Di planet seperti Bumi, sebagai batu dan air melalui kitaran dan perubahan, lebur dan penyejukan dan pengikisan dan penambahan, dilucutkan di lembah yang luas dan ditumpuk di gunung-gunung yang menjulang tinggi, fenomena semulajadi cuti masa lalu menjejaki belakang di dalam kerak planet ini. Dengan menghancurkan ais kuno, sebagai contoh, para saintis boleh mengkaji zarah-zarah yang terperangkap dan belajar tentang keadaan atmosfera berjuta-juta tahun yang lalu. Dengan mengkaji mineral-mineral magnet yang tertanam dalam batu purba, para ahli geologi telah mempelajari bahawa medan magnet planet ini membalikkan tiang-kira-kira sekali setiap 250, 000 tahun secara purata.
Para saintis boleh belajar banyak tentang Bumi dari lapisan geologi keraknya, tetapi lebih banyak maklumat dapat disembunyikan dalam rekod rock. Menurut ahli geologi dan ahli paleontologi Paul Olsen dari Columbia University, kunci sejarah bukan sahaja planet kita, tetapi juga sistem suria dan galaksi boleh didapati di bawah kaki kita.
Dalam satu kajian yang diterbitkan hari ini dalam Prosiding Akademi Sains Kebangsaan, Olsen dan rakan sekerja berpendapat bahawa kitaran astronomi planet boleh diukur dalam lapisan batuan terestrial. Batu-batu silinder batu yang diekstrak dari tanah, beberapa ribuan kaki panjang dan menjangkau jutaan tahun sejarah, mungkin mengandungi kesan-kesan halus pengaruh graviti planet lain, membolehkan saintis menyimpulkan kedudukan sejarah planet beratus-ratus juta tahun yang lalu .
"Ini adalah dunia baru data empirik yang membolehkan ujian teori solar sistem berskala besar, " kata Olsen. Dia menyebut modelnya Orbery Geologi, yang dinamakan sempena model mekanik sistem suria abad ke-18. Kerja-kerja ini bukan sahaja dapat menyediakan dataset bebas untuk menguji model-model gerakan planet yang sedia ada, tetapi ia juga digunakan untuk mendedahkan kitaran orbit yang belum pernah diukur sebelum ini. Orbery Geologi juga boleh digunakan sebagai alat baru untuk menguji beberapa teori yang paling asas dalam sains, seperti teori relativiti umum Einstein, keberadaan planet tambahan dalam sistem suria kuno, dan juga pengaruh gravitasi dari masalah gelap dalam Bima Sakti, kata Olsen.
Ahli geologi Paul Olsen di Taman Nasional Hutan Petrified Arizona, di mana batu-batu berusia 200 juta tahun telah membantu mengesan gerakan lama dari planet-planet lain. (Kevin Krajick / Earth Institute, Columbia University) "Kertas ini adalah usaha untuk menyelesaikan masalah yang sangat sukar dan membingungkan bagi ahli astronomi dan ahli geologi yang berminat dalam sejarah sistem suria, dan bagaimana ia mempengaruhi iklim, pemendapan, dan lain-lain sistem bumi, " kata Spencer Lucas ahli geologi dan paleontologi di Muzium Sejarah dan Sains Asli New Mexico yang tidak terlibat dalam kajian ini. "Kitaran astronomi ini telah berevolusi selama beratus-ratus juta tahun, dan terdapat banyak kekacauan dalam evolusi itu, jadi ia sentiasa menjadi cabaran besar bagi ahli geologi dan ahli astronomi untuk cuba memahami apa yang berlaku pada kitaran ini."
Lapisan kerak bumi mewakili rekod iklim lepas, dan iklim tersebut dipengaruhi oleh pergerakan angkasa yang disebut siklus Milankovitch. Dinamakan ahli geofizik dan ahli astronomi Serbia Milutin Milankovitch, kitaran ini adalah hasil daripada interaksi graviti bumi dengan planet lain yang mempengaruhi lintasan bumi di sekitar matahari, termasuk bentuk lorong elips (eksentrisiti), serta kecondongan dan kecondongan (precession) paksi planet.
Perubahan ke orbit Bumi memberi kesan kepada iklim planet ini, dan sebagai Olsen yang pertama berhujah dalam karya 1986 di Science, rekod iklim lepas dapat digunakan untuk menentukan kedudukan dan gerakan planet-planet lain.
Tetapi mengapa melalui masalah dan perbelanjaan menggali teras tanah untuk menentukan trajektori planet lain? Menggunakan undang-undang mekanik orbit, para saintis dapat membuat model matematik untuk mempelajari sejarah kejiranan suria kecil kita di ruang angkasa.
Walau bagaimanapun, model sedemikian hanya boleh dipercayai untuk satu titik, kata Olsen. Tiada persamaan matematik mudah menerangkan usul lebih daripada dua badan bergerak dalam ruang dengan kepastian yang tinggi. Dengan lapan planet dan matahari, belum lagi berjuta-juta badan yang lebih kecil dalam sistem solar, para astronom tidak dapat mengembangkan penyelesaian analitikal untuk menerangkan gerakan tepat planet-planet dalam masa lalu. Sebaliknya, penyelidik mengira bekas orbit planet itu satu kenaikan kecil pada satu masa. Mengikut karya Jacques Laskar, pengarah penyelidikan di Balai Cerap Paris dan pengarang kertas baru, kesilapan terkumpul pada setiap selang waktu sehingga ramalan menjadi tidak berguna lagi melebihi 60 juta tahun-tidak lama dalam 4.5 bilion- tahun sejarah sistem suria.
Model komputasi awal Laskar juga membuktikan bahawa planet-planet dalam (Mercury, Venus, Bumi dan Marikh) boleh berlaku secara kasar. Atau dengan kata lain, kedudukan empat planet ini dapat ditentukan secara besar-besaran oleh keadaan awal, menjadikan mereka hampir mustahil untuk meramalkan berdasarkan semata-mata pada posisi dan arahan yang dilihat hari ini.
"Rekod-rekod rock perubahan iklim ini menjadi kunci untuk mengetahui sistem solar sebenarnya, " kata Olsen.
Teras bukit sedimen tasik yang diekstrak dari Newark Basin di pusat New Jersey yang merangkumi kira-kira 40, 000 tahun. (Paul Olsen) Menunjukkan kebolehan Geologi Orrery telah menjadi buruh seumur hidup cinta untuk Olsen. Dalam kertas 1986, beliau menganalisis teras dari Newark Supergroup Mesozoik-kumpulan batu-batu yang terbentuk sekitar 200 hingga 227 juta tahun yang lalu-di pusat New Jersey. Batu ini mengandungi rekod kenaikan dan kejatuhan tasik selaras dengan besarnya hujan monsun tropika, yang berfluktuasi mengikut pelbagai cahaya matahari di tropika yang ditentukan oleh orbit bumi dan paksi putaran.
"Apa yang kita lihat dalam teras adalah manifestasi fizikal kedalaman air yang berubah-ubah, " kata Olsen melalui e-mel. "Apabila tasik berada di dalamnya yang paling dalam, mungkin lebih dari 100 meter dalam, lumpur halus hitam yang halus telah disimpan, dan apabila ia sangat cetek dan walaupun musim kering, lumpur merah dengan retakan pemanis yang banyak telah ditetapkan."
Olsen menggunakan analisis Fourier-kaedah untuk mewakili bentuk gelombang kompleks dalam komponen sinusoidal yang lebih mudah-untuk menunjukkan bahawa perubahan kitaran ke iklim Bumi yang terperangkap dalam rekod geologi sepadan dengan kitaran Milankovitch mekanik angkasa. Tetapi ada satu keanehan.
"Salah satu daripada kitaran itu tidak terikat secara langsung kepada apa yang diketahui ketika itu dalam kitaran orbit, " kata Olsen. "Ia adalah kira-kira dua juta tahun, dan saya tidak tahu apa itu."
Setelah menerima geran Yayasan Sains Kebangsaan (NSF) pada tahun 1990-an untuk menggali dan menganalisis hampir 22, 600 kaki teras berterusan dari tujuh tapak dalam Newark Supergroup, Olsen dan rakan-rakannya mendapati bahawa kitaran misterius adalah kitaran orbital jangka panjang yang disebabkan oleh interaksi antara Marikh dan Bumi. Temuan "memberikan bukti geologi pertama tentang kelakuan yang kacau di dalam planet-planet dalam, " Olsen dan Dennis Kent, profesor geologi di Rutgers University dan pengarang penyelidikan baru, menulis dalam kertas kerja 1999 yang diterbitkan oleh Royal Society.
Untuk terus meneroka kitaran ini dalam rekod rock, Olsen dan pasukannya melancarkan Projek Coral Plato Colorado pada tahun 2013 dengan satu lagi geran NSF. Mereka menggerudi teras lebih daripada 1, 640 kaki sepanjang bahagian Triassic Formasi Chinle di Taman Negara Petrified Forest Arizona. Inti Chinle mengandungi lapisan abu gunung berapi dengan mineral zirkon yang boleh bertarikh radiometrik.
Pemasangan untuk mengekstrak teras dari Pembentukan Chinle di Taman Negara Hutan Petrified, Arizona. (Paul Olsen) Dengan memadankan kesan-kesan pembalikan medan magnet bumi di teras sampel Formasi Chinle kepada mereka yang berada di teras Newark, para penyelidik dapat menyimpulkan tarikh sebenar kitaran iklim yang disebabkan oleh graviti planet-planet lain. Analisis mereka mendedahkan kitaran 405, 000 tahun dalam mekanisme angkasa yang disebabkan oleh Musytari dan Venus yang telah wujud selama 200 juta tahun, sama seperti hari ini.
Dalam kertas yang paling baru-baru ini, Olsen dan pasukannya menambah ukuran tambahan kepada model mereka, menggunakan skala warna stratigrafi untuk mengkaji sampel teras serta juga ukuran geofizikal lubang teras (radioaktiviti semula jadi, kepadatan batu dan halaju sonik semuanya diukur ). Pasukan ini juga mengimbas teras untuk data perwakilan X-ray untuk menganalisis semua kitaran astronomi yang boleh dilihat dalam pembentukan Newark.
Terlepas dari pengukuran yang digunakan, pengaruh planet yang sama telah dikenalpasti di dalam batu. "Sungguh menggembirakan untuk melihat perkara-perkara ini bekerja apabila mereka bersenam. Ia memberikan anda realiti ... apabila banyak perkara yang tidak dapat dilaksanakan, "kata Olsen. "Ia sangat menakjubkan."
Walaupun Orrery Geologi mempunyai implikasi yang jauh jangkauan penyelidikan, idea berani Olsen telah dipenuhi dengan beberapa keraguan. Model-modelnya cuba mengenal pasti beberapa faktor yang luar biasa untuk menghubungkan rekod rock ke pengaruh planet-planet lain pada iklim Bumi (sistem yang kompleks dan sendiri).
Lucas memanggil projek "rumah kad yang sangat kompleks yang tidak terletak pada asas saintifik yang kukuh." Dia mengatakan terdapat jurang dalam pembentukan Newark, jadi itu bukan kronologi lengkap dalam tempoh 25 juta tahun yang Olsen kumpulan belajar. (Olsen dan Kent, bagaimanapun, menggunakan temu bulat uranium dalam kajian tahun lepas dan mendapati rekod geologi dalam urutan Newark selesai untuk tempoh masa yang relevan.) Rekod Chinle tidak lengkap juga, kata Lucas, kerana ia telah didepositkan oleh sungai dan kadar pemendapan adalah "sangat berbeza" di antara dua bahagian, yang menjadikannya sukar untuk menggunakan Chinle untuk menentukur tarikh di batu Newark.
Malah Charles Darwin meratapi ketidaksempurnaan rekod geologi, dan ahli geologi secara meluas menerima bahawa rekod itu mengandungi jurang, atau dalam istilah saintifik, "ketidakpatuhan." Persoalan asas adalah berapa banyak maklumat yang boleh diekstrak dengan pasti dari rekod geologi yang tidak sempurna.
"Banyak ahli geologi mula dari sudut pandang bahawa anda perlu melihat segala-galanya sebelum anda dapat memahami apa-apa, " kata Olsen. "Modus operandi saya adalah untuk menolak apa yang berguna dalam rekod rock dan rekod paleontologi sejauh mana anda boleh menolaknya untuk mendapatkan sesuatu dari sejarah yang anda tidak dapat dengan cara lain."
Lukisan oleh Paul Olsen dari pandangan imaginasi Bumi dari ruang mencari timur di New York pada waktu malam dengan planet-planet utama yang digunakan dalam Orebery Geologi. Dari bawah ke atas: Musytari, Marikh (merah), Venus dan Bulan semua bersempena. (Paul Olsen) Walaupun dengan jurang dalam rekod rock, beberapa saintis berpendapat bahawa Olsen adalah sesuatu. "Data-data yang Paul Olsen telah bekerja selama bertahun-tahun sekarang adalah beberapa data terbaik yang pernah dikumpulkan, " kata Linda Hinnov, seorang ahli geologi di George Mason University di Virginia, yang tidak terlibat dalam kajian itu.
Hinnov mengatakan bahawa cabaran sekarang adalah untuk mengisi jurang antara kira-kira 50 dan 200 juta tahun yang lalu. Pada masa ini, data geologi dan model astronomi telah dipadankan untuk 0 hingga kira-kira 50 juta tahun yang lalu, serta antara kira-kira 200 dan 225 juta tahun yang lalu. Untuk memperluaskan Orbery Geologi, jurang antara kedua-dua tempoh ini "harus diisi dengan data yang sekurang-kurangnya sama seperti data yang dibentangkan di sini, " kata Hinnov.
Walaupun dia ragu-ragu dengan beberapa penemuan spesifik pasukan Olsen, Lucas bersetuju bahawa jenis kerja ini, yang menghubungkan rekod rock ke badan angkasa di langit, akan menjadi kritikal untuk menyelesaikan salah satu masalah saintifik terbesar hari ini: memahami apa kawalan Iklim bumi. "Kami tidak cukup memahami hubungan antara kitaran astronomi ini, iklim lalu, dan bagaimana kitaran telah berubah dari masa ke masa, " katanya. "Apa-apa perkara seperti ini yang menyumbang kepada pemahaman kita tentang sistem iklim Bumi berpotensi untuk membantu kita memahami iklim masa depan, yang sebenarnya kita bercakap mengenai ramalan."
Orrery Geologi mungkin tidak lengkap, dan seperti model komputer sistem pengkomputeran, ia mungkin hanya tepat untuk satu titik. Tetapi di antara keajaiban alam semesta, kita mula belajar bagaimana usul badan angkasa, berjuta-juta batu jauhnya dan berjuta-juta tahun yang lalu, telah membentuk dunia yang kita jalankan.
