På en planet som Jorden, når klippen og vandet gennemgår cyklusser og ændringer, smelter og afkøles og eroderer og hæver sig, strippet ud i brede dale og stablet op i høje bjerge, efterlader fortidens naturlige fænomener spor i skorpen af planeten. Ved for eksempel at fjerne antikken, kan forskere studere de fangede partikler og lære om de atmosfæriske forhold for millioner af år siden. Ved at studere magnetiske mineraler, der er indlejret i gammel sten, har geologer lært, at planetens magnetfelt vender poler - ca. en gang hvert 250.000 år i gennemsnit.
Videnskabsmænd kan lære meget om Jorden fra de geologiske lag i dens skorpe, men endnu mere information kan være skjult inden for klippeapparatet. Ifølge geolog og paleontolog Paul Olsen fra Columbia University kan nøglerne til ikke kun vores planets historie, men også solsystemet og galaksen findes under vores fødder.
I en undersøgelse, der blev offentliggjort i dag i Proceedings of the National Academy of Science, argumenterer Olsen og kolleger for, at planeternes astronomiske cyklusser kan måles i jordbundne berglag. Cylindriske kerner af sten, der er udvundet fra jorden, nogle strækker sig over tusinder af fødder og spænder over millioner af års historie, kan indeholde subtile spor af indflydelsen fra andre planeteres tyngdekraft, hvilket giver forskere mulighed for at udlede de historiske positioner for planeter for hundreder af millioner år siden .
”Dette er en ny verden af empiriske data, der giver mulighed for test af storskala teori om solsystemet, ” siger Olsen. Han kalder sin model Geological Orrery, opkaldt efter 1700-tals mekaniske modeller af solsystemet. Arbejdet kunne ikke kun give et uafhængigt datasæt til at teste eksisterende modeller af planetarisk bevægelse, men det er også blevet brugt til at afsløre orbitalcyklusser, der aldrig før var blevet målt. Den geologiske orrery kunne endda bruges som et nyt værktøj til at teste nogle af de mest grundlæggende teorier i videnskaben, såsom Einsteins generelle relativitetsteori, den mulige eksistens af yderligere planeter i det gamle solsystem og endda gravitationspåvirkningerne af mørkt stof i Mælkevejen, siger Olsen.
Geolog Paul Olsen i Arizona Petrified Forest National Park, hvor 200 millioner år gamle klipper hjælper med at afsløre de længe siden bevægelser fra andre planeter. (Kevin Krajick / Earth Institute, Columbia University) ”Dette papir er et forsøg på at løse et meget vanskeligt og forvirrende problem for astronomer og geologer, der er interesseret i solsystemets historie, og hvordan det har påvirket Jordens system - klima, sedimentation osv.”, Siger Spencer Lucas, en geolog og paleontolog ved New Mexico Museum of Natural History and Science, som ikke var involveret i undersøgelsen. ”Disse astronomiske cyklusser har udviklet sig i hundreder af millioner af år, og der er en vis mængde kaos i denne udvikling, så det har altid været en stor udfordring for geologer og astronomer at prøve at forstå, hvad der skete med disse cyklusser.”
Lagene på jordskorpen repræsenterer en oversigt over tidligere klimaer, og disse klimaer blev påvirket af himmelbevægelser kaldet Milankovitch-cyklusser. Disse cykler er opkaldt efter den serbiske geofysiker og astronom Milutin Milankovitch og er resultatet af Jordens gravitationsinteraktion med andre planeter, der har indflydelse på Jordens bane omkring solen, herunder formen på dens elliptiske sti (excentricitet), såvel som hældningen (skråningen) og vuglingen (præcession) af planetens akse.
Ændringer i Jordens kredsløb påvirker planetens klima, og som Olsen først argumenterede i et papir fra 1986 i Science, kunne en fortegnelse over tidligere klimaer derfor bruges til at udlede positioner og bevægelser fra andre planeter.
Men hvorfor gå igennem besværet og udgifterne ved at grave jordkerner for at konstatere andre planets baner? Ved hjælp af orbitalmekanikens love kan forskere oprette matematiske modeller til at studere historien om vores lille solkvarter i rummet.
Sådanne modeller er imidlertid kun pålidelige til et punkt, siger Olsen. Ingen enkle matematiske ligninger beskriver bevægelserne fra mere end to bevægelige organer i rummet med en høj grad af sikkerhed. Med otte planeter og solen, for ikke at nævne millioner af mindre kroppe i solsystemet, kan astronomer ikke udvikle analytiske løsninger til at beskrive planernes nøjagtige bevægelser i den fjerne fortid. I stedet beregner forskere de tidligere baner på planeterne et lille trin ad gangen. Ifølge arbejdet fra Jacques Laskar, direktør for forskning ved Paris-observatoriet og en medforfatter til det nye papir, akkumuleres der fejl ved hvert tidsinterval, så forudsigelser bliver i det væsentlige nytteløse over ca. 60 millioner år - ikke meget længe i 4, 5-milliarder- årets historie af solsystemet.
Laskars tidligere beregningsmodeller gav også bevis på, at de indre planeter (Merkur, Venus, Jorden og Mars) kan opføre sig kaotisk. Eller med andre ord, placeringerne af disse fire planeter kunne i vid udstrækning bestemmes af de oprindelige forhold, hvilket gør dem næsten umulige at forudsige udelukkende baseret på de positioner og retninger, der ses i dag.
”Disse stenregistre over klimaændringer viser sig at være nøglen til at finde ud af, hvad solsystemet faktisk gør, ” siger Olsen.
Stenkerne i søsedimenter ekstraheret fra Newark-bassinet i det centrale New Jersey i cirka 40.000 år. (Paul Olsen) At demonstrere levedygtigheden af hans geologiske orrery har været en livslang arbejdskraft af kærlighed til Olsen. I sit papir fra 1986 analyserede han kerner fra den mesozoiske Newark Supergroup - en samling af klipper dannet for omkring 200 til 227 millioner år siden - i det centrale New Jersey. Klippen indeholdt en registrering af stigningen og faldet af søer synkroniseret med størrelsen af tropiske monsunregner, som svinger i henhold til forskellige mængder sollys ved troperne bestemt af Jordens bane- og spinakse.
”Det, vi ser i kernerne, er fysiske manifestationer af den skiftende vanddybde, ” siger Olsen via e-mail. ”Da søen var på sin dybeste, måske godt over 100 meter dybe, blev der afsat sorte fint laminerede mudder, og da det var meget lavt og endda sæsonbestemt, blev der lagt røde mudder med rigelige udtørrings revner.”
Olsen anvendte Fourier-analyse - en metode til at repræsentere komplekse bølgeformer i enklere sinusformede komponenter - for at vise, at de cykliske ændringer i Jordens klima, der er fanget i den geologiske rekord, matcher Milankovitch-cyklusserne i himmelmekanikken. Men der var en mærkelighed.
”En af cyklusserne var ikke bundet direkte til noget, der var kendt på det tidspunkt i kredsløbskredsløb, ” siger Olsen. ”Det var omkring to millioner år lang, og jeg vidste ikke, hvad det var.”
Efter at have modtaget et National Science Foundation (NSF) tilskud i 1990'erne til at grave op og analysere næsten 22.600 fod med kontinuerlige kerner fra syv steder i Newark Supergroup, opdagede Olsen og hans kolleger, at den mystiske cyklus var en langvarig orbitalcyklus forårsaget af samspillet mellem Mars og Jorden. Fundet "giver det første geologiske bevis på den indre planetes kaotiske opførsel, " skrev Olsen og Dennis Kent, professor i geologi ved Rutgers University og medforfatter til den nye forskning, i en artikel fra 1999, der blev offentliggjort af Royal Society.
For yderligere at udforske disse cyklusser i rockrekorden lancerede Olsen og hans team Colorado Plateau Coring Project i 2013 med et andet NSF-tilskud. De borede en kerne, der var mere end 1.640 fod lang gennem det triasiske afsnit i Chinle-formationen i Arizona's Petrified Forest National Park. Chinle-kernen indeholder vulkanske askelag med zirkonmineraler, der kan radiometrisk dateres.
Installation til at udtrække en kerne fra Chinle Formation i Petrified Forest National Park, Arizona. (Paul Olsen) Ved at matche spor af Jordens magnetfeltomvendinger i Chinle Formation-prøvekernen og dem i Newark-kernen, var forskerne i stand til at udlede de nøjagtige datoer for klimatiske cykler forårsaget af tyngdekraften af andre planeter. Deres analyse afslørede en 405.000-årig cyklus i himmelmekanik forårsaget af Jupiter og Venus, der har eksisteret i 200 millioner år, nøjagtigt som i dag.
I deres seneste artikel tilføjede Olsen og hans team yderligere målinger til deres modeller ved hjælp af en stratigrafisk farveskala til at undersøge kerneprøven såvel som geofysiske målinger af kernehullet (naturlig radioaktivitet, klippetæthed og lydhastighed blev alle målt ). Holdet scannede også kernen for røntgenstråle-florescensdata for nøje at analysere alle de astronomiske cyklusser, der var synlige i Newark-formationen.
Uanset hvilke målinger der blev anvendt, blev de samme planetariske påvirkninger identificeret i klippen. ”Det er virkelig spændende at se, at disse ting fungerer, når de træner. Det giver dig en følelse af virkelighed… når så mange usandsynlige ting fungerer, ”siger Olsen. ”Det er virkelig ganske fantastisk.”
Selvom den geologiske orrery har potentielt vidtrækkende forskningsimplikationer, er Olsens dristige idé blevet mødt med en vis skepsis. Hans modeller forsøger at redegøre for et ekstraordinært antal faktorer for at forbinde klippeposten til påvirkningen af andre planeter på Jordens klima (et komplekst system i sig selv).
Lucas kalder projektet "et meget komplekst hus af kort, der ikke hviler på et sundt videnskabeligt fundament." Han siger, at der er huller i Newark-formationen, så det er ikke en komplet kronologi i den 25 millioner år lange periode, som Olsens gruppe studeret. (Olsen og Kent brugte imidlertid uran-bly-datering i en undersøgelse sidste år og fandt, at den geologiske rekord i Newark-sekvensen er komplet for den relevante tidsperiode.) Chinle-posten er også ufuldstændig, siger Lucas, fordi den blev deponeret af floder og sedimenteringshastigheder er "enormt forskellige" mellem to sektioner, hvilket gør det vanskeligt at bruge Chinle til pålideligt at kalibrere datoerne i Newark-klippen.
Selv Charles Darwin beklagede ufuldstændigheden af den geologiske registrering, og geologer accepterer i vid udstrækning, at optegnelsen indeholder huller eller i videnskabelig sammenhæng “uoverensstemmelser.” Det grundlæggende spørgsmål er, hvor meget information, der kan drages pålideligt fra en ufuldkommen geologisk registrering.
”En masse geologer starter ud fra det synspunkt, at man skal se alt, før man kan forstå noget, ” siger Olsen. ”Min modus operandi er at skubbe det, der er nyttigt i klipperne og den paleontologiske rekord, så langt man kan skubbe det for at få ting ud af historien, som man ikke kan få nogen anden måde.”
Et maleri af Paul Olsen af en forestillet udsigt over Jorden fra rummet, der ser øst over New York om natten med de vigtigste planeter, der blev brugt i Geological Orrery. Fra bund til top: Jupiter, Mars (rødlig), Venus og Månen alle sammen. (Paul Olsen) Selv med huller i rockeposten tror nogle forskere, at Olsen er på noget. ”Disse data, som Paul Olsen har arbejdet med i mange år nu, er nogle af de bedste data, der nogensinde er blevet indsamlet, ” siger Linda Hinnov, en geolog ved George Mason University i Virginia, som ikke var involveret i undersøgelsen.
Hinnov siger, at udfordringen nu er at udfylde kløften mellem omkring 50 og 200 millioner år siden. I øjeblikket er de geologiske data og astronomiske modeller blevet matchet for 0 til ca. 50 millioner år siden, samt mellem ca. 200 og 225 millioner år siden. For at udvide den geologiske orrery skal kløften mellem disse to perioder "udfyldes med data, der er mindst lige så gode som de data, der er præsenteret her, " siger Hinnov.
Selvom han er skeptisk over for nogle af Olsens teams specifikke konklusioner, er Lucas enig i, at denne type arbejde, der forbinder rockeposten med de himmellegemer på himlen, bliver kritisk til at løse et af de største videnskabelige problemer i dag: forståelse af, hvad der styrer Jordens klima. ”Vi forstår ikke nok om forholdet mellem disse astronomiske cyklusser, tidligere klimaer, og hvordan cyklusserne har ændret sig gennem tiden, ” siger han. ”Alt som dette, der bidrager til vores forståelse af Jordens klimasystem, har potentialet til at hjælpe os med bedre at forstå fremtidens klima, hvilket virkelig er det, vi taler om at forudsige.”
Den geologiske orrery kan være ufuldstændig, og ligesom beregningsmodeller af planetariske systemer er det muligvis kun nøjagtigt til et punkt. Men blandt kosmos undere begynder vi at lære, hvordan bevægelserne fra himmellegemer, millioner af kilometer væk og for millioner af år siden, har formet den verden, vi går på.
