Vetenskapligt borrfartyg JOIDES Resolution. Sedimentarkiven som erhållits under havsborrningsprogram ger forskare en inblick i jordens klimathistoria och avslöjar kaos i solsystemet. Infälld:Djuphavssedimentkärnor över gränsen mellan paleocen och eocen. Sektionerna med ljusbrun färg består huvudsakligen av kalciumkarbonat, medan den mörkröda/bruna delen är ett lerlager, representerar början på ett intervall av intensiv global uppvärmning och havsförsurning för 56 miljoner år sedan, känd som paleocen-eocen termiska maximum. Kredit:Integrated Ocean Drilling Program
En dag är tiden för jorden att göra en hel rotation på sin axel, ett år är det dags för jorden att göra ett varv runt solen – påminnelser om att grundläggande tidsenheter och perioder på jorden är intimt kopplade till vår planets rörelse i rymden i förhållande till solen. Faktiskt, vi lever mestadels våra liv i takt med dessa astronomiska cykler.
Detsamma gäller klimatcykler. Cyklerna i dagligt och årligt solljus orsakar de välbekanta delsvängningarna i temperatur och årstid. På geologiska tidsskalor (tusentals till miljoner år), variationer i jordens omloppsbana är istidernas pacemaker (så kallade Milankovitch-cykler). Förändringar i orbitalparametrar inkluderar excentricitet (avvikelsen från en perfekt cirkulär bana), som kan identifieras i geologiska arkiv, precis som ett fingeravtryck.
Dateringen av geologiska arkiv har revolutionerats genom utvecklingen av en så kallad astronomisk tidsskala, en "kalender" för det förflutna som ger åldrar av geologiska perioder baserade på astronomi. Till exempel, cykler i mineralogi eller kemi i geologiska arkiv kan matchas till cykler av en astronomisk lösning (beräknade astronomiska parametrar i det förflutna från att beräkna planetbanorna bakåt i tiden). Den astronomiska lösningen har en inbyggd klocka och ger därför en korrekt kronologi för det geologiska rekordet.
Dock, geologer och astronomer har kämpat för att förlänga den astronomiska tidsskalan längre tillbaka än omkring femtio miljoner år på grund av en stor vägspärr:kaos i solsystemet, vilket gör systemet oförutsägbart bortom en viss punkt.
I en ny studie publicerad i tidskriften Vetenskap , Richard Zeebe från University of Hawai'i i Manoa och Lucas Lourens från Utrecht University erbjuder nu ett sätt att övervinna vägspärren. Teamet använde geologiska uppgifter från djuphavsborrkärnor för att begränsa den astronomiska lösningen och, i tur och ordning, använde den astronomiska lösningen för att utöka den astronomiska tidsskalan med cirka 8 miljoner år. Ytterligare tillämpning av deras nya metod lovar att nå längre tillbaka i tiden fortfarande, ett steg och geologiskt rekord i taget.
Å ena sidan, Zeebe och Lourens analyserade sedimentdata från borrkärnor i södra Atlanten över sen Paleocen och tidig eocen, ca. 58-53 miljoner år sedan (Ma). Sedimentcyklerna visade ett anmärkningsvärt uttryck för en speciell Milankovitch-parameter, Jordens orbitala excentricitet. Å andra sidan, Zeebe och Lourens beräknade en ny astronomisk lösning (kallad ZB18a), som visade exceptionell överensstämmelse med data från den sydatlantiska borrkärnan.
Illustration av kaotiska banor (Poincare-sektionen, hastighet vs. position) i ett enkelt dynamiskt system (tvingad pendel) från överlappande resonanser. Strukturer av slutna kurvor som ser ut som ringar på ett skjutmål är områden med stabilitet, medan tätt fylld, prickade områden är regioner av kaos. Interaktiva resonanser misstänks också orsaka kaos i solsystemet, fast betydligt mer komplext än det enkla systemet som avbildas här. Upphovsman:Richard Zeebe
"Det här var verkligen fantastiskt, " Sa Zeebe. "Vi hade denna ena kurva baserad på data från över 50 miljoner år gammalt sediment borrat från havsbotten och sedan den andra kurvan helt baserad på fysik och numerisk integration av solsystemet. Så de två kurvorna härleddes helt oberoende, ändå såg de nästan ut som enäggstvillingar."
Zeebe och Lourens är inte de första att upptäcka en sådan överenskommelse – genombrottet är att deras tidsfönster är äldre än 50 Ma, där astronomiska lösningar inte håller med. De testade 18 olika publicerade lösningar men ZB18a matchar bäst med data.
Konsekvenserna av deras arbete sträcker sig mycket längre. Med hjälp av deras nya kronologi, de ger en ny tidsålder för paleocen-eocengränsen (56,01 Ma) med en liten felmarginal (0,1%). De visar också att början av en stor forntida klimathändelse, det paleocen-eocena termiska maximumet (PETM), inträffade nära ett excentricitetsmaximum, vilket föreslår en orbital trigger för händelsen. PETM anses vara den bästa paleo-analogen för nuvarande och framtida antropogena kolutsläpp, ändå har PETM:s utlösare diskuterats flitigt. Orbitalkonfigurationerna då och nu är dock väldigt olika, vilket tyder på att effekterna från orbitalparametrar i framtiden sannolikt kommer att vara mindre än för 56 miljoner år sedan.
Zeebe varnade, dock, "Inget av detta kommer direkt att mildra framtida uppvärmning, så det finns ingen anledning att bagatellisera antropogena koldioxidutsläpp och klimatförändringar. "
När det gäller implikationer för astronomi, den nya studien visar omisskännliga fingeravtryck av kaos i solsystemet runt 50 Ma. Teamet fann en förändring i frekvenser relaterade till jordens och Mars banor, påverkar deras amplitudmodulering (ofta kallat "beat" i musik).
"Du kan höra amplitudmodulering när du stämmer en gitarr. När två toner är nästan lika, du hör i princip en frekvens, men amplituden varierar långsamt – det är ett slag, " förklarade Zeebe. I icke-kaotiska system, frekvenser och slag är konstanta över tiden, men de kan förändras och växla i kaotiska system (kallad resonansövergång). Zeebe lade till, "Förändringen i takter är ett tydligt uttryck för kaos, vilket gör systemet fascinerande men också mer komplext. Ironiskt, förändringen i takten är också exakt det som hjälper oss att identifiera lösningen och förlänga den astronomiska tidsskalan ".
