Een dag is de tijd voor de aarde om één volledige rotatie om haar as te maken, een jaar is de tijd voor de aarde om één omwenteling rond de zon te maken - herinnert eraan dat basiseenheden van tijd en perioden op aarde nauw verbonden zijn met de beweging van onze planeet in de ruimte ten opzichte van de zon. In feite, we leven ons leven meestal op het ritme van deze astronomische cycli.

Hetzelfde geldt voor klimaatcycli. De cycli in het dagelijkse en jaarlijkse zonlicht zorgen voor de bekende schommelingen in temperatuur en seizoenen. Op geologische tijdschalen (duizenden tot miljoenen jaren), variaties in de baan van de aarde zijn de gangmaker van de ijstijden (zogenaamde Milankovitch-cycli). Veranderingen in orbitale parameters omvatten excentriciteit (de afwijking van een perfecte cirkelvormige baan), die kunnen worden geïdentificeerd in geologische archieven, net als een vingerafdruk.

De datering van geologische archieven heeft een revolutie teweeggebracht door de ontwikkeling van een zogenaamde astronomische tijdschaal, een "kalender" uit het verleden met eeuwenoude geologische perioden op basis van astronomie. Bijvoorbeeld, cycli in mineralogie of chemie van geologische archieven kunnen worden vergeleken met cycli van een astronomische oplossing (berekende astronomische parameters in het verleden door de planetaire banen terug in de tijd te berekenen). De astronomische oplossing heeft een ingebouwde klok en biedt zo een nauwkeurige chronologie voor het geologische record.

Echter, geologen en astronomen hebben moeite gehad om de astronomische tijdschaal verder terug te schuiven dan ongeveer vijftig miljoen jaar als gevolg van een grote wegversperring:chaos in het zonnestelsel, waardoor het systeem vanaf een bepaald punt onvoorspelbaar wordt.

In een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap , Richard Zeebe van de University of Hawai'i at Manoa en Lucas Lourens van de Universiteit Utrecht bieden nu een manier om de wegversperring te overwinnen. Het team gebruikte geologische gegevens van diepzeeboorkernen om de astronomische oplossing te beperken en, beurtelings, gebruikte de astronomische oplossing om de astronomische tijdschaal met ongeveer 8 miljoen jaar te verlengen. Verdere toepassing van hun nieuwe methode belooft nog verder terug in de tijd te reiken, één stap en geologisch record tegelijk.

Aan de ene kant, Zeebe en Lourens analyseerden sedimentgegevens van boorkernen in de Zuid-Atlantische Oceaan in het late Paleoceen en vroege Eoceen, ca. 58-53 miljoen jaar geleden (Ma). De sedimentcycli vertoonden een opmerkelijke uitdrukking van één bepaalde Milankovitch-parameter, De orbitale excentriciteit van de aarde. Anderzijds, Zeebe en Lourens berekenden een nieuwe astronomische oplossing (genaamd ZB18a), die een uitzonderlijke overeenkomst vertoonden met de gegevens van de Zuid-Atlantische boorkern.

"Dit was werkelijk schitterend, "Zei Zeebe. "We hadden deze ene curve gebaseerd op gegevens van meer dan 50 miljoen jaar oud sediment dat uit de oceaanbodem was geboord en vervolgens de andere curve die volledig was gebaseerd op fysica en numerieke integratie van het zonnestelsel. Dus de twee curven zijn volledig onafhankelijk afgeleid, toch leken ze bijna op een eeneiige tweeling."

Zeebe en Lourens zijn niet de eersten die een dergelijke overeenkomst ontdekken - de doorbraak is dat hun tijdvenster ouder is dan 50 Ma, waar astronomische oplossingen het niet eens zijn. Ze hebben 18 verschillende gepubliceerde oplossingen getest, maar ZB18a geeft de beste match met de gegevens.

De implicaties van hun werk reiken veel verder. Met behulp van hun nieuwe chronologie, ze bieden een nieuw tijdperk voor de Paleoceen-Eoceen grens (56,01 Ma) met een kleine foutenmarge (0,1%). Ze laten ook zien dat het begin van een grote oude klimaatgebeurtenis, het Paleoceen-Eoceen thermisch maximum (PETM), opgetreden nabij een excentriciteitsmaximum, wat een orbitale trigger voor de gebeurtenis suggereert. Het PETM wordt beschouwd als het beste paleo-analoog voor de huidige en toekomstige antropogene koolstofafgifte, toch is de trigger van PETM uitgebreid besproken. De orbitale configuraties van toen en nu zijn echter heel verschillend, wat suggereert dat de effecten van orbitale parameters in de toekomst waarschijnlijk kleiner zullen zijn dan 56 miljoen jaar geleden.

Zeebe waarschuwde, echter, "Niets van dit alles zal de toekomstige opwarming direct afzwakken, dus er is geen reden om antropogene koolstofemissies en klimaatverandering te bagatelliseren."

Wat de implicaties voor de astronomie betreft, de nieuwe studie toont onmiskenbare vingerafdrukken van de chaos in het zonnestelsel rond 50 Ma. Het team vond een verandering in frequenties gerelateerd aan de banen van de aarde en Mars, hun amplitudemodulatie beïnvloeden (vaak een "beat" in muziek genoemd).

"Je kunt amplitudemodulatie horen bij het stemmen van een gitaar. Als twee noten bijna hetzelfde zijn, je hoort in wezen één frequentie, maar de amplitude varieert langzaam - dat is een beat, " legde Zeebe uit. In niet-chaotische systemen, de frequenties en beats zijn constant in de tijd, maar ze kunnen veranderen en schakelen in chaotische systemen (resonantietransitie genoemd). Zeebe heeft toegevoegd, "De verandering in beats is een duidelijke uitdrukking van chaos, wat het systeem boeiend maar ook complexer maakt. Ironisch, de verandering in beats is ook precies wat ons helpt om de oplossing te identificeren en de astronomische tijdschaal uit te breiden".