskog nacionalnog parka Petrified Forest, gdje 200 milijuna godina stare stijene pomažu u otkrivanju davnih pokreta drugih planeta. (Kevin Krajick / Institut za zemlju, Sveučilište Columbia) "Ovaj je rad pokušaj rješavanja vrlo teškog i zbunjujućeg problema za astronome i geologe koji su zainteresirani za povijest Sunčevog sustava i kako je to utjecalo na Zemljin sustav - klimu, sedimentaciju i slično, " kaže Spencer Lucas, geolog i paleontolog iz Prirodoslovnog muzeja u Novom Meksiku koji nije bio uključen u studiju. "Ovi astronomski ciklusi razvijali su se stotinama milijuna godina, a u toj evoluciji postoji određeni kaos, tako da je geologima i astronomima uvijek bio veliki izazov pokušati razumjeti što se dogodilo s tim ciklusima."
Slojevi Zemljine kore predstavljaju zapis prošlih podneblja, a na te su klimatske uticaje utjecali nebeski pokreti zvani Milankovičevi ciklusi. Nazvani za srpskog geofizičara i astronoma Milutina Milankoviča, ovi su ciklusi rezultat Zemljinih gravitacijskih interakcija s drugim planetima koji utječu na putanju Zemlje oko Sunca, uključujući oblik njegovog eliptičnog puta (ekscentričnost), kao i nagib (kosa) i kolebanje (precesija) osi planeta.
Promjene u Zemljinoj orbiti utječu na klimu planeta, a kako je Olsen prvi put tvrdio u časopisu Science iz 1986. godine, zapis prošlih klime mogao bi se stoga upotrijebiti za zaključivanje položaja i pokreta drugih planeta.
Ali zašto prolaziti kroz probleme i trošak iskopavanja zemljanih jezgara da bismo utvrdili putanje drugih planeta? Koristeći zakone orbitalne mehanike, znanstvenici mogu stvoriti matematičke modele za proučavanje povijesti našeg malog solarnog susjedstva u svemiru.
Međutim, takvi su modeli pouzdani samo, kaže Olsen. Nijedna jednostavna matematička jednadžba ne opisuje kretanja više od dva pomična tijela u prostoru s velikim stupnjem sigurnosti. S osam planeta i suncem, a da ne spominjemo milijune manjih tijela u Sunčevom sustavu, astronomi ne mogu razviti analitička rješenja koja bi opisala točne pokrete planeta u dalekoj prošlosti. Umjesto toga, istraživači izračunavaju nekadašnje orbite planeta po jedan mali priraštaj. Prema radu Jacquesa Laskara, direktora istraživanja u Pariskom opservatoriju i koautora novog rada, pogreške se gomilaju u svakom vremenskom intervalu tako da predviđanja postaju u suštini beskorisna nakon oko 60 milijuna godina - ne baš dugo u 4, 5 milijardi godina povijesti Sunčevog sustava.
Laskarovi raniji računski modeli također su pružili dokaz da se unutarnji planeti (Merkur, Venera, Zemlja i Mars) mogu ponašati kaotično. Ili drugim riječima, položaji ove četiri planete mogli bi se u velikoj mjeri odrediti početnim uvjetima, zbog čega je gotovo nemoguće predvidjeti isključivo na osnovu današnjih položaja i pravaca.
"Ovi kameni zapisi o klimatskim promjenama pokazali su se ključnim za otkrivanje onoga što Sunčev sustav zapravo radi", kaže Olsen.
Kameno jezgro jezerskih sedimenata izvađeno iz bazena Newark u središnjem dijelu New Jerseyja, koje se protežu oko 40 000 godina. (Paul Olsen) Dokazivanje održivosti njegove geološke ordinacije bio je Olsenov životni rad ljubavi. U svom radu iz 1986. analizirao je jezgre iz mezozojske Newark Supergrupe - skup stijena formiranih prije otprilike 200 do 227 milijuna godina - u središnjem New Jerseyju. Stijena je sadržavala zapis uspona i padova jezera sinkronizirano s veličinom tropskih monsunskih kiša, koje fluktuiraju ovisno o različitim količinama sunčeve svjetlosti u tropima određenim Zemljinom orbitom i osi spina.
"Ono što vidimo u jezgrama su fizičke manifestacije mijenjanja dubine vode, " Olsen kaže putem e-pošte. "Kad je jezero bilo u najdubljem, možda preko 100 metara dubokom, taložila se crna fino laminirana blata, a kad je bila vrlo plitka, pa čak i sezonski suha, crveni blato s obilnim pukotinama isušivanja."
Olsen je koristio Fourierovu analizu - metodu za predstavljanje složenih valnih oblika u jednostavnijim sinusoidnim komponentama - kako bi pokazao da se cikličke promjene Zemljine klime zarobljene u geološkom zapisu podudaraju s Milankovičevim ciklusima nebeske mehanike. Ali postojala je jedna čudnost.
"Jedan od ciklusa nije bio izravno vezan za ništa što se tada znalo u orbitalnim ciklusima", kaže Olsen. "Bilo je dugo oko dva milijuna godina, a nisam znao što je to."
Nakon što je tijekom 1990-ih dobio grant Nacionalne zaklade za znanost (NSF) za iskop i analizu gotovo 22.600 metara neprekidnih jezgara sa sedam nalazišta u Newark Supergroupu, Olsen i njegovi kolege otkrili su da je misteriozni ciklus bio orbitalni ciklus dugog razdoblja uzrokovan interakcije između Marsa i Zemlje. Otkriće "pruža prve geološke dokaze o kaotičnom ponašanju unutarnjih planeta", Olsen i Dennis Kent, profesori geologije na Sveučilištu Rutgers i koautori za nova istraživanja, napisali su u radu iz 1999. godine koji je objavilo Royal Society.
Kako bi dodatno opisali ove cikluse u rock zapisu, Olsen i njegov tim pokrenuli su projekt Colorado Plateau Coring 2013. godine s još jednom donacijom NSF-a. Oni su izbušili jezgru dužu više od 1640 metara kroz trijasni odjel Chinle formacije u Arizonskom nacionalnom parku okamenjenih šuma. Jezgra Chinle sadrži slojeve vulkanskog pepela s mineralima cirkona koji se mogu datirati radiometrijski.
Instalacija za vađenje jezgre iz Chinle formacije u Petrified Forest Nacionalnom parku, Arizona. (Paul Olsen) Usklađivanjem tragova obrnutosti magnetskog polja Zemlje u uzorku jezgre Chinle Formation s onima u jezgri Newarka, istraživači su mogli zaključiti točne datume klimatskih ciklusa uzrokovane gravitacijom drugih planeta. Njihova analiza otkrila je 405.000-godišnji ciklus nebeske mehanike uzrokovan Jupiterom i Venerom koji postoji već 200 milijuna godina, točno kao i danas.
U svom najnovijem radu Olsen i njegov tim dodali su dodatna mjerenja svojim modelima, koristeći stratigrafsku ljestvicu boja za proučavanje uzorka jezgre, kao i geofizička mjerenja rupe u jezgri (prirodna radioaktivnost, gustoća stijena i zvučna brzina su izmjereni) ). Tim je također skenirao jezgru za podatke o rendgenskoj florescentnosti kako bi pažljivo analizirao sve astronomske cikluse vidljive u Newark formaciji.
Bez obzira koja mjerenja su korištena, u stijeni su identificirani isti planetarni utjecaji. "Stvarno je uzbudljivo vidjeti kako se te stvari ispoljavaju kad prođu. To vam daje osjećaj stvarnosti ... kada se dogodi toliko nevjerovatnih stvari ", kaže Olsen. "Zaista je nevjerojatno."
Iako Geološka ordinacija ima potencijalno dalekosežne implikacije na istraživanje, Olsenova smjela ideja ispunjena je s nekim skepticizmom. Njegovi modeli pokušavaju objasniti izvanredan broj čimbenika kako bi povezao kameni zapis s utjecajem drugih planeta na klimu Zemlje (složen i sam po sebi sustav).
Lucas projekt naziva "vrlo složenom kućom karata koja ne počiva na zdravim znanstvenim osnovama." Kaže da u Newark-ovoj formaciji postoje praznine, tako da to nije potpuna kronologija razdoblja od 25 milijuna godina koje je Olsenov skupina proučavala. (Olsen i Kent, međutim, koristili su datiranje urana i olova u jednom istraživanju prošle godine i utvrdili da je geološki zapis u Newarkovom nizu potpun za odgovarajuće vremensko razdoblje.) Chinleov zapis je takođe nepotpun, kaže Lucas, jer ga je deponirao rijeke i stupnjevi sedimentacije su "vrlo različiti" između dva dijela, što otežava korištenje Chinle-a za pouzdano umjeravanje datuma u stijeni Newark.
Čak je i Charles Darwin žalio zbog nepotpunosti geološkog zapisa, a geolozi široko prihvaćaju da zapis sadrži nedostatke ili, znanstveno rečeno, "neusklađenosti". Temeljno pitanje je koliko se informacija može pouzdano izvući iz nesavršenog geološkog zapisa.
"Puno geologa počinje s gledišta da morate vidjeti sve prije nego što išta shvatite", kaže Olsen. "Moj način rada je da potisnem ono što je korisno u rock zapisu i paleontološkom zapisu onoliko koliko možete da ga gurnete da biste izvukli stvari iz povijesti koje ne možete dobiti na drugi način."
Slika Paul Olsen zamišljenog pogleda Zemlje iz svemira koji noću gleda na istok iznad New Yorka, s glavnim planetima korištenim u Geološkom rudniku. Od dna do vrha: Jupiter, Mars (crvenkast), Venera i Mjesec, zajedno. (Paul Olsen) Čak i uz nedostatke u rock zapisu, neki znanstvenici misle kako je Olsen u nečemu. "Ovi podaci na kojima Paul Olsen radi već duži niz godina su neki od najboljih podataka koje su ikada prikupljeni", kaže Linda Hinnov, geolog sa sveučilišta George Mason u Virginiji, koja nije bila uključena u studiju.
Hinnov kaže kako je sada izazov popuniti jaz između prije oko 50 i 200 milijuna godina. Trenutno se geološki podaci i astronomski modeli podudaraju od 0 do oko 50 milijuna godina, kao i prije otprilike 200 do 225 milijuna godina. Kako bi se proširio Geološki zavod, jaz između ta dva razdoblja "mora se popuniti podacima koji su barem toliko dobri kao i ovdje prikazani podaci", kaže Hinnov.
Iako je skeptičan prema nekim specifičnim nalazima Olsenovog tima, Lucas se slaže da će ova vrsta rada, povezujući rock zapis sa nebeskim tijelima na nebu, postati kritična za rješavanje jednog od najvećih znanstvenih problema danas: razumijevanja onoga što kontrolira Zemljina klima. "Ne razumijemo dovoljno u odnosu između ovih astronomskih ciklusa, prošlih podneblja i kako su se ciklusi mijenjali kroz vrijeme", kaže on. "Bilo što poput ovoga što pridonosi našem razumijevanju klimatskog sustava Zemlje ima potencijal koji će nam pomoći da bolje razumijemo klimu u budućnosti, o čemu zapravo govorimo."
Geološka ordinacija je možda nepotpuna, i poput računskih modela planetarnih sustava, može biti točno samo do određene točke. Ali među čudima kosmosa, počinjemo učiti kako su pokreti nebeskih tijela, udaljeni milijunima i milijunima godina, oblikovali sam svijet po kojem hodamo.
