VVS en 90 miljoner år gammal lagerkaka av sedimentär sten i Colorado, ett team av forskare från University of Wisconsin-Madison och Northwestern University har hittat bevis som bekräftar en kritisk teori om hur planeterna i vårt solsystem beter sig i sina banor runt solen.

Fyndet, publicerad 23 feb. 2017 i tidningen Natur , är viktigt eftersom det ger det första hårda beviset för vad forskare kallar det "kaotiska solsystemet, " en teori som föreslogs 1989 för att ta hänsyn till små variationer i de nuvarande förhållandena i solsystemet. Variationerna, utspelar sig under många miljoner år, producera stora förändringar i vår planets klimat – förändringar som kan återspeglas i klipporna som registrerar jordens historia.

Upptäckten lovar inte bara en bättre förståelse av solsystemets mekanik, men också en mer exakt mätstav för geologisk tid. Dessutom, det ger en bättre förståelse för kopplingen mellan orbitalvariationer och klimatförändringar över geologiska tidsskalor.

Med hjälp av bevis från omväxlande lager av kalksten och skiffer som lagts ner under miljontals år i en grund nordamerikansk sjöväg när dinosaurierna höll makten på jorden, teamet ledd av UW-Madison professor i geovetenskap Stephen Meyers och Northwestern University professor i jord- och planetvetenskap Brad Sageman upptäckte den 87 miljoner år gamla signaturen för en "resonansövergång" mellan Mars och jorden. En resonansövergång är konsekvensen av "fjärilseffekten" i kaosteorin. Det spelar på tanken att små förändringar i de initiala förutsättningarna för ett olinjärt system kan ha stora effekter över tid.

I samband med solsystemet, fenomenet uppstår när två kretsande kroppar med jämna mellanrum rycker i varandra, som inträffar när en planet i sitt spår runt solen passerar i relativ närhet till en annan planet i sin egen bana. Dessa små men regelbundna fästingar i en planets omloppsbana kan utöva stora förändringar på positionen och orienteringen av en planet på dess axel i förhållande till solen och, följaktligen, ändra mängden solstrålning en planet tar emot över ett givet område. Var och hur mycket solstrålning en planet får är en viktig drivkraft för klimatet.

"Inverkan av astronomiska cykler på klimatet kan vara ganska stor, " förklarar Meyers, som ett exempel noterar tempot för jordens istider, som på ett tillförlitligt sätt har matchats till periodiska förändringar i formen på jordens omloppsbana, och vår planets lutning på dess axel. "Astronomisk teori tillåter en mycket detaljerad utvärdering av tidigare klimathändelser som kan ge en analog för framtida klimat."

För att hitta signaturen för en resonansövergång, Meyers, Sageman och UW-Madison doktorand Chao Ma, vars avhandlingsarbete detta omfattar, tittade på det geologiska rekordet i vad som är känt som Niobrara-formationen i Colorado. Formationen lades ner lager för lager under tiotals miljoner år när sediment avsattes på botten av en vidsträckt sjöväg känd som den krita västra inre sjövägen. Det grunda havet sträckte sig från vad som nu är Ishavet till Mexikanska golfen, som skiljer de östra och västra delarna av Nordamerika.

"Niobrara-formationen uppvisar en uttalad rytmisk bergskiktning på grund av förändringar i den relativa mängden lera och kalciumkarbonat, " konstaterar Meyers, en auktoritet inom astrokronologi, som använder astronomiska cykler för att mäta geologisk tid. "Källan till leran (som läggs ned som skiffer) är från vittring av landytan och inflödet av lera till havet via floder. Källan till kalciumkarbonatet (kalksten) är skal från organismer, mestadels mikroskopisk, som bodde i vattenpelaren."

Meyers förklarar att även om kopplingen mellan klimatförändringar och sedimentering kan vara komplex, grundidén är enkel:"Klimatförändringar påverkar den relativa leveransen av lera kontra kalciumkarbonat, registrerar den astronomiska signalen i processen. Till exempel, föreställ dig ett mycket varmt och vått klimattillstånd som pumpar ut lera i havet via floder, producerar en lerrik sten eller skiffer, alternerande med ett torrare och svalare klimattillstånd som pumpar mindre lera i havet och producerar en kalciumkarbonatrik sten eller kalksten."

Den nya studien stöddes av anslag från National Science Foundation. Den bygger på en noggrann stratigrafisk rekord och viktiga astrokronologiska studier av Niobrara-formationen, den senare utfördes i Robert Locklairs avhandlingsarbete, en tidigare elev till Sageman's på Northwestern.

Datering av Mars-Jord-resonansövergången som hittats av Ma, Meyers och Sageman bekräftades av radioisotopisk dating, en metod för att datera bergarternas absoluta åldrar med hjälp av kända hastigheter för radioaktivt sönderfall av grundämnen i stenarna. Under de senaste åren har stora framsteg i noggrannheten och precisionen av radioisotopdatering, utarbetad av UW-Madison geovetenskap professor Bradley Singer och andra, har introducerats och bidrar till dateringen av resonansövergången.

Planeternas rörelser runt solen har varit föremål för djupt vetenskapligt intresse sedan tillkomsten av den heliocentriska teorin – idén att jorden och planeterna kretsar runt solen – på 1500-talet. Från 1700-talet, den dominerande synen på solsystemet var att planeterna kretsade runt solen som ett urverk, har kvasiperiodiska och mycket förutsägbara banor. 1988, dock, numeriska beräkningar av de yttre planeterna visade att Plutos bana var "kaotisk" och idén om ett kaotiskt solsystem föreslogs 1989 av astronomen Jacques Laskar, nu vid Paris observatorium.

Efter Laskars förslag om ett kaotiskt solsystem, forskare har letat på allvar efter definitiva bevis som skulle stödja idén, säger Meyers.

"Andra studier har föreslagit närvaron av kaos baserat på geologiska data, " säger Meyers. "Men detta är det första entydiga beviset, möjliggjort av tillgången på hög kvalitet, radioisotopiska datum och den starka astronomiska signalen som finns bevarad i klipporna."