Loodgieterswerk aan een 90 miljoen jaar oude laagcake van sedimentair gesteente in Colorado, een team van wetenschappers van de Universiteit van Wisconsin-Madison en de Northwestern University heeft bewijs gevonden dat een kritische theorie bevestigt over hoe de planeten in ons zonnestelsel zich gedragen in hun banen rond de zon.

de bevinding, gepubliceerd op 23 februari 2017 in het journaal Natuur , is belangrijk omdat het het eerste harde bewijs levert voor wat wetenschappers het ‘chaotische zonnestelsel’ noemen, een theorie die in 1989 werd voorgesteld om kleine variaties in de huidige omstandigheden van het zonnestelsel te verklaren. De variaties, die zich gedurende vele miljoenen jaren afspeelt, grote veranderingen in het klimaat van onze planeet veroorzaken - veranderingen die kunnen worden weerspiegeld in de rotsen die de geschiedenis van de aarde vastleggen.

De ontdekking belooft niet alleen een beter begrip van de mechanica van het zonnestelsel, maar ook een nauwkeuriger meetlat voor geologische tijd. Bovendien, het biedt een beter begrip van het verband tussen orbitale variaties en klimaatverandering over geologische tijdschalen.

Met behulp van bewijs van afwisselende lagen kalksteen en schalie die gedurende miljoenen jaren in een ondiepe Noord-Amerikaanse zeeweg zijn neergelegd in de tijd dat dinosauriërs de scepter zwaaiden op aarde, het team onder leiding van UW-Madison Professor of Geoscience Stephen Meyers en Northwestern University Professor of Earth and Planetary Sciences Brad Sageman ontdekte de 87 miljoen jaar oude handtekening van een "resonantie-overgang" tussen Mars en de aarde. Een resonantie-overgang is het gevolg van het "vlindereffect" in de chaostheorie. Het speelt in op het idee dat kleine veranderingen in de beginvoorwaarden van een niet-lineair systeem in de loop van de tijd grote effecten kunnen hebben.

In de context van het zonnestelsel, het fenomeen doet zich voor wanneer twee in een baan om de aarde draaiende lichamen periodiek aan elkaar trekken, zoals gebeurt wanneer een planeet in zijn baan rond de zon relatief dicht bij een andere planeet in zijn eigen baan passeert. Deze kleine maar regelmatige tikken in de baan van een planeet kunnen grote veranderingen veroorzaken op de locatie en oriëntatie van een planeet op zijn as ten opzichte van de zon en, overeenkomstig, verander de hoeveelheid zonnestraling die een planeet ontvangt over een bepaald gebied. Waar en hoeveel zonnestraling een planeet krijgt, is een belangrijke aanjager van het klimaat.

"De impact van astronomische cycli op het klimaat kan behoorlijk groot zijn, " legt Meijers uit, als voorbeeld het tempo van de ijstijden van de aarde opmerkend, die betrouwbaar zijn afgestemd op periodieke veranderingen in de vorm van de baan van de aarde, en de helling van onze planeet op zijn as. "De astronomische theorie maakt een zeer gedetailleerde evaluatie mogelijk van klimaatgebeurtenissen in het verleden die een analogie kunnen vormen voor het toekomstige klimaat."

Om de signatuur van een resonantieovergang te vinden, Meijers, Sageman en UW-Madison afgestudeerde student Chao Ma, wiens proefschrift dit omvat, keek naar het geologische record in wat bekend staat als de Niobrara-formatie in Colorado. De formatie werd gedurende tientallen miljoenen jaren laag voor laag afgezet toen sediment werd afgezet op de bodem van een uitgestrekte zeeweg die bekend staat als de Krijtachtige westelijke binnenzee. De ondiepe oceaan strekte zich uit van wat nu de Noordelijke IJszee is tot aan de Golf van Mexico, tussen de oostelijke en westelijke delen van Noord-Amerika.

"De Niobrara-formatie vertoont uitgesproken ritmische rotslagen als gevolg van veranderingen in de relatieve overvloed aan klei en calciumcarbonaat, " merkt Meyers op, een autoriteit op het gebied van astrochronologie, die astronomische cycli gebruikt om de geologische tijd te meten. "De bron van de klei (vastgelegd als schalie) is van verwering van het landoppervlak en de instroom van klei naar de zeeweg via rivieren. De bron van het calciumcarbonaat (kalksteen) zijn de schelpen van organismen, meestal microscopisch, die in de waterkolom leefde."

Meyers legt uit dat hoewel het verband tussen klimaatverandering en sedimentatie complex kan zijn, het basisidee is eenvoudig:"Klimaatverandering beïnvloedt de relatieve levering van klei versus calciumcarbonaat, het opnemen van het astronomische signaal in het proces. Bijvoorbeeld, stel je een zeer warme en natte klimaattoestand voor die via rivieren klei in de zeeweg pompt, het produceren van een kleirijke rots of schalie, afgewisseld met een drogere en koelere klimaattoestand die minder klei in de zeeweg pompt en een calciumcarbonaatrijke rots of kalksteen produceert."

De nieuwe studie werd ondersteund door subsidies van de National Science Foundation. Het bouwt voort op een nauwgezet stratigrafisch verslag en belangrijke astrochronologische studies van de Niobrara-formatie, de laatste uitgevoerd in het proefschrift van Robert Locklair, een voormalige student van Sageman's in Northwestern.

Datering van de Mars-Aarde-resonantieovergang gevonden door Ma, Meyers en Sageman werd bevestigd door radio-isotopische datering, een methode om de absolute ouderdom van gesteenten te dateren met behulp van bekende snelheden van radioactief verval van elementen in de rotsen. In recente jaren, grote vooruitgang in de nauwkeurigheid en precisie van radio-isotopische datering, bedacht door UW-Madison geowetenschappen Professor Bradley Singer en anderen, zijn geïntroduceerd en dragen bij aan de datering van de resonantieovergang.

De bewegingen van de planeten rond de zon zijn een onderwerp van diep wetenschappelijk belang sinds de komst van de heliocentrische theorie - het idee dat de aarde en planeten rond de zon draaien - in de 16e eeuw. Vanaf de 18e eeuw, de dominante opvatting van het zonnestelsel was dat de planeten als een uurwerk om de zon draaiden, met quasiperiodieke en zeer voorspelbare banen. In 1988, echter, numerieke berekeningen van de buitenste planeten toonden aan dat de baan van Pluto "chaotisch" was en het idee van een chaotisch zonnestelsel werd in 1989 voorgesteld door astronoom Jacques Laskar, nu in het Observatorium van Parijs.

Na het voorstel van Laskar voor een chaotisch zonnestelsel, wetenschappers hebben serieus gezocht naar definitief bewijs dat het idee zou ondersteunen, zegt Meijers.

"Andere studies hebben de aanwezigheid van chaos gesuggereerd op basis van geologische gegevens, " zegt Meyers. "Maar dit is het eerste ondubbelzinnige bewijs, mogelijk gemaakt door de beschikbaarheid van hoogwaardige, radio-isotopische data en het sterke astronomische signaal bewaard in de rotsen."