Wetenschappers hebben lang geponeerd dat periodieke schommelingen in het klimaat op aarde worden veroorzaakt door cyclische veranderingen in de verdeling van zonlicht dat ons oppervlak bereikt. Dit komt door cyclische veranderingen in hoe onze planeet om zijn as draait, de ellipticiteit van zijn baan, en zijn oriëntatie op de zon - overlappende cycli veroorzaakt door subtiele interacties van zwaartekracht met andere planeten, terwijl de lichamen rond de zon en door elkaar dwarrelen als ronddraaiende hoelahoep.

Maar planetaire paden veranderen in de loop van de tijd, en dat kan de lengte van de cycli veranderen. Dit heeft het voor wetenschappers een uitdaging gemaakt om te ontrafelen wat veel oude klimaatveranderingen heeft veroorzaakt. En het probleem wordt steeds moeilijker naarmate je verder terug in de tijd gaat; kleine veranderingen in de beweging van de ene planeet kunnen de ander scheef doen staan ​​- aanvankelijk een beetje, maar naarmate eonen verstrijken, deze veranderingen resoneren met elkaar, en het systeem verandert op manieren die onmogelijk te voorspellen zijn met zelfs de meest geavanceerde wiskunde. Met andere woorden, het is chaos daarbuiten. Tot nu toe, onderzoekers zijn in staat om de relatieve bewegingen van de planeten en hun mogelijke effecten op ons klimaat te berekenen met een redelijke betrouwbaarheid van slechts ongeveer 60 miljoen jaar terug - een relatieve oogopslag in het meer dan 4,5 miljard leven van de aarde.

Deze week, in een nieuwe krant in de Proceedings van de National Academy of Sciences , een team van onderzoekers heeft het record ver terug geduwd, het identificeren van belangrijke aspecten van de bewegingen van de planeten uit een periode van ongeveer 200 miljoen jaar geleden. Het team wordt geleid door geoloog en paleontoloog Paul Olsen van het Lamont-Doherty Earth Observatory van Columbia University. Vorig jaar, door periodieke veranderingen te vergelijken in oude sedimenten geboord uit Arizona en New Jersey, Olsen en collega's identificeerden een 405, 000-jarige cyclus in de baan van de aarde die blijkbaar in de afgelopen 200 miljoen jaar helemaal niet is veranderd - een soort metronoom waartegen alle andere cycli kunnen worden gemeten. Met dezelfde sedimenten in het nieuwe artikel, ze hebben nu een cyclus geïdentificeerd die begon met een duur van 1,75 miljoen jaar, maar werkt nu elke 2,4 miljoen jaar. Dit, ze zeggen, stelt hen in staat om langetermijnveranderingen in de banen van Jupiter en de binnenplaneten (Mercurius, Venus en Mars), de lichamen die het meest waarschijnlijk onze eigen baan zullen beïnvloeden.

Het ultieme doel van Olsen:de rotsen van de aarde gebruiken om wat hij een 'geologisch planetarium' noemt te creëren - een verslag van klimaatveranderingen op aarde dat kan worden geëxtrapoleerd naar een grotere kaart van de bewegingen van het zonnestelsel over honderden miljoenen jaren. Hij zegt dat het een venster zou openen, niet alleen op ons eigen klimaat, maar de evolutie van het zonnestelsel zelf, inclusief het mogelijke bestaan ​​van planeten uit het verleden, en de mogelijke interacties met onzichtbare donkere materie.

We spraken met Olsen over het Geologische Orrery, zijn werk, en het nieuwe papier.

De meeste mensen hebben waarschijnlijk nog nooit van het woord 'orrery' gehoord. Wat is het, en hoe past het in ons evoluerende begrip van hemelmechanica?

In het begin van de 19e eeuw, wiskundige Pierre-Simon de Laplace nam Newtons wetten van zwaartekracht en planetaire beweging en publiceerde zijn idee dat het mogelijk zou moeten zijn om één enkele grote vergelijking te ontwikkelen waarmee het hele universum kan worden gemodelleerd. Met alleen kennis van het heden, al het verleden en de toekomst kon bekend zijn. Dit idee is belichaamd in het planetarium, een mechanisch model van het zonnestelsel. Uurwerkmechanismen zoals deze voor het voorspellen van verduisteringen en dergelijke gaan terug tot de oude Grieken, maar het is nu duidelijk dat het probleem veel gecompliceerder is, en interessant. We hebben sindsdien ontdekt dat het zonnestelsel geen uurwerk is. Het is in feite chaotisch over lange tijdschalen, dus de grote vergelijking van Laplace was een luchtspiegeling. Dit betekent dat u de geschiedenis niet uit berekeningen of modellen kunt halen, hoe nauwkeurig ook, omdat de bewegingen van het echte zonnestelsel ongelooflijk gevoelig zijn. Het variëren van een factor, zelfs een klein beetje, resulteert na miljoenen jaren in een ander resultaat - zelfs wat de grote asteroïden, of kleine planeten, zoals Ceres en Vesta, zijn aan het doen. Een van mijn co-auteurs, Jacques Laskar, heeft aangetoond dat berekeningen slechts 60 miljoen jaar vooruit of achteruit kunnen projecteren. Daarna, de voorspellingen worden volkomen onbetrouwbaar. Aangezien de aarde ongeveer 4,6 miljard jaar oud is, dit betekent dat slechts ongeveer 1,6 procent van zijn vroegere of toekomstige baan kan worden voorspeld. Gedurende miljarden jaren, de beste berekeningen onthullen veel mogelijke geweldige gebeurtenissen, zoals een van de binnenplaneten die in de zon valt of uit het zonnestelsel wordt geworpen. Misschien kunnen zelfs die aarde en Venus op een dag botsen. We kunnen niet zeggen of een van deze echt is gebeurd, of in de toekomst kan gebeuren. We hebben dus een andere methode nodig om de mogelijkheden te beperken.

Dus, wat is het "geologische planetarium?" Probeer je opnieuw alles in één vergelijking samen te vatten, of is dit iets anders?

Het geologische planetarium is het tegenovergestelde van een vergelijking of model. Het is ontworpen om een ​​nauwkeurige en nauwkeurige geschiedenis van het zonnestelsel te geven. We hebben die geschiedenis hier op aarde, uit de geschiedenis van onze klimaten, die is vastgelegd in het geologische record, vooral in grote, langlevende meren. De baan en de asoriëntatie van de aarde veranderen voortdurend omdat ze worden vervormd door de aantrekkingskracht van andere lichamen. Deze veranderingen beïnvloeden de verdeling van het zonlicht dat op ons oppervlak valt, die op hun beurt het klimaat beïnvloeden, en de soorten sedimenten die worden afgezet. Dat geeft ons de geologische gegevens van het gedrag van het zonnestelsel. Veel wetenschappers hebben sedimenten gebruikt om de effecten van orbitale vervormingen te bepalen. Zo weten we dat de ijstijden van de laatste paar miljoen jaar erdoor zijn getemperd. Sommige onderzoekers hebben geprobeerd veel verder terug te gaan in de tijd. Wat hier nieuw is, is de systematische benadering van het nemen van rotskernen over tientallen miljoenen jaren, kijken naar het cyclische sedimentaire record van het klimaat en het nauwkeurig dateren van die veranderingen over meerdere locaties. Dat stelt ons in staat om het volledige scala van door het zonnestelsel aangestuurde vervormingen van onze baan en as over lange tijdsperioden vast te leggen.

Wat vertellen de rotsen je over hoe zulke cyclische veranderingen ons klimaat beïnvloeden?

Met twee grote kernexperimenten tot nu toe, we hebben geleerd dat veranderingen in tropische klimaten van nat naar droog in de tijd van vroege dinosauriërs, van ongeveer 252 tot 199 miljoen jaar geleden, werden versneld door orbitale cycli van ongeveer 20, 000, 100, 000 en 400, 000 jaar. Bovendien is er een veel langere cyclus van ongeveer 1,75 miljoen jaar. De kortere cycli zijn tegenwoordig ongeveer hetzelfde, maar de cyclus van 1,75 miljoen jaar is ver weg - het is nu 2,4 miljoen jaar. We denken dat het verschil wordt veroorzaakt door een zwaartekrachtdans tussen de aarde en Mars. Dit verschil is de vingerafdruk van de chaos in het zonnestelsel. Geen enkele bestaande reeks modellen of berekeningen dupliceert deze gegevens precies.

Hoe ver denk je dat we zullen komen met dit probleem tijdens je leven?

De volgende stap is om onze twee voltooide kernexperimenten te combineren met kernen die op hoge breedtegraden zijn genomen. Hoewel onze kerngegevens heel goed zijn in het in kaart brengen van sommige aspecten van planetaire banen, ze vertellen ons niets over anderen. Voor degenen, we hebben een kern nodig van een oud meer boven de paleo-arctische of antarctische cirkels. Dergelijke afzettingen bestaan ​​in wat nu China en Australië zijn. We willen ook afzettingen opnemen die het record tot 20 miljoen jaar verlengen tot het heden, en nog een kern op lage breedtegraad die we precies kunnen dateren. Met deze, we zouden kunnen bepalen of er veranderingen hebben plaatsgevonden in die Mars-Aarde zwaartekrachtdans. Dat zou een volledig proof-of-concept zijn van het geologische planetarium. Daar ben ik zeker van plan om in de buurt te zijn.

Uw paper vermeldt dat dit werk inzicht zou kunnen bieden in de evolutie van het zonnestelsel - misschien zelfs het grotere heelal.

Als dit allemaal lukt, we zouden de grootse missie kunnen plannen om het Geologische Orrery te gebruiken voor ten minste de rest van de tijd tussen de 60 en 190 miljoen jaar oud. Deze missie zou duur zijn volgens geologische normen, omdat steenboren duur is. Maar de resultaten zouden verstrekkende gevolgen hebben. We zouden zeker gegevens hebben om hoogwaardige klimaatmodellen voor de aarde te produceren. En het lijdt geen twijfel dat we de parameters zouden hebben voor vroegere klimaten op Mars of andere rotsachtige planeten. Maar spannender en speculatiever is de mogelijkheid om te onderzoeken hoe we de zwaartekrachttheorie moeten aanpassen, of test enkele controversiële theorieën, zoals het mogelijke bestaan ​​van een vlak van donkere materie in onze melkweg waar ons zonnestelsel periodiek doorheen gaat.

We hebben het hier over diepe tijd. Is dit van toepassing op vragen over de hedendaagse klimaatverandering?

Het heeft wel relevantie voor het heden. naast de manier waarop het klimaat is afgestemd op onze baan, het wordt ook beïnvloed door de hoeveelheid koolstofdioxide in de lucht. Nu gaan we een tijd tegemoet waarin de CO2-niveaus net zo hoog kunnen zijn als 200 miljoen jaar geleden, vroege dinosaurustijden. Dit geeft ons een potentiële manier om te zien hoe alle factoren op elkaar inwerken. Het heeft ook resonantie met onze zoektocht naar leven op Mars, of voor bewoonbare exoplaneten.