Σε έναν πλανήτη όπως η Γη, καθώς ο βράχος και το νερό περνούν από κύκλους και αλλαγές, που λιώνουν και ψύχονται, διαβρώνουν και συσσωρεύονται, απογυμνώνονται σε μεγάλες κοιλάδες και στοιβάζονται σε ψηλά βουνά, τα φυσικά φαινόμενα του παρελθόντος αφήνουν ίχνη πίσω στο φλοιό του πλανήτη. Με τη διαμόρφωση του αρχαίου πάγου, για παράδειγμα, οι επιστήμονες μπορούν να μελετήσουν τα παγιδευμένα σωματίδια και να μάθουν για τις ατμοσφαιρικές συνθήκες πριν από εκατομμύρια χρόνια. Μελετώντας τα μαγνητικά ορυκτά που είναι ενσωματωμένα στο αρχαίο βράχο, οι γεωλόγοι έχουν μάθει ότι το μαγνητικό πεδίο του πλανήτη αντιστρέφει τους πόλους - περίπου κάθε 250.000 χρόνια κατά μέσο όρο.
Οι επιστήμονες μπορούν να μάθουν πολλά για τη Γη από τα γεωλογικά στρώματα της κρούστας της, αλλά ακόμη περισσότερες πληροφορίες μπορεί να είναι κρυμμένες μέσα στο rock record. Σύμφωνα με τον γεωλόγο και παλαιοντολόγο Paul Olsen του Πανεπιστημίου της Κολούμπια, τα κλειδιά για την ιστορία όχι μόνο του πλανήτη μας, αλλά και του ηλιακού συστήματος και του γαλαξία μπορούν να βρεθούν κάτω από τα πόδια μας.
Σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε σήμερα στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών, οι Olsen και οι συνάδελφοί του ισχυρίζονται ότι οι αστρονομικοί κύκλοι των πλανητών μπορούν να μετρηθούν σε χερσαία στρώματα βράχων. Οι κυλινδρικοί πυρήνες πετρωμάτων που εξάγονται από το έδαφος, μερικά χιλιάδες πόδια που εκτείνεται και εκτείνονται σε εκατομμύρια χρόνια ιστορίας, μπορεί να περιέχουν λεπτά ίχνη της επιρροής της βαρύτητας άλλων πλανητών, επιτρέποντας στους επιστήμονες να συνάγουν τις ιστορικές θέσεις των πλανητών εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια πριν .
"Αυτός είναι ένας νέος κόσμος εμπειρικών δεδομένων που επιτρέπει δοκιμές μεγάλης κλίμακας θεωρίας του ηλιακού συστήματος", λέει ο Olsen. Ονομάζει το μοντέλο του το Γεωλογικό Ωδείο, το οποίο πήρε το όνομά του από τα μηχανικά μοντέλα του ηλιακού συστήματος του 18ου αιώνα. Το έργο δεν θα μπορούσε να παράσχει μόνο ένα ανεξάρτητο σύνολο δεδομένων για τη δοκιμή των υφιστάμενων μοντέλων πλανητικής κίνησης, αλλά έχει επίσης χρησιμοποιηθεί για να αποκαλύψει κύκλους κύκλων που δεν είχαν μετρηθεί ποτέ πριν. Το Γεωλογικό Ωροσκόπιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως νέο εργαλείο για να δοκιμαστούν μερικές από τις πιο θεμελιώδεις θεωρίες στην επιστήμη, όπως η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, η πιθανή ύπαρξη επιπλέον πλανητών στο αρχαίο ηλιακό σύστημα και ακόμη και οι βαρυτικές επιρροές της σκοτεινής ύλης στο Γαλαξία, λέει ο Olsen.
Ο γεωλόγος Paul Olsen στο Εθνικό Πάρκο Απολιθωμένου Δάσους της Αριζόνα, όπου 200 εκατομμύρια χρόνια βράχια βοηθούν να αποκαλύψουν τις παλιές κινήσεις άλλων πλανητών. (Kevin Krajick / Ινστιτούτο Γης, Πανεπιστήμιο Κολούμπια) "Αυτό το έγγραφο είναι μια προσπάθεια επίλυσης ενός πολύ δύσκολου και προβληματικού προβλήματος για τους αστρονόμους και τους γεωλόγους που ενδιαφέρονται για την ιστορία του ηλιακού συστήματος και πώς επηρέασε το σύστημα-κλίμα της Γης, την καθίζηση κ.λπ.", λέει ο Spencer Lucas, γεωλόγος και παλαιοντολόγος στο Μουσείο Φυσικής Ιστορίας και Επιστήμης του Νέου Μεξικού που δεν συμμετείχε στη μελέτη. «Αυτοί οι αστρονομικοί κύκλοι εξελίχθηκαν για εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια και υπάρχει μια ορισμένη ποσότητα χάους σε αυτή την εξέλιξη, οπότε υπήρξε πάντα μια μεγάλη πρόκληση για τους γεωλόγους και τους αστρονόμους να προσπαθήσουν να καταλάβουν τι συνέβη σε αυτούς τους κύκλους».
Τα στρώματα της γήινης φλοιού αντιπροσωπεύουν ένα ιστορικό παρελθόντος κλίματος και αυτά τα κλίματα επηρεάστηκαν από ουράνιες κινήσεις που ονομάζονται κύκλοι Milankovitch. Οι κύκλοι αυτοί είναι το αποτέλεσμα των βαρυτικών αλληλεπιδράσεων της Γης με άλλους πλανήτες που επηρεάζουν την τροχιά της Γης γύρω από τον ήλιο, συμπεριλαμβανομένης της μορφής του ελλειπτικού μονοπατιού (εκκεντρικότητα), καθώς και της κλίσης και της ταλάντευσης (πρεξίματος) του άξονα του πλανήτη.
Οι αλλαγές στην τροχιά της Γης επηρεάζουν το κλίμα του πλανήτη και, όπως υποστήριξε αρχικά ο Olsen σε ένα έγγραφο του 1986 στην επιστήμη, ένα αρχείο παλαιών κλιμάτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να συναχθούν οι θέσεις και οι κινήσεις άλλων πλανητών.
Αλλά γιατί να περάσετε από το πρόβλημα και τη δαπάνη να σκάβετε πυρήνες πυρήνων για να διαπιστώσετε τις τροχιές άλλων πλανητών; Χρησιμοποιώντας τους νόμους της τροχιακής μηχανικής, οι επιστήμονες μπορούν να δημιουργήσουν μαθηματικά μοντέλα για να μελετήσουν την ιστορία της μικρής μας ηλιακής γειτονιάς στο διάστημα.
Τέτοια μοντέλα, ωστόσο, είναι μόνο αξιόπιστα σε ένα σημείο, λέει ο Olsen. Δεν υπάρχουν απλές μαθηματικές εξισώσεις που περιγράφουν τις κινήσεις περισσότερων από δύο κινούμενων σωμάτων στο διάστημα με υψηλό βαθμό βεβαιότητας. Με οκτώ πλανήτες και τον ήλιο, για να μην αναφέρουμε εκατομμύρια μικρότερα σώματα στο ηλιακό σύστημα, οι αστρονόμοι δεν μπορούν να αναπτύξουν αναλυτικές λύσεις για να περιγράψουν τις ακριβείς κινήσεις των πλανητών στο μακρινό παρελθόν. Αντ 'αυτού, οι ερευνητές υπολογίζουν τις πρώτες τροχιές των πλανητών μια μικρή αύξηση κάθε φορά. Σύμφωνα με το έργο του Jacques Laskar, διευθυντή έρευνας στο Παρατηρητήριο των Παρισίων και ενός συντάκτη της νέας δημοσίευσης, τα λάθη συσσωρεύονται σε κάθε χρονικό διάστημα έτσι ώστε οι προβλέψεις να καταστούν ουσιαστικά άχρηστες πέραν των 60 εκατομμυρίων ετών περίπου - η ιστορία του ηλιακού συστήματος.
Τα παλαιότερα υπολογιστικά μοντέλα του Laskar παρείχαν επίσης στοιχεία ότι οι εσωτερικοί πλανήτες (Ο υδράργυρος, η Αφροδίτη, η Γη και ο Άρης) μπορεί να συμπεριφέρονται χαοτικά. Ή με άλλα λόγια, οι θέσεις αυτών των τεσσάρων πλανητών θα μπορούσαν να καθοριστούν σε μεγάλο βαθμό από τις αρχικές συνθήκες, καθιστώντας σχεδόν αδύνατο να προβλεφθούν με βάση μόνο τις θέσεις και τις κατευθύνσεις που βλέπουμε σήμερα.
"Αυτά τα ροκ αρχεία της κλιματικής αλλαγής αποδεικνύονται το κλειδί για να υπολογίσουμε τι κάνει πραγματικά το ηλιακό σύστημα", λέει ο Olsen.
Ροκ πυρήνας των ιζημάτων της λίμνης που εξάγονται από τη λεκάνη του Νιούαρκ στο κεντρικό Νιου Τζέρσεϋ που εκτείνεται περίπου 40.000 χρόνια. (Paul Olsen) Η επίδειξη της βιωσιμότητας του Γεωλογικού Ωδείου του ήταν ένας δια βίου αγώνας αγάπης για τον Olsen. Στη μελέτη του του 1986, ανέλυσε τους πυρήνες από τη Μεσοζωική Supergroup του Νιούαρκ - μια συλλογή από βράχους που σχηματίστηκε περίπου 200 έως 227 εκατομμύρια χρόνια πριν - στο κεντρικό New Jersey. Ο βράχος περιείχε ένα αρχείο της ανόδου και της πτώσης των λιμνών σε συγχρονισμό με το μέγεθος των τροπικών βροχοπτώσεων, που κυμαίνονται ανάλογα με τις ποικίλες ποσότητες ηλιακού φωτός στις τροπικές περιοχές που καθορίζονται από την τροχιά της Γης και τον άξονα περιστροφής.
"Αυτό που βλέπουμε στους πυρήνες είναι φυσικές εκδηλώσεις του μεταβαλλόμενου βάθους του νερού", λέει ο Olsen μέσω ηλεκτρονικού ταχυδρομείου. "Όταν η λίμνη βρισκόταν στο βάθος της, ίσως και πάνω από 100 μέτρα βάθος, μαύρες λεπτές ελασματοποιημένες λάσπες είχαν κατατεθεί και όταν ήταν πολύ ρηχό και ακόμη εποχιακά ξηρό, οι κόκκινες λάσπες με άφθονες ρωγμές ξηράνθηκαν.
Ο Olsen χρησιμοποίησε την ανάλυση Fourier - μια μέθοδο που αντιπροσωπεύει πολύπλοκες κυματομορφές σε απλούστερα ημιτονοειδή συστατικά - για να δείξει ότι οι κυκλικές αλλαγές στο κλίμα της Γης που παγιδεύονται στο γεωλογικό αρχείο αντιστοιχούν στους κύκλους της ουράνιας μηχανικής Milankovitch. Αλλά υπήρχε μια περίεργη.
"Ένας από τους κύκλους δεν συνδέθηκε άμεσα με κάτι που ήταν γνωστό εκείνη τη στιγμή σε τροχιακούς κύκλους", λέει ο Olsen. "Ήταν περίπου δύο εκατομμύρια χρόνια, και δεν ήξερα τι ήταν."
Αφού έλαβε μια επιχορήγηση από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (NSF) κατά τη δεκαετία του 1990 για να ανασκάψει και να αναλύσει σχεδόν 22.600 πόδια συνεχόμενων πυρήνων από επτά τοποθεσίες στο Newark Supergroup, ο Olsen και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν ότι ο μυστηριώδης κύκλος ήταν ένας κύκλος τροχιάς μεγάλης διάρκειας που προκλήθηκε από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ Άρη και Γης. Το εύρημα "παρέχει την πρώτη γεωλογική ένδειξη της χαοτικής συμπεριφοράς των εσωτερικών πλανητών", γράφει ο Olsen και ο Dennis Kent, καθηγητής γεωλογίας στο Πανεπιστήμιο Rutgers και συνάδελφος για τη νέα έρευνα.
Για να διερευνήσει περαιτέρω αυτούς τους κύκλους στο rock record, ο Olsen και η ομάδα του ξεκίνησαν το πρόγραμμα Κολοράντο Plateau Coring το 2013 με μια άλλη επιχορήγηση από το NSF. Έφεραν έναν πυρήνα πάνω από 1.640 πόδια μέσα από το Τριαδικό τμήμα του Σχηματισμού Chinle στο Εθνικό Πάρκο Απολιθωμένου Δάσους της Αριζόνα. Ο πυρήνας Chinle περιέχει στρώματα ηφαιστειακής τέφρας με ορυκτά ζιρκονίου που μπορούν να χρονολογηθούν ραδιομετρικά.
Εγκατάσταση για την εξαγωγή πυρήνα από το σχηματισμό Chinle στο απολιθωμένο δάσος Εθνικό Πάρκο, Αριζόνα. (Paul Olsen) Αντιστοίχοντας τα ίχνη των αναστροφών του μαγνητικού πεδίου της Γης στον πυρήνα δείγματος σχηματισμού Chinle με αυτά του πυρήνα του Newark, οι ερευνητές μπορούσαν να συμπεράνουν τις ακριβείς ημερομηνίες των κλιματικών κύκλων που προκαλούνται από τη βαρύτητα άλλων πλανητών. Η ανάλυσή τους αποκάλυψε έναν κύκλο 405.000 χρόνων στην ουράνια μηχανική που προκλήθηκε από τον Δία και τη Αφροδίτη που υπήρχε για 200 εκατομμύρια χρόνια, ακριβώς όπως είναι και σήμερα.
Στην πιο πρόσφατη εργασία τους, ο Olsen και η ομάδα του πρόσθεσαν πρόσθετες μετρήσεις στα μοντέλα τους, χρησιμοποιώντας μια κλίμακα στρωματογραφικού χρώματος για να μελετήσουν το δείγμα πυρήνα καθώς και γεωφυσικές μετρήσεις της οπής πυρήνα (φυσική ραδιενέργεια, πυκνότητα βράχου και ηχητική ταχύτητα μετρήθηκαν όλα ). Επίσης, η ομάδα ανίχνευσε τον πυρήνα για δεδομένα φθορισμού ακτίνων Χ για να αναλύσει προσεκτικά όλους τους αστρονομικούς κύκλους που είναι ορατοί στο σχηματισμό του Νιούαρκ.
Ανεξάρτητα από ποιες μετρήσεις χρησιμοποιήθηκαν, οι ίδιες πλανητικές επιρροές εντοπίστηκαν στο βράχο. "Είναι πραγματικά συναρπαστικό να δούμε αυτά τα πράγματα να λειτουργούν όταν εξελίσσονται. Σας δίνει μια αίσθηση πραγματικότητας ... όταν δουλεύουν τόσα πολλά απίθανα πράγματα », λέει ο Olsen. "Είναι πραγματικά εκπληκτικό."
Παρόλο που το Γεωλογικό Όρεμα έχει δυνητικά εκτεταμένες ερευνητικές επιπτώσεις, η τολμηρή ιδέα του Olsen έχει συναντηθεί με κάποιο σκεπτικισμό. Τα μοντέλα του προσπαθούν να αντιληφθούν έναν εξαιρετικό αριθμό παραγόντων προκειμένου να συνδέσουν το βράχο με την επιρροή άλλων πλανητών στο κλίμα της Γης (ένα πολύπλοκο σύστημα από μόνο του).
Ο Λούκας ονομάζει το έργο "ένα πολύ περίπλοκο σπίτι καρτών που δεν στηρίζεται σε αξιόπιστο επιστημονικό υπόβαθρο." Λέει ότι υπάρχουν κενά στο σχηματισμό του Νιούαρκ, επομένως δεν είναι μια πλήρης χρονολογία της περιόδου των 25 εκατομμυρίων ετών που η Olsen ομάδα μελέτησε. (Olsen και Kent, ωστόσο, χρησιμοποίησαν μολύβι ουρανίου που χρονολογείται σε μια μελέτη πέρυσι και διαπίστωσε ότι το γεωλογικό αρχείο στην ακολουθία του Newark είναι πλήρες για το σχετικό χρονικό διάστημα.) Το αρχείο Chinle είναι ελλιπές επίσης, λέει ο Lucas, επειδή κατατέθηκε από οι ποταμοί και οι ρυθμοί καθίζησης είναι "εξαιρετικά διαφορετικοί" μεταξύ δύο τμημάτων, γεγονός που καθιστά δύσκολη τη χρήση του Chinle για την αξιόπιστη βαθμονόμηση των ημερομηνιών στο rock του Newark.
Ακόμη και ο Charles Darwin εξέφρασε την απογοήτευσή του για την ατέλεια του γεωλογικού μητρώου και οι γεωλόγοι δέχονται ευρέως ότι το αρχείο περιέχει κενά ή επιστημονικές αποκαλύψεις "ασυμφωνίες". Το θεμελιώδες ερώτημα είναι πόσες πληροφορίες μπορούν να εξαχθούν αξιόπιστα από ένα ατελές γεωλογικό αρχείο.
"Πολλοί γεωλόγοι ξεκινούν από την άποψη ότι πρέπει να δείτε τα πάντα για να καταλάβετε τίποτα", λέει ο Olsen. "Το modus operandi μου είναι να προωθήσω ό, τι είναι χρήσιμο στο rock record και το παλαιοντολογικό αρχείο όσο μπορείτε να το ωθήσετε για να βγάζετε τα πράγματα από την ιστορία που δεν μπορείτε να πάρετε άλλο τρόπο".
Μια ζωγραφική του Paul Olsen για μια φανταστική θέα της Γης από το διάστημα που κοιτάζει ανατολικά στη Νέα Υόρκη το βράδυ με τους κύριους πλανήτες που χρησιμοποιούνται στο Geological Orrery. Από κάτω προς τα πάνω: Ο Δίας, ο Άρης (κοκκινωπός), η Αφροδίτη και η Σελήνη όλα μαζί. (Paul Olsen) Ακόμα και με τα κενά στο rock record, μερικοί επιστήμονες πιστεύουν ότι ο Olsen είναι σε κάτι. "Αυτά τα στοιχεία που ο Paul Olsen εργάζονται εδώ και πολλά χρόνια είναι μερικά από τα καλύτερα δεδομένα που έχουν συλλεχθεί ποτέ", λέει η Linda Hinnov, γεωλόγος στο Πανεπιστήμιο George Mason στη Βιρτζίνια, που δεν συμμετείχε στη μελέτη.
Ο Χίννοφ λέει ότι η πρόκληση τώρα είναι να γεμίσει το χάσμα μεταξύ περίπου 50 και 200 εκατομμυρίων ετών πριν. Σήμερα, τα γεωλογικά δεδομένα και τα αστρονομικά μοντέλα έχουν αντιστοιχιστεί από 0 έως περίπου 50 εκατομμύρια χρόνια πριν, καθώς και μεταξύ περίπου 200 και 225 εκατομμυρίων ετών πριν. Για να επεκτείνουμε το γεωλογικό ορίζοντα, το χάσμα μεταξύ αυτών των δύο περιόδων "πρέπει να συμπληρωθεί με δεδομένα που είναι τουλάχιστον τόσο καλά όσο τα δεδομένα που παρουσιάζονται εδώ", λέει ο Hinnov.
Αν και είναι σκεπτικός για τα συγκεκριμένα ευρήματα της ομάδας του Olsen, ο Lucas συμφωνεί ότι αυτό το είδος εργασίας που συνδέει το rock record με τα ουράνια σώματα του ουρανού θα γίνει κρίσιμο για την επίλυση ενός από τα μεγαλύτερα επιστημονικά προβλήματα σήμερα: Το κλίμα της γης. "Δεν καταλαβαίνουμε αρκετά για τη σχέση μεταξύ αυτών των αστρονομικών κύκλων, τα παρελθόντα κλίματα και για το πώς οι κύκλοι έχουν αλλάξει διαχρονικά", λέει. "Κάτι τέτοιο, που συμβάλλει στην κατανόηση του κλιματικού συστήματος της Γης, έχει τη δυνατότητα να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε καλύτερα το μελλοντικό κλίμα, πράγμα που πραγματικά μιλάμε για πρόβλεψη".
Ο Γεωλογικός Ορίζοντας μπορεί να είναι ατελής και, όπως τα υπολογιστικά μοντέλα των πλανητικών συστημάτων, μπορεί να είναι ακριβής μόνο σε ένα σημείο. Αλλά ανάμεσα στα θαύματα του Κόσμου, αρχίζουμε να μαθαίνουμε πώς οι κινήσεις των ουράνιων σωμάτων, εκατομμύρια μίλια μακριά και πριν από εκατομμύρια χρόνια, έχουν διαμορφώσει τον ίδιο τον κόσμο στον οποίο περπατάμε.
