Auf einem Planeten wie der Erde hinterlassen die Naturphänomene der Vergangenheit Spuren in der Kruste, während der Fels und das Wasser Zyklen durchlaufen und sich verändern, schmelzen und abkühlen sowie erodieren und anwachsen, sich in weiten Tälern ausbreiten und sich in hohen Bergen stapeln des Planeten. Zum Beispiel können Wissenschaftler durch Ausbohren des alten Eises die eingefangenen Partikel untersuchen und mehr über die atmosphärischen Bedingungen vor Millionen von Jahren erfahren. Durch die Untersuchung magnetischer Mineralien, die in uraltem Gestein eingebettet sind, haben Geologen erfahren, dass das Magnetfeld des Planeten die Pole umkehrt - im Durchschnitt etwa alle 250.000 Jahre.
Wissenschaftler können viel über die Erde aus den geologischen Schichten ihrer Erdkruste lernen, aber möglicherweise sind noch mehr Informationen in den Gesteinsaufzeichnungen verborgen. Laut dem Geologen und Paläontologen Paul Olsen von der Columbia University liegen die Schlüssel zur Geschichte nicht nur unseres Planeten, sondern auch des Sonnensystems und der Galaxie unter unseren Füßen.
In einer Studie, die heute in den Proceedings der National Academy of Science veröffentlicht wurde, argumentieren Olsen und Kollegen, dass astronomische Zyklen der Planeten in terrestrischen Gesteinsschichten gemessen werden können. Aus dem Boden entnommene, zylinderförmige Gesteinsbrocken, von denen einige Tausende von Metern lang sind und Millionen von Jahren zurückreichen, können subtile Spuren des Einflusses der Schwerkraft anderer Planeten enthalten, so dass Wissenschaftler auf die historische Position von Planeten vor Hunderten von Millionen von Jahren schließen können .
"Dies ist eine neue Welt empirischer Daten, die Tests für die Theorie des Sonnensystems in großem Maßstab ermöglicht", sagt Olsen. Er nennt sein Modell die Geologische Orrery, benannt nach mechanischen Modellen des Sonnensystems aus dem 18. Jahrhundert. Die Arbeit konnte nicht nur einen unabhängigen Datensatz liefern, um vorhandene Modelle der Planetenbewegung zu testen, sondern sie wurde auch verwendet, um Bahnzyklen aufzudecken, die noch nie zuvor gemessen wurden. Das Geologische Orrery könnte sogar als neues Instrument verwendet werden, um einige der grundlegendsten Theorien der Wissenschaft zu testen, wie Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, die mögliche Existenz zusätzlicher Planeten im alten Sonnensystem und sogar die Gravitationseinflüsse der dunklen Materie in der Milchstraße, sagt Olsen.
Der Geologe Paul Olsen im Petrified Forest National Park in Arizona, wo 200 Millionen Jahre alte Gesteine dabei helfen, die Bewegungen anderer Planeten zu enthüllen. (Kevin Krajick / Earth Institute, Columbia University) "Dieses Papier ist ein Versuch, ein sehr schwieriges und verwirrendes Problem für Astronomen und Geologen zu lösen, die an der Geschichte des Sonnensystems interessiert sind und wie es das Erdsystem beeinflusst hat - Klima, Sedimentation usw.", sagt Spencer Lucas, a Geologe und Paläontologe am New Mexico Museum of Natural History and Science, der nicht an der Studie beteiligt war. "Diese astronomischen Zyklen haben sich seit Hunderten von Millionen von Jahren entwickelt, und in dieser Entwicklung herrscht ein gewisses Chaos. Daher war es für Geologen und Astronomen immer eine große Herausforderung, zu verstehen, was mit diesen Zyklen geschehen ist."
Die Schichten der Erdkruste stellen eine Aufzeichnung vergangener Klimazonen dar, und diese Klimazonen wurden durch Himmelsbewegungen beeinflusst, die als Milankovitch-Zyklen bezeichnet wurden. Diese Zyklen, die nach dem serbischen Geophysiker und Astronomen Milutin Milankovitch benannt wurden, sind das Ergebnis der Gravitationswechselwirkungen der Erde mit anderen Planeten, die die Flugbahn der Erde um die Sonne beeinflussen, einschließlich der Form ihres elliptischen Pfades (Exzentrizität) sowie der Neigung (Schrägstellung) und des Wackelns (Präzession) der Planetenachse.
Änderungen der Erdumlaufbahn beeinflussen das Klima des Planeten, und wie Olsen erstmals 1986 in einem wissenschaftlichen Artikel darlegte, könnte eine Aufzeichnung vergangener Klimazonen verwendet werden, um die Positionen und Bewegungen anderer Planeten abzuleiten.
Aber warum sollte man sich die Mühe und die Kosten machen, Erdkerne auszugraben, um die Flugbahn anderer Planeten festzustellen? Mithilfe der Gesetze der Orbitalmechanik können Wissenschaftler mathematische Modelle erstellen, um die Geschichte unserer kleinen solaren Nachbarschaft im Weltraum zu untersuchen.
Solche Modelle sind jedoch nur bis zu einem gewissen Punkt zuverlässig, sagt Olsen. Keine einfachen mathematischen Gleichungen beschreiben die Bewegungen von mehr als zwei sich bewegenden Körpern im Raum mit einem hohen Maß an Sicherheit. Mit acht Planeten und der Sonne, ganz zu schweigen von Millionen kleinerer Körper im Sonnensystem, können Astronomen keine analytischen Lösungen entwickeln, um die exakten Bewegungen der Planeten in der fernen Vergangenheit zu beschreiben. Stattdessen berechnen die Forscher die früheren Umlaufbahnen der Planeten in kleinen Schritten. Laut der Arbeit von Jacques Laskar, Forschungsdirektor am Pariser Observatorium und Mitverfasser der neuen Veröffentlichung, häufen sich in jedem Zeitintervall Fehler, so dass Vorhersagen jenseits von etwa 60 Millionen Jahren im Wesentlichen unbrauchbar werden - nicht sehr lange in den 4, 5-Milliarden-Jahren. Jahr Geschichte des Sonnensystems.
Laskars frühere Rechenmodelle lieferten auch Beweise dafür, dass sich die inneren Planeten (Merkur, Venus, Erde und Mars) chaotisch verhalten könnten. Mit anderen Worten, die Positionen dieser vier Planeten könnten größtenteils durch die Anfangsbedingungen bestimmt werden, was es nahezu unmöglich macht, sie allein auf der Grundlage der heute gesehenen Positionen und Richtungen vorherzusagen.
„Diese Aufzeichnungen des Klimawandels sind der Schlüssel, um herauszufinden, was das Sonnensystem tatsächlich tut“, sagt Olsen.
Gesteinskern von Seesedimenten, die aus dem Newark-Becken im Zentrum von New Jersey gewonnen wurden und sich über eine Zeitspanne von etwa 40.000 Jahren erstrecken. (Paul Olsen) Für Olsen war es eine lebenslange Liebesarbeit, die Lebensfähigkeit seiner Geologischen Orrery zu demonstrieren. In seiner Arbeit von 1986 analysierte er Kerne aus der mesozoischen Newark Supergroup - einer Ansammlung von Gesteinen, die vor etwa 200 bis 227 Millionen Jahren im Zentrum von New Jersey entstanden sind. Das Gestein enthielt eine Aufzeichnung des Aufstiegs und Falls von Seen im Gleichklang mit der Größe tropischer Monsunregen, die je nach Sonneneinstrahlung in den Tropen, die von der Erdumlaufbahn und der Rotationsachse bestimmt wird, schwanken.
„Was wir in den Kernen sehen, sind physikalische Manifestationen der sich ändernden Wassertiefe“, sagt Olsen per E-Mail. „Als der See am tiefsten war, vielleicht weit über 100 Meter tief, wurden schwarze, fein laminierte Schlämme abgelagert, und als er sehr flach und sogar saisonal trocken war, wurden rote Schlämme mit reichlich Austrocknungsrissen abgelegt.“
Olsen verwendete die Fourier-Analyse - eine Methode zur Darstellung komplexer Wellenformen in einfacheren sinusförmigen Komponenten -, um zu zeigen, dass die zyklischen Änderungen des Erdklimas, die im geologischen Datensatz festgehalten sind, mit den Milankovitch-Zyklen der Himmelsmechanik übereinstimmen. Aber es gab eine Kuriosität.
"Einer der Zyklen war nicht direkt an irgendetwas gebunden, was zu der Zeit in Umlaufzyklen bekannt war", sagt Olsen. "Es war ungefähr zwei Millionen Jahre lang und ich wusste nicht, was es war."
Nachdem Olsen und seine Kollegen in den 1990er Jahren ein Stipendium der National Science Foundation (NSF) erhalten hatten, um an sieben Standorten der Newark Supergroup 22.600 Fuß durchgehende Kerne zu graben und zu analysieren, stellten sie fest, dass der mysteriöse Zyklus ein langperiodischer Umlaufzyklus von war die Wechselwirkungen zwischen Mars und Erde. Der Befund „liefert den ersten geologischen Beweis für das chaotische Verhalten der inneren Planeten“, schrieben Olsen und Dennis Kent, Professor für Geologie an der Rutgers University und Mitautor der neuen Forschung, in einem 1999 von der Royal Society veröffentlichten Artikel.
Um diese Zyklen im Rockrekord weiter zu untersuchen, haben Olsen und sein Team 2013 das Colorado Plateau Coring Project mit einem weiteren NSF-Stipendium ins Leben gerufen. Sie bohrten einen Kern von mehr als 1.640 Fuß Länge durch den Trias-Abschnitt der Chinle-Formation in Arizonas Petrified Forest National Park. Der Chinle-Kern enthält vulkanische Ascheschichten mit Zirkonmineralien, die radiometrisch datiert werden können.
Anlage zur Gewinnung eines Kerns aus der Chinle-Formation im Petrified Forest National Park, Arizona. (Paul Olsen) Indem sie die Spuren der Erdmagnetfeldumkehr im Chinle Formation-Probenkern mit denen im Newark-Kern abgleichen, konnten die Forscher die genauen Daten der Klimazyklen ableiten, die durch die Schwerkraft anderer Planeten verursacht wurden. Ihre Analyse ergab einen 405.000-Jahre-Zyklus in der Himmelsmechanik, der von Jupiter und Venus verursacht wurde und seit 200 Millionen Jahren existiert, genau wie heute.
In ihrer jüngsten Arbeit haben Olsen und sein Team ihre Modelle um zusätzliche Messungen erweitert. Dabei wurden eine stratigraphische Farbskala zur Untersuchung der Kernprobe sowie geophysikalische Messungen des Kernlochs (natürliche Radioaktivität, Gesteinsdichte und Schallgeschwindigkeit) verwendet ). Das Team untersuchte auch den Kern nach Röntgenfluoreszenzdaten, um alle in der Newark-Formation sichtbaren astronomischen Zyklen sorgfältig zu analysieren.
Unabhängig davon, welche Messungen verwendet wurden, wurden dieselben planetarischen Einflüsse im Gestein identifiziert. „Es ist wirklich aufregend zu sehen, wie diese Dinge funktionieren, wenn sie funktionieren. Es gibt Ihnen ein Gefühl der Realität… wenn so viele unwahrscheinliche Dinge klappen “, sagt Olsen. "Es ist wirklich ziemlich erstaunlich."
Obwohl die geologische Orrery möglicherweise weitreichende Auswirkungen auf die Forschung hat, stieß Olsens kühne Idee auf einige Skepsis. Seine Modelle versuchen, eine außerordentliche Anzahl von Faktoren zu berücksichtigen, um die Gesteinsaufzeichnung mit dem Einfluss anderer Planeten auf das Erdklima zu verknüpfen (ein komplexes System an und für sich).
Lucas nennt das Projekt „ein sehr komplexes Kartenhaus, das nicht auf einer soliden wissenschaftlichen Grundlage beruht.“ Er sagt, dass es Lücken in der Newark-Formation gibt, daher ist es keine vollständige Chronologie der 25-Millionen-Jahre-Periode von Olsen Gruppe studiert. (Olsen und Kent verwendeten jedoch im vergangenen Jahr Uran-Blei-Datierungen in einer Studie und stellten fest, dass die geologischen Aufzeichnungen in der Newark-Sequenz für die relevante Zeitspanne vollständig sind.) Die Chinle-Aufzeichnungen sind ebenfalls unvollständig, sagt Lucas, weil sie von hinterlegt wurden Flüsse und Sedimentationsraten sind zwischen zwei Abschnitten „sehr unterschiedlich“, was es schwierig macht, Chinle zu verwenden, um die Daten im Newark-Gestein zuverlässig zu kalibrieren.
Sogar Charles Darwin beklagte die Unvollständigkeit der geologischen Aufzeichnung, und Geologen sind sich weitgehend einig, dass die Aufzeichnung Lücken oder im wissenschaftlichen Sprachgebrauch „Nichtkonformitäten“ enthält. Die grundlegende Frage ist, wie viele Informationen zuverlässig aus einer unvollständigen geologischen Aufzeichnung extrahiert werden können.
„Viele Geologen gehen davon aus, dass man alles sehen muss, bevor man etwas verstehen kann“, sagt Olsen. "Meine Vorgehensweise ist es, das, was in der Rock-Aufzeichnung und in der paläontologischen Aufzeichnung nützlich ist, so weit wie möglich zu verschieben, um Dinge aus der Geschichte herauszuholen, die man auf keine andere Weise erreichen kann."
Ein Gemälde von Paul Olsen mit einer imaginären Ansicht der Erde aus dem Weltraum über New York in der Nacht mit den Hauptplaneten des Geologischen Orrery. Von unten nach oben: Jupiter, Mars (rötlich), Venus und der Mond in Verbindung. (Paul Olsen) Selbst mit Lücken in der Rock-Aufzeichnung denken einige Wissenschaftler, dass Olsen auf etwas steht. „Diese Daten, an denen Paul Olsen seit vielen Jahren arbeitet, gehören zu den besten, die jemals gesammelt wurden“, sagt Linda Hinnov, Geologin an der George Mason University in Virginia, die nicht an der Studie beteiligt war.
Laut Hinnov besteht die Herausforderung nun darin, die Lücke zwischen etwa 50 und 200 Millionen Jahren zu schließen. Derzeit wurden die geologischen Daten und astronomischen Modelle vor 0 bis etwa 50 Millionen Jahren sowie vor etwa 200 bis 225 Millionen Jahren abgeglichen. Um die geologische Orrery zu erweitern, muss die Lücke zwischen diesen beiden Perioden „mit Daten gefüllt werden, die mindestens so gut sind wie die Daten, die hier präsentiert werden“, sagt Hinnov.
Obwohl er einigen spezifischen Ergebnissen von Olsens Team skeptisch gegenübersteht, stimmt Lucas zu, dass diese Art von Arbeit, die die Gesteinsaufzeichnung mit den Himmelskörpern am Himmel verbindet, für die Lösung eines der größten wissenschaftlichen Probleme von entscheidender Bedeutung sein wird: das Verstehen, was kontrolliert Erdklima. "Wir verstehen nicht genug über die Beziehung zwischen diesen astronomischen Zyklen, vergangenen Klimazonen und wie sich die Zyklen im Laufe der Zeit verändert haben", sagt er. "Alles, was zu unserem Verständnis des Klimasystems der Erde beiträgt, kann uns helfen, das zukünftige Klima besser zu verstehen. Das ist genau das, was wir vorhersagen."
Die geologische Orrery ist möglicherweise unvollständig und wie Rechenmodelle von Planetensystemen möglicherweise nur punktgenau. Aber unter den Wundern des Kosmos beginnen wir zu lernen, wie die Bewegungen der Himmelskörper, Millionen von Kilometern entfernt und vor Millionen von Jahren, die Welt, auf der wir leben, geformt haben.
