Il geologo Paul Olsen nel Parco nazionale della foresta pietrificata dell'Arizona, dove rocce di 200 milioni di anni stanno aiutando a rivelare i moti lontani di altri pianeti. Credito:Kevin Krajick/Istituto per la Terra, Università della Columbia
Gli scienziati hanno a lungo ipotizzato che le oscillazioni periodiche del clima terrestre siano guidate da cambiamenti ciclici nella distribuzione della luce solare che raggiunge la nostra superficie. Ciò è dovuto ai cambiamenti ciclici nel modo in cui il nostro pianeta ruota sul proprio asse, l'ellitticità della sua orbita, e il suo orientamento verso il sole, cicli sovrapposti causati da sottili interazioni gravitazionali con altri pianeti, mentre i corpi girano intorno al sole e l'uno accanto all'altro come roteanti hula-hoop.
Ma i percorsi planetari cambiano nel tempo, e questo può cambiare la lunghezza dei cicli. Ciò ha reso difficile per gli scienziati districare ciò che ha guidato molti antichi cambiamenti climatici. E il problema diventa sempre più difficile quanto più si va indietro nel tempo; piccoli cambiamenti nel moto di un pianeta possono mettere di traverso gli altri, all'inizio leggermente, ma col passare degli eoni, questi cambiamenti risuonano l'uno contro l'altro, e il sistema si trasforma in modi impossibili da prevedere utilizzando anche la matematica più avanzata. In altre parole, è il caos là fuori. Fino ad ora, i ricercatori sono in grado di calcolare i moti relativi dei pianeti e i loro possibili effetti sul nostro clima con ragionevole affidabilità solo a circa 60 milioni di anni, un battito di ciglia relativo negli oltre 4,5 miliardi di vita della Terra.
Questa settimana, in un nuovo giornale in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , un team di ricercatori ha spinto indietro il record, identificare gli aspetti chiave dei moti dei pianeti da un periodo di circa 200 milioni di anni fa. Il team è guidato dal geologo e paleontologo Paul Olsen del Lamont-Doherty Earth Observatory della Columbia University. L'anno scorso, confrontando i cambiamenti periodici negli antichi sedimenti perforati dall'Arizona e dal New Jersey, Olsen e colleghi hanno identificato un 405, Ciclo di 000 anni nell'orbita terrestre che apparentemente non è cambiato affatto negli ultimi 200 milioni di anni, una sorta di metronomo rispetto al quale possono essere misurati tutti gli altri cicli. Usando quegli stessi sedimenti nella nuova carta, ora hanno identificato un ciclo iniziato durando 1,75 milioni di anni, ma ora funziona ogni 2,4 milioni di anni. Questo, dicono, permette loro di estrapolare i cambiamenti a lungo termine nei percorsi di Giove e dei pianeti interni (Mercurio, Venere e Marte), i corpi che più probabilmente influenzeranno la nostra orbita.
L'obiettivo finale di Olsen:utilizzare le rocce della Terra per creare quello che chiama un "Orrery geologico", una registrazione dei cambiamenti climatici sulla Terra che può essere estrapolata in una mappa più ampia dei movimenti del sistema solare nel corso di centinaia di milioni di anni. Dice che aprirebbe una finestra non solo sul nostro clima, ma l'evoluzione del sistema solare stesso, compresa la possibile esistenza di pianeti passati, e le sue possibili interazioni con la materia oscura invisibile.
Vista guardando ad est verso la costa orientale degli Stati Uniti, 7 ottobre 2015, quando i tre pianeti più influenti per l'orbita terrestre si allinearono con la Luna. In basso a sinistra vicino all'orizzonte terrestre, Giove (verdastro); leggermente più in alto, Marte (rossastro); leggermente più in alto e a destra, Venere (bianco brillante); e la Luna. Sulla superficie terrestre, le luci della regione metropolitana di New York-Philadelphia tracciano l'area in cui gli scienziati hanno preso i nuclei di roccia rivelando i movimenti di questi pianeti. Ispirato da una foto scattata dall'astronauta statunitense Scott Kelly. Credito:Dipinto di Paul Olsen; acrilico su tavola di argilla, modificato digitalmente
Abbiamo parlato con Olsen del planetario geologico, il suo lavoro, e la nuova carta.
La maggior parte delle persone probabilmente non ha mai nemmeno sentito la parola "orrery". Che cos'è, e come si adatta alla nostra comprensione in evoluzione della meccanica celeste?
Agli inizi del 1800, il matematico Pierre-Simon de Laplace prese le leggi della gravitazione e del moto planetario di Newton e pubblicò la sua idea che sarebbe stato possibile sviluppare un'unica grande equazione che avrebbe permesso di modellare tutto l'universo. Con la sola conoscenza del presente, tutto il passato e il futuro potevano essere conosciuti. Questa idea è incarnata nel planetario, un modello meccanico del sistema solare. Meccanismi a orologeria come questo per prevedere le eclissi e simili risalgono agli antichi greci, ma ora è chiaro che il problema è molto più complicato, e interessante. Da allora abbiamo scoperto che il sistema solare non è un meccanismo a orologeria. È infatti caotico su scale temporali lunghe, quindi la grande equazione di Laplace era un miraggio. Ciò significa che non è possibile decomprimere la sua cronologia da calcoli o modelli, non importa quanto preciso, perché i movimenti del vero sistema solare sono incredibilmente sensibili. Variare qualsiasi fattore, anche il più piccolo, si traduce in un risultato diverso dopo milioni di anni, anche quello che i principali asteroidi, o pianeti minori, come Cerere e Vesta, sta facendo. Uno dei miei coautori, Jacques Laskar, ha dimostrato che i calcoli possono proiettare in avanti o indietro solo 60 milioni di anni. Dopo di che, le previsioni diventano del tutto inaffidabili. Poiché la Terra ha circa 4,6 miliardi di anni, ciò significa che è possibile prevedere solo l'1,6% circa della sua orbita passata o futura. Nel corso di miliardi di anni, i migliori calcoli rivelano molti possibili eventi fantastici, come uno dei pianeti interni che cade nel sole o viene espulso dal sistema solare. Forse anche quella Terra e Venere potrebbero scontrarsi un giorno. Non possiamo dire se qualcuno di questi è realmente accaduto, o potrebbe accadere in futuro. Quindi abbiamo bisogno di qualche altro metodo per limitare le possibilità.
Così, cos'è l'"Orrery Geologico"? Stai provando di nuovo a ridurre tutto a un'equazione, o è qualcosa di diverso?
Il planetario geologico è l'opposto di un'equazione o di un modello. È progettato per fornire una cronologia precisa e accurata del sistema solare. Abbiamo quella storia proprio qui sulla Terra, dalla storia dei nostri climi, che è registrato nel record geologico, soprattutto in grande, laghi longevi. L'orbita terrestre e l'orientamento dell'asse cambiano continuamente perché vengono deformati dalle attrazioni gravitazionali di altri corpi. Questi cambiamenti influenzano la distribuzione della luce solare che colpisce la nostra superficie, che a sua volta influenza il clima, e i tipi di sedimenti che si depositano. Questo ci fornisce la registrazione geologica del comportamento del sistema solare. Molti scienziati hanno utilizzato i sedimenti per determinare gli effetti delle deformazioni orbitali. È così che sappiamo che le ere glaciali degli ultimi milioni di anni sono state scandite da loro. Alcuni ricercatori hanno cercato di andare molto più indietro nel tempo. Ciò che è nuovo qui è l'approccio sistematico di prendere carote di roccia che coprono decine di milioni di anni, guardando la registrazione ciclica sedimentaria del clima e datando accuratamente tali cambiamenti su più siti. Ciò ci consente di catturare l'intera gamma di deformazioni guidate dal sistema solare della nostra orbita e del nostro asse per lunghi periodi di tempo.
Cosa ti dicono le rocce su come tali cambiamenti ciclici influenzano il nostro clima?
Con due importanti esperimenti di carotaggio fino ad oggi, abbiamo appreso che i cambiamenti nei climi tropicali da umido a secco durante il periodo dei primi dinosauri, da circa 252 a 199 milioni di anni fa, erano scanditi da cicli orbitali della durata di circa 20, 000, 100, 000 e 400, 000 anni. Inoltre c'è un ciclo molto più lungo di circa 1,75 milioni di anni. I cicli più brevi sono più o meno gli stessi oggi, ma il ciclo di 1,75 milioni di anni è lontano:oggi sono 2,4 milioni di anni. Pensiamo che la differenza sia causata da una danza gravitazionale tra la Terra e Marte. Questa differenza è l'impronta digitale del caos del sistema solare. Nessun insieme esistente di modelli o calcoli duplica con precisione questi dati.
Fino a che punto pensi che arriveremo con questo problema durante la tua vita?
Mappa digitale dell'elevazione degli strati di sedimenti formatisi sul fondo di un lago circa 220 milioni di anni fa, vicino ai giorni nostri Flemington, N.J. Il fondale del lago è stato successivamente inclinato in modo che la sua sezione trasversale ora sia rivolta verso il cielo. Le sezioni viola sono creste -- resti di duro, sedimenti compressi formati quando il clima era umido e il lago profondo; sezioni verdastre alternate sono aree più basse costituite da sedimenti più morbidi erosi dai tempi di essiccazione. Ogni coppia rappresenta 405, 000 anni. I gruppi di creste nella parte inferiore dell'immagine manifestano un ciclo separato di 1,7 milioni di anni che oggi è cresciuto fino a 2,4 milioni di anni. L'area di 40 miglia quadrate è sezionata da parti dei moderni fiumi Raritan e Neshanic (blu). Credito:immagine LIDAR, Indagine geologica degli Stati Uniti; colorazione digitale di Paul Olsen
Il prossimo passo è combinare i nostri due esperimenti di carotaggio finiti con carote prese ad alte latitudini. Mentre i nostri dati di base fanno un ottimo lavoro nel mappare alcuni aspetti delle orbite planetarie, non ci dicono niente degli altri. Per quelli, abbiamo bisogno di un nucleo da un antico lago sopra i circoli paleo-artici o antartici. Tali depositi esistono in quelle che ora sono la Cina e l'Australia. Vorremmo anche includere depositi che estendono il record fino a 20 milioni di anni circa verso il presente, e un altro nucleo a bassa latitudine che possiamo datare con precisione. Con quelli, saremmo in grado di determinare se si fossero verificati dei cambiamenti in quella danza gravitazionale Marte-Terra. Questa sarebbe una prova completa del concetto del planetario geologico. Ho intenzione di essere sicuramente in giro per questo.
Il tuo articolo afferma che questo lavoro potrebbe offrire spunti sull'evoluzione del sistema solare, forse l'universo ancora più ampio.
Se tutto questo funziona, potremmo pianificare la grande missione per utilizzare il planetario geologico almeno per il resto del tempo tra i 60 ei 190 milioni di anni. Questa missione sarebbe costosa per gli standard geologici, perché il carotaggio è costoso. Ma i risultati avrebbero implicazioni di vasta portata. Di sicuro avremmo dati per produrre modelli climatici di alta qualità per la Terra. E non c'è dubbio che avremmo i parametri per i climi passati su Marte o altri pianeti rocciosi. Ma più eccitante e più speculativa è la possibilità di esplorare come potremmo aver bisogno di modificare la teoria della gravità, o testare alcune teorie controverse, come la possibile esistenza di un piano di materia oscura nella nostra galassia che il nostro sistema solare attraversa periodicamente.
Stiamo parlando di tempi profondi qui. Ha qualche applicazione per le domande sui cambiamenti climatici odierni?
Ha rilevanza per il presente. oltre al modo in cui il clima è sintonizzato sulla nostra orbita, è anche influenzato dalla quantità di anidride carbonica nell'aria. Ora ci stiamo dirigendo verso un momento in cui i livelli di CO2 potrebbero essere alti quanto 200 milioni di anni fa, primi tempi dei dinosauri. Questo ci dà un modo potenziale per vedere come interagiscono tutti i fattori. Ha anche risonanza con la nostra ricerca della vita su Marte, o per esopianeti abitabili.
