Forskare har länge hävdat att periodiska svängningar i jordens klimat drivs av cykliska förändringar i fördelningen av solljus som når vår yta. Detta beror på cykliska förändringar i hur vår planet snurrar runt sin axel, dess omloppsbanas ellipticitet, och dess orientering mot solen – överlappande cykler orsakade av subtila gravitationssamspel med andra planeter, när kropparna virvlar runt solen och vid varandra som snurrande hula-hoops.

Men planetariska banor förändras över tiden, och det kan ändra cyklernas längder. Detta har gjort det utmanande för forskare att reda ut vad som drev många forntida klimatförändringar. Och problemet blir allt svårare ju längre tillbaka i tiden man går; små förändringar i en planets rörelse kan slå andras snett – först något, men allt eftersom evigheter går, dessa förändringar resonerar mot varandra, och systemet förändras på sätt som är omöjliga att förutsäga med ens den mest avancerade matematiken. Med andra ord, det är kaos där ute. Tills nu, forskare kan beräkna planeternas relativa rörelser och deras möjliga effekter på vårt klimat med rimlig tillförlitlighet bara cirka 60 miljoner år tillbaka - en relativ ögonblink i jordens 4,5 miljarder plus liv.

Denna vecka, i en ny tidning i Proceedings of the National Academy of Sciences , ett team av forskare har fört rekordet långt tillbaka, identifiera nyckelaspekter av planeternas rörelser från en period för cirka 200 miljoner år sedan. Teamet leds av geologen och paleontologen Paul Olsen från Columbia Universitys Lamont-Doherty Earth Observatory. Förra året, genom att jämföra periodiska förändringar i forntida sediment borrade från Arizona och New Jersey, Olsen och kollegor identifierade en 405, 000-årscykel i jordens omloppsbana som tydligen inte har förändrats alls under åtminstone de senaste 200 miljoner åren — en sorts metronom mot vilken alla andra cykler kan mätas. Genom att använda samma sediment i den nya tidningen, de har nu identifierat en cykel som började vara 1,75 miljoner år, men fungerar nu vart 2,4 miljoner år. Detta, de säger, tillåter dem att extrapolera långsiktiga förändringar i Jupiters vägar och de inre planeterna (Mercury, Venus och Mars), de kroppar som mest sannolikt kommer att påverka vår egen bana.

Olsens slutmål:att använda jordens stenar för att skapa vad han kallar en "geologisk orrery" - ett register över klimatförändringar på jorden som kan extrapoleras tillbaka till en större karta över solsystemets rörelser under hundratals miljoner år. Han säger att det skulle öppna ett fönster inte bara mot vårt eget klimat, men själva solsystemets utveckling, inklusive den möjliga existensen av tidigare planeter, och dess möjliga interaktioner med osynlig mörk materia.

Vi pratade med Olsen om Geological Orrery, hans arbete, och det nya papperet.

De flesta har nog aldrig ens hört ordet "orrery". Vad är det, och hur stämmer det överens med vår utvecklande förståelse av himmelsk mekanik?

I början av 1800-talet, matematikern Pierre-Simon de Laplace tog Newtons gravitationslagar och planetrörelser och publicerade sin idé om att det borde vara möjligt att utveckla en enda stor ekvation som skulle tillåta att hela universum modelleras. Med bara kunskap om nuet, allt det förflutna och framtiden kunde vara känt. Denna idé förkroppsligas i orrery, en mekanisk modell av solsystemet. Urverksmekanismer som denna för att förutsäga förmörkelser och liknande går tillbaka till de gamla grekerna, men det är nu klart att problemet är mycket mer komplicerat, och intresserad. Vi har sedan dess upptäckt att solsystemet inte är ett urverk. Det är faktiskt kaotiskt över långa tidsskalor, så Laplaces stora ekvation var en hägring. Detta innebär att du inte kan packa upp dess historia från beräkningar eller modeller, oavsett hur exakt, eftersom det verkliga solsystemets rörelser är otroligt känsliga. Att variera någon faktor ens en minsta bit resulterar i ett annat resultat efter miljontals år – även vad de stora asteroiderna, eller mindre planeter, som Ceres och Vesta, gör. En av mina medförfattare, Jacques Laskar, har visat att beräkningar kan projicera framåt eller bakåt endast 60 miljoner år. Efter det, förutsägelserna blir helt opålitliga. Eftersom jorden är cirka 4,6 miljarder år gammal, detta betyder att endast cirka 1,6 procent av dess tidigare eller framtida omloppsbana kan förutsägas. Under miljarder år, de bästa beräkningarna avslöjar många möjliga fantastiska händelser, som att en av de inre planeterna faller in i solen eller kastas ut från solsystemet. Kanske till och med att jorden och Venus skulle kunna kollidera en dag. Vi kan inte säga om något av dessa faktiskt hände, eller kan hända i framtiden. Så vi behöver någon annan metod för att begränsa möjligheterna.

Så, vad är "Geological Orrery?" Försöker du igen att koka ner allt till en ekvation, eller är detta något annat?

The Geological Orrery är motsatsen till en ekvation eller modell. Den är utformad för att ge en exakt och korrekt historik över solsystemet. Vi får den historien här på jorden, från vårt klimats historia, som finns registrerat i det geologiska arkivet, särskilt i stora, långlivade sjöar. Jordens bana och axelorientering förändras ständigt eftersom de deformeras av andra kroppars gravitationsattraktioner. Dessa förändringar påverkar fördelningen av solljus som träffar vår yta, vilket i sin tur påverkar klimatet, och vilka typer av sediment som deponeras. Det ger oss geologiska uppgifter om solsystemets beteende. Många forskare har använt sediment för att bestämma effekterna av orbitala deformationer. Det är så vi vet att istiderna under de senaste miljoner åren drevs av dem. Vissa forskare har försökt gå mycket längre tillbaka i tiden. Det som är nytt här är det systematiska tillvägagångssättet att ta bergkärnor som sträcker sig över tiotals miljoner år, tittar på de cykliska sedimentära rekorden av klimat och exakt daterar dessa förändringar över flera platser. Det gör att vi kan fånga hela skalan av solsystemdrivna deformationer av vår bana och axel under långa tidsperioder.

Vad säger stenarna om hur sådana cykliska förändringar påverkar vårt klimat?

Med två stora kärnexperiment hittills, vi har lärt oss att förändringar i tropiska klimat från vått till torrt under tidiga dinosaurier, från cirka 252 till 199 miljoner år sedan, stimulerades av omloppscykler som varade omkring 20, 000, 100, 000 och 400, 000 år. Utöver det kommer en mycket längre cykel på cirka 1,75 miljoner år. De kortare cyklerna är ungefär desamma idag, men cykeln på 1,75 miljoner år är långt borta — den är 2,4 miljoner år idag. Vi tror att skillnaden orsakas av en gravitationsdans mellan jorden och Mars. Denna skillnad är fingeravtrycket av kaos i solsystemet. Ingen befintlig uppsättning modeller eller beräkningar duplicerar dessa data exakt.

Hur långt tror du att vi kommer att komma med det här problemet under din livstid?

Nästa steg är att kombinera våra två färdiga kärnborrningsexperiment med kärnor tagna på höga breddgrader. Medan våra kärndata gör ett riktigt bra jobb med att kartlägga vissa aspekter av planetariska banor, de berättar ingenting om andra. För dem, vi behöver en kärna från en gammal sjö ovanför de paleo-arktiska eller antarktiska cirklarna. Sådana fyndigheter finns i vad som nu är Kina och Australien. Vi skulle också vilja inkludera fyndigheter som förlänger rekordet med 20 miljoner år eller så mot nutid, och en annan kärna på låg latitud som vi kan datera exakt. Med dem, vi skulle kunna avgöra om några förändringar har ägt rum i den gravitationsdansen från Mars-Jorden. Det skulle vara ett fullständigt bevis på konceptet för Geological Orrery. Jag planerar verkligen att vara med för det.

Din uppsats nämner att detta arbete kan ge insikter i solsystemets utveckling – kanske det ännu vidare universum.

Om allt detta fungerar, vi skulle kunna planera det stora uppdraget att använda Geological Orrery under åtminstone resten av tiden mellan 60 och 190 miljoner års ålder. Detta uppdrag skulle vara dyrt med geologiska standarder, eftersom bergkärnning är dyrt. Men resultaten skulle få långtgående konsekvenser. Visst skulle vi ha data för att producera högkvalitativa klimatmodeller för jorden. Och det råder ingen tvekan om att vi skulle ha parametrarna för tidigare klimat på Mars eller andra steniga planeter. Men mer spännande och mer spekulativt är möjligheten att utforska hur vi kan behöva justera gravitationsteorin, eller testa några kontroversiella teorier, som den möjliga existensen av ett plan av mörk materia i vår galax som vårt solsystem passerar genom med jämna mellanrum.

Vi pratar djup tid här. Har detta någon tillämpning på frågor om dagens klimatförändringar?

Det har relevans för nuet. förutom hur klimatet är anpassat till vår omloppsbana, det påverkas också av mängden koldioxid i luften. Nu är vi på väg in i en tid då CO2-nivåerna kan vara lika höga som de var för 200 miljoner år sedan, tidiga dinosaurietider. Detta ger oss ett potentiellt sätt att se hur alla faktorer samverkar. Det har också resonans med vårt sökande efter liv på Mars, eller för beboeliga exoplaneter.