На такой планете, как Земля, когда скала и вода проходят через циклы и изменения, таяние и охлаждение, размывание и нарастание, разложение в широких долинах и сложение в возвышающихся горах, природные явления прошлого оставляют следы в коре. планеты. Например, вырубая древний лед, ученые могут изучать захваченные частицы и узнавать об атмосферных условиях миллионы лет назад. Изучая магнитные минералы, заложенные в древние породы, геологи узнали, что магнитное поле планеты меняет полюса - в среднем примерно раз в 250000 лет.
Ученые могут многое узнать о Земле из геологических слоев ее земной коры, но даже больше информации может быть скрыто в каменной записи. По словам геолога и палеонтолога Пола Олсена из Колумбийского университета, ключи от истории не только нашей планеты, но и Солнечной системы и галактики могут быть найдены под нашими ногами.
В исследовании, опубликованном сегодня в Слушаниях Национальной академии наук, Олсен и его коллеги утверждают, что астрономические циклы планет могут быть измерены в слоях земной породы. Цилиндрические керны горной породы, извлеченные из земли, некоторые протяженностью в тысячи футов и охватывающие миллионы лет истории, могут содержать тонкие следы влияния гравитации других планет, что позволяет ученым определять исторические положения планет сотни миллионов лет назад.,
«Это новый мир эмпирических данных, который позволяет проверить крупномасштабную теорию солнечной системы», - говорит Олсен. Свою модель он называет Геологическим Оррери, названным в честь механических моделей Солнечной системы XVIII века. Работа могла бы не только предоставить независимый набор данных для тестирования существующих моделей движения планет, но также использовалась для выявления орбитальных циклов, которые никогда не измерялись ранее. Геологический Оррери может даже использоваться в качестве нового инструмента для проверки некоторых из самых фундаментальных научных теорий, таких как общая теория относительности Эйнштейна, возможное существование дополнительных планет в древней солнечной системе и даже гравитационное влияние темной материи. в Млечном Пути, говорит Олсен.
Геолог Пол Олсен из Аризонского национального парка окаменелого леса, где 200-миллионные камни помогают раскрыть давние движения других планет. (Кевин Краик / Институт Земли, Колумбийский университет) «Эта статья является попыткой решить очень сложную и непонятную проблему для астрономов и геологов, которые интересуются историей Солнечной системы и ее влиянием на систему Земли - климат, осаждение и т. Д.», - говорит Спенсер Лукас, геолог и палеонтолог из Музея естественной истории и науки Нью-Мексико, который не принимал участия в исследовании. «Эти астрономические циклы развивались в течение сотен миллионов лет, и в этой эволюции существует определенный хаос, поэтому геологам и астрономам всегда было трудно понять, что произошло с этими циклами».
Слои земной коры представляют собой запись прошлых климатов, и эти климаты находились под влиянием небесных движений, называемых циклами Миланковича. Названные в честь сербского геофизика и астронома Милутина Миланковича, эти циклы являются результатом гравитационных взаимодействий Земли с другими планетами, которые влияют на траекторию движения Земли вокруг Солнца, включая форму ее эллиптического пути (эксцентриситета), а также наклон (наклонность) и колебание (прецессия) оси планеты.
Изменения на орбите Земли влияют на климат планеты, и, как впервые высказал Олсен в статье « Наука» за 1986 год, поэтому записи прошлых климатических условий могут быть использованы для определения позиций и движений других планет.
Но зачем тратить время на копание глиняных ядер, чтобы выяснить траектории других планет? Используя законы орбитальной механики, ученые могут создавать математические модели для изучения истории нашего маленького солнечного соседства в космосе.
Такие модели, однако, надежны только до некоторой степени, говорит Олсен. Никакие простые математические уравнения не описывают движения более двух движущихся тел в космосе с высокой степенью достоверности. С восемью планетами и солнцем, не говоря уже о миллионах меньших тел в солнечной системе, астрономы не могут разработать аналитические решения, чтобы описать точные движения планет в далеком прошлом. Вместо этого исследователи вычисляют прежние орбиты планет по одному небольшому приращению за раз. Согласно работе Жака Ласкара, директора по исследованиям Парижской обсерватории и соавтора новой статьи, ошибки накапливаются в каждом временном интервале, так что предсказания становятся практически бесполезными после 60 миллионов лет - не очень долго для 4, 5 миллиардов. летняя история солнечной системы.
Более ранние вычислительные модели Ласкара также предоставили доказательства того, что внутренние планеты (Меркурий, Венера, Земля и Марс) могут вести себя хаотично. Или, другими словами, положения этих четырех планет могут быть в значительной степени определены начальными условиями, что делает их почти невозможным для прогнозирования, основываясь исключительно на положениях и направлениях, наблюдаемых сегодня.
«Эти исторические данные об изменении климата оказываются ключом к выяснению того, что на самом деле делает Солнечная система», - говорит Олсен.
Скальное ядро озерных отложений, добываемых из бассейна Ньюарка в центральной части Нью-Джерси, охватывающее около 40000 лет. (Пол Олсен) Демонстрация жизнеспособности его Геологического Orrery была пожизненным трудом любви к Олсену. В своей статье 1986 года он проанализировал керны из мезозойской Ньюаркской супергруппы - скопления горных пород, образовавшихся примерно 200–227 миллионов лет назад - в центральном Нью-Джерси. Скала содержала записи о взлете и падении озер синхронно с величиной тропических муссонных дождей, которые колеблются в зависимости от различного количества солнечного света в тропиках, определяемых орбитой и осью вращения Земли.
«То, что мы видим в ядрах, - это физические проявления изменения глубины воды», - говорит Олсен по электронной почте. «Когда озеро было в его самой глубокой, возможно, глубине более 100 метров, черной мелкозернистой грязи отложения, а когда оно было очень мелким и даже сезонно сухим, красные грязи с обильными трещинами высыхания».
Олсен использовал анализ Фурье - метод представления сложных сигналов в более простых синусоидальных компонентах - чтобы показать, что циклические изменения климата Земли, попавшие в геологическую запись, соответствуют циклам небесной механики Миланковича. Но была одна странность.
«Один из циклов не был напрямую связан с чем-то известным в то время в орбитальных циклах», - говорит Олсен. «Это было около двух миллионов лет, и я не знал, что это было».
После получения гранта Национального научного фонда (NSF) в 1990-х годах для поиска и анализа почти 22 600 футов непрерывных ядер из семи участков в пределах Ньюаркской супергруппы, Олсен и его коллеги обнаружили, что таинственный цикл был долгопериодным орбитальным циклом, вызванным взаимодействие между Марсом и Землей. Открытие «предоставляет первые геологические свидетельства хаотического поведения внутренних планет», - написали Олсен и Деннис Кент, профессор геологии в Университете Рутгерса и соавтор нового исследования, в статье, опубликованной Королевским обществом в 1999 году.
Для дальнейшего изучения этих циклов в рок-записи Олсен и его команда в 2013 году запустили проект Colordo Plateau Coring Project с еще одним грантом NSF. Они пробурили керн длиной более 1640 футов через триасовый участок формации Чинл в Аризонском национальном парке окаменелых лесов. Ядро Chinle содержит слои вулканического пепла с минералами циркона, которые могут быть радиометрически датированы.
Установка для извлечения керна из формации Чинле в национальном парке Окаменевший лес, Аризона. (Пол Олсен) Путем сопоставления следов инверсий магнитного поля Земли в образце керна формации Чинль с таковыми в ядре Ньюарка исследователи смогли определить точные даты климатических циклов, вызванных гравитацией других планет. Их анализ выявил 405 000-летний цикл небесной механики, вызванный Юпитером и Венерой, который просуществовал 200 миллионов лет, точно так же, как сегодня.
В своей последней работе Олсен и его команда добавили дополнительные измерения к своим моделям, используя стратиграфическую цветовую шкалу для изучения образца керна, а также геофизические измерения керновой скважины (измеряли естественную радиоактивность, плотность породы и скорость звука). ). Команда также отсканировала ядро для данных рентгеновской флуоресценции, чтобы тщательно проанализировать все астрономические циклы, видимые в формации Ньюарка.
Независимо от того, какие измерения были использованы, одинаковые планетарные влияния были выявлены в породе. «Это действительно захватывающе видеть, как эти вещи работают, когда они работают. Это дает вам ощущение реальности ... когда получается так много невероятных вещей », - говорит Олсен. «Это действительно довольно удивительно».
Хотя Геологический Оррери имеет потенциально далеко идущие последствия для исследований, смелая идея Олсена была встречена с некоторым скептицизмом. Его модели пытаются объяснить необычайное количество факторов, чтобы связать записи горных пород с влиянием других планет на климат Земли (сложная система сама по себе).
Лукас называет этот проект «очень сложным карточным домиком, который не опирается на прочную научную основу». Он говорит, что в формации Ньюарка есть пробелы, так что это не полная хронология периода в 25 миллионов лет, который был у Олсена. группа изучала. (Однако Олсен и Кент использовали датирование по урану и свинцу в исследовании, проведенном в прошлом году, и обнаружили, что геологическая запись в последовательности Ньюарка завершена для соответствующего временного интервала.) Запись Chinle также неполная, говорит Лукас, потому что она была сдана на хранение реки и скорости осаждения «сильно различаются» между двумя участками, что затрудняет использование Chinle для надежной калибровки дат в скале Ньюарк.
Даже Чарльз Дарвин посетовал на незавершенность геологической записи, и геологи широко признают, что запись содержит пробелы или, с научной точки зрения, «несоответствия». Основной вопрос заключается в том, сколько информации можно надежно извлечь из несовершенной геологической записи.
«Многие геологи начинают с той точки зрения, что вам нужно увидеть все, прежде чем вы сможете что-то понять», - говорит Олсен. «Мой способ действия состоит в том, чтобы продвигать то, что полезно в рок-записи и палеонтологической записи, настолько, насколько вы можете продвигать ее, чтобы извлечь из истории вещи, которые вы не можете получить другим способом».
Картина Пола Олсена, представляющая воображаемый вид Земли из космоса, который ночью смотрит на восток над Нью-Йорком с основными планетами, используемыми в геологическом оррерии Снизу вверх: Юпитер, Марс (красноватый), Венера и Луна - все вместе. (Пол Олсен) Даже с пробелами в рок-записи, некоторые ученые считают, что Олсен на что-то. «Эти данные, над которыми Пол Олсен работал много лет, являются одними из лучших данных, которые когда-либо собирались», - говорит Линда Хиннов, геолог из Университета Джорджа Мейсона в Вирджинии, которая не участвовала в исследовании.
Хиннов говорит, что сейчас задача состоит в том, чтобы заполнить пробел между 50 и 200 миллионами лет назад. В настоящее время геологические данные и астрономические модели сопоставляются от 0 до 50 миллионов лет назад, а также от 200 до 225 миллионов лет назад. Чтобы расширить геологическую структуру, разрыв между этими двумя периодами «должен быть заполнен данными, которые, по крайней мере, столь же хороши, как и данные, представленные здесь», говорит Хиннов.
Хотя он скептически относится к некоторым конкретным выводам команды Олсена, Лукас согласен с тем, что этот тип работы, связывающий запись камня с небесными телами в небе, станет критически важным для решения одной из самых больших научных проблем сегодня: понимание того, что контролирует Климат Земли. «Мы недостаточно понимаем связь между этими астрономическими циклами, прошлым климатом и тем, как циклы менялись во времени», - говорит он. «Любое подобное, способствующее нашему пониманию климатической системы Земли, может помочь нам лучше понять будущий климат, о чем мы и говорим».
Геологический Orrery может быть неполным, и, как вычислительные модели планетных систем, он может быть точным только до определенной точки. Но среди чудес космоса мы начинаем узнавать, как движения небесных тел за миллионы миль отсюда и миллионы лет назад сформировали тот самый мир, по которому мы ходим.
