En un planeta como la Tierra, a medida que la roca y el agua pasan por ciclos y cambios, derritiéndose, enfriándose, erosionándose y acumulándose, despojados en amplios valles y apilados en altas montañas, los fenómenos naturales del pasado dejan huellas en la corteza. del planeta Al extraer el hielo antiguo, por ejemplo, los científicos pueden estudiar las partículas atrapadas y aprender sobre las condiciones atmosféricas hace millones de años. Al estudiar minerales magnéticos incrustados en rocas antiguas, los geólogos han aprendido que el campo magnético del planeta invierte los polos, aproximadamente una vez cada 250, 000 años en promedio.
Los científicos pueden aprender mucho sobre la Tierra a partir de las capas geológicas de su corteza, pero aún más información puede estar oculta dentro del registro de rocas. Según el geólogo y paleontólogo Paul Olsen de la Universidad de Columbia, las claves de la historia no solo de nuestro planeta, sino también del sistema solar y la galaxia se pueden encontrar bajo nuestros pies.
En un estudio publicado hoy en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias, Olsen y sus colegas argumentan que los ciclos astronómicos de los planetas se pueden medir en capas de rocas terrestres. Los núcleos cilíndricos de roca extraídos del suelo, algunos que se extienden a miles de pies y que abarcan millones de años de historia, pueden contener rastros sutiles de la influencia de la gravedad de otros planetas, lo que permite a los científicos inferir las posiciones históricas de los planetas hace cientos de millones de años. .
"Este es un nuevo mundo de datos empíricos que permite realizar pruebas de la teoría del sistema solar a gran escala", dice Olsen. Él llama a su modelo Orrery Geológico, llamado así por modelos mecánicos del sistema solar del siglo XVIII. El trabajo no solo podría proporcionar un conjunto de datos independiente para probar los modelos existentes de movimiento planetario, sino que también se ha utilizado para revelar ciclos orbitales que nunca antes se habían medido. El Orological Geological podría incluso usarse como una nueva herramienta para probar algunas de las teorías más fundamentales de la ciencia, como la teoría general de la relatividad de Einstein, la posible existencia de planetas adicionales en el antiguo sistema solar e incluso las influencias gravitacionales de la materia oscura. en la Vía Láctea, dice Olsen.
El geólogo Paul Olsen en el Parque Nacional del Bosque Petrificado de Arizona, donde rocas de 200 millones de años ayudan a revelar los movimientos de otros planetas. (Kevin Krajick / Earth Institute, Universidad de Columbia) "Este documento es un intento de resolver un problema muy difícil y desconcertante para los astrónomos y geólogos interesados en la historia del sistema solar y cómo ha afectado el sistema de la Tierra: clima, sedimentación, etc.", dice Spencer Lucas, un geólogo y paleontólogo del Museo de Historia Natural y Ciencia de Nuevo México que no participó en el estudio. "Estos ciclos astronómicos han evolucionado durante cientos de millones de años, y hay una cierta cantidad de caos en esa evolución, por lo que siempre ha sido un gran desafío para los geólogos y astrónomos tratar de comprender lo que sucedió con estos ciclos".
Las capas de la corteza terrestre representan un registro de climas pasados, y esos climas fueron influenciados por movimientos celestes llamados ciclos de Milankovitch. Llamados así por el geofísico y astrónomo serbio Milutin Milankovitch, estos ciclos son el resultado de las interacciones gravitacionales de la Tierra con otros planetas que influyen en la trayectoria de la Tierra alrededor del sol, incluida la forma de su trayectoria elíptica (excentricidad), así como la inclinación (oblicuidad) y la oscilación (precesión) del eje del planeta.
Los cambios en la órbita de la Tierra afectan el clima del planeta, y como Olsen argumentó por primera vez en un artículo de 1986 en Science, un registro de climas pasados podría usarse para inferir las posiciones y movimientos de otros planetas.
Pero, ¿por qué pasar por la molestia y el gasto de desenterrar núcleos de tierra para determinar las trayectorias de otros planetas? Utilizando las leyes de la mecánica orbital, los científicos pueden crear modelos matemáticos para estudiar la historia de nuestro pequeño vecindario solar en el espacio.
Tales modelos, sin embargo, solo son confiables hasta cierto punto, dice Olsen. No hay ecuaciones matemáticas simples que describan los movimientos de más de dos cuerpos en movimiento en el espacio con un alto grado de certeza. Con ocho planetas y el sol, sin mencionar millones de cuerpos más pequeños en el sistema solar, los astrónomos no pueden desarrollar soluciones analíticas para describir los movimientos exactos de los planetas en el pasado distante. En cambio, los investigadores calculan las órbitas anteriores de los planetas un pequeño incremento a la vez. Según el trabajo de Jacques Laskar, director de investigación en el Observatorio de París y coautor del nuevo artículo, los errores se acumulan en cada intervalo de tiempo de tal manera que las predicciones se vuelven esencialmente inútiles más allá de unos 60 millones de años, no mucho tiempo en los 4.500 millones de dólares. año de historia del sistema solar.
Los modelos computacionales anteriores de Laskar también proporcionaron evidencia de que los planetas internos (Mercurio, Venus, Tierra y Marte) pueden comportarse de manera caótica. O, en otras palabras, las posiciones de estos cuatro planetas podrían determinarse en gran medida por las condiciones iniciales, haciéndolos casi imposibles de predecir basándose únicamente en las posiciones y direcciones vistas hoy.
"Estos registros rocosos del cambio climático resultan ser la clave para descubrir qué está haciendo realmente el sistema solar", dice Olsen.
Núcleo rocoso de sedimentos lacustres extraídos de la cuenca de Newark en el centro de Nueva Jersey que abarca unos 40, 000 años. (Paul Olsen) Demostrar la viabilidad de su Orrery Geológico ha sido un trabajo de amor para toda la vida por Olsen. En su artículo de 1986, analizó los núcleos del Supergrupo Newark Mesozoico, un conjunto de rocas formadas hace unos 200 a 227 millones de años, en el centro de Nueva Jersey. La roca contenía un registro del ascenso y la caída de los lagos en sincronía con la magnitud de las lluvias monzónicas tropicales, que fluctúan de acuerdo con las cantidades variables de luz solar en los trópicos determinados por la órbita de la Tierra y el eje de rotación.
"Lo que vemos en los núcleos son manifestaciones físicas de la profundidad cambiante del agua", dice Olsen por correo electrónico. "Cuando el lago estaba en su punto más profundo, quizás a más de 100 metros de profundidad, se depositaban lodos negros finamente laminados, y cuando era muy poco profundo e incluso estacionalmente seco, se depositaban lodos rojos con abundantes grietas de desecación".
Olsen usó el análisis de Fourier, un método para representar formas de onda complejas en componentes sinusoidales más simples, para mostrar que los cambios cíclicos en el clima de la Tierra atrapados en el registro geológico coinciden con los ciclos de Milankovitch de la mecánica celeste. Pero había una rareza.
"Uno de los ciclos no estaba directamente relacionado con nada conocido en ese momento en los ciclos orbitales", dice Olsen. "Fue alrededor de dos millones de años, y no sabía lo que era".
Después de recibir una subvención de la National Science Foundation (NSF) en la década de 1990 para desenterrar y analizar casi 22, 600 pies de núcleos continuos de siete sitios dentro del Supergrupo Newark, Olsen y sus colegas descubrieron que el misterioso ciclo era un ciclo orbital de largo período causado por Las interacciones entre Marte y la Tierra. El hallazgo "proporciona la primera evidencia geológica del comportamiento caótico de los planetas internos", escribieron Olsen y Dennis Kent, profesor de geología en la Universidad de Rutgers y coautor de la nueva investigación, en un artículo de 1999 publicado por la Royal Society.
Para explorar aún más estos ciclos en el registro de rock, Olsen y su equipo lanzaron el Proyecto Colorado Plateau Coring en 2013 con otra subvención de la NSF. Perforaron un núcleo de más de 1, 640 pies de largo a través de la sección Triásica de la Formación Chinle en el Parque Nacional del Bosque Petrificado de Arizona. El núcleo de Chinle contiene capas de cenizas volcánicas con minerales de circón que pueden datarse radiométricamente.
Instalación para extraer un núcleo de la Formación Chinle en el Parque Nacional del Bosque Petrificado, Arizona. (Paul Olsen) Al hacer coincidir las trazas de las inversiones del campo magnético de la Tierra en el núcleo de la muestra de la Formación Chinle con las del núcleo de Newark, los investigadores pudieron inferir las fechas exactas de los ciclos climáticos causados por la gravedad de otros planetas. Su análisis reveló un ciclo de 405, 000 años en mecánica celeste causado por Júpiter y Venus que ha existido durante 200 millones de años, exactamente como es hoy.
En su artículo más reciente, Olsen y su equipo agregaron mediciones adicionales a sus modelos, utilizando una escala de color estratigráfica para estudiar la muestra del núcleo, así como mediciones geofísicas del agujero del núcleo (se midieron la radiactividad natural, la densidad de la roca y la velocidad sónica). ) El equipo también escaneó el núcleo en busca de datos de fluorescencia de rayos X para analizar cuidadosamente todos los ciclos astronómicos visibles en la formación Newark.
Independientemente de las medidas que se utilizaron, se identificaron las mismas influencias planetarias en la roca. “Es realmente emocionante ver que estas cosas funcionan cuando funcionan. Te da una sensación de realidad ... cuando funcionan tantas cosas improbables ", dice Olsen. "Es realmente bastante sorprendente".
Aunque la Orrería Geológica tiene implicaciones de investigación potencialmente de gran alcance, la audaz idea de Olsen se ha encontrado con cierto escepticismo. Sus modelos intentan explicar una cantidad extraordinaria de factores para vincular el registro de rocas con la influencia de otros planetas en el clima de la Tierra (un sistema complejo en sí mismo).
Lucas llama al proyecto "un castillo de naipes muy complejo que no descansa sobre una base científica sólida". Él dice que hay lagunas en la formación de Newark, por lo que no es una cronología completa del período de 25 millones de años que Olsen grupo estudiado (Olsen y Kent, sin embargo, usaron datación con uranio-plomo en un estudio el año pasado y encontraron que el registro geológico en la secuencia de Newark está completo para el intervalo de tiempo relevante). El registro de Chinle también está incompleto, dice Lucas, porque fue depositado por Los ríos y las tasas de sedimentación son "muy diferentes" entre dos secciones, lo que dificulta el uso de Chinle para calibrar de manera confiable las fechas en la roca de Newark.
Incluso Charles Darwin lamentó la incompletitud del registro geológico, y los geólogos aceptan ampliamente que el registro contiene vacíos, o en lenguaje científico, "inconformidades". La pregunta fundamental es cuánta información puede extraerse de manera confiable de un registro geológico imperfecto.
"Muchos geólogos comienzan desde el punto de vista de que hay que ver todo antes de poder entender algo", dice Olsen. "Mi modus operandi es impulsar lo que es útil en el registro de rock y el registro paleontológico lo más lejos que puedas para sacar cosas de la historia que no puedes obtener de otra manera".
Una pintura de Paul Olsen de una vista imaginada de la Tierra desde el espacio mirando hacia el este sobre Nueva York por la noche con los planetas principales utilizados en la Orquesta Geológica. De abajo hacia arriba: Júpiter, Marte (rojizo), Venus y la Luna, todo en conjunción. (Paul Olsen) Incluso con lagunas en el registro de rock, algunos científicos piensan que Olsen está en algo. "Estos datos en los que Paul Olsen ha estado trabajando durante muchos años son algunos de los mejores datos que se han recopilado", dice Linda Hinnov, geóloga de la Universidad George Mason en Virginia, que no participó en el estudio.
Hinnov dice que el desafío ahora es llenar el vacío entre hace unos 50 y 200 millones de años. En la actualidad, los datos geológicos y los modelos astronómicos se han igualado entre 0 y aproximadamente 50 millones de años atrás, así como también entre aproximadamente 200 y 225 millones de años atrás. Para extender la Orrería Geológica, la brecha entre estos dos períodos "debe llenarse con datos que sean al menos tan buenos como los datos que se presentan aquí", dice Hinnov.
Aunque es escéptico sobre algunos de los hallazgos específicos del equipo de Olsen, Lucas está de acuerdo en que este tipo de trabajo, que conecta el registro de rocas con los cuerpos celestes en el cielo, se volverá crítico para resolver uno de los mayores problemas científicos de la actualidad: comprender qué controla El clima de la tierra. "No entendemos lo suficiente sobre la relación entre estos ciclos astronómicos, los climas pasados y cómo los ciclos han cambiado a través del tiempo", dice. "Cualquier cosa como esta que contribuya a nuestra comprensión del sistema climático de la Tierra tiene el potencial de ayudarnos a comprender mejor el clima futuro, que es realmente de lo que estamos hablando de predecir".
La Orrería Geológica puede estar incompleta y, al igual que los modelos computacionales de los sistemas planetarios, solo puede ser precisa hasta cierto punto. Pero entre las maravillas del cosmos, estamos empezando a aprender cómo los movimientos de los cuerpos celestes, a millones de millas de distancia y hace millones de años, han dado forma al mundo en el que caminamos.
