La torta a strati di roccia sedimentaria vicino a Big Bend, Texas, mostra gli strati alternati di scisto e calcare caratteristici della roccia depositata sul fondo di un oceano poco profondo durante il tardo Cretaceo. La roccia contiene la firma di 87 milioni di anni fa di una "transizione di risonanza" nelle orbite di Marte e della Terra, prove geologiche definitive che le orbite dei pianeti nel nostro sistema solare si comportano in modo diverso dalla teoria prevalente, che sosteneva che i pianeti orbitano come un orologio in modo quasi periodico. Credito:Bradley Sageman, Northwestern University
L'impianto idraulico di uno strato di roccia sedimentaria di 90 milioni di anni fa in Colorado, un team di scienziati dell'Università del Wisconsin-Madison e della Northwestern University ha trovato prove che confermano una teoria critica su come si comportano i pianeti del nostro sistema solare nelle loro orbite attorno al sole.
Il ritrovamento, pubblicato il 23 febbraio 2017 sulla rivista Natura , è importante perché fornisce la prima prova concreta di quello che gli scienziati chiamano il "sistema solare caotico, " una teoria proposta nel 1989 per spiegare piccole variazioni nelle condizioni attuali del sistema solare. Le variazioni, svolgersi per molti milioni di anni, produrre grandi cambiamenti nel clima del nostro pianeta, cambiamenti che possono essere riflessi nelle rocce che registrano la storia della Terra.
La scoperta promette non solo una migliore comprensione della meccanica del sistema solare, ma anche un metro più preciso per il tempo geologico. Inoltre, offre una migliore comprensione del legame tra variazioni orbitali e cambiamenti climatici su scale temporali geologiche.
Utilizzando le prove degli strati alternati di calcare e scisto depositati nel corso di milioni di anni in un mare poco profondo del Nord America all'epoca in cui i dinosauri dominavano la Terra, il team guidato dal professore di geoscienze della UW-Madison Stephen Meyers e dal professore di scienze della Terra e planetarie della Northwestern University Brad Sageman ha scoperto la firma di 87 milioni di anni di una "transizione di risonanza" tra Marte e la Terra. Una transizione di risonanza è la conseguenza dell'"effetto farfalla" nella teoria del caos. Gioca sull'idea che piccoli cambiamenti nelle condizioni iniziali di un sistema non lineare possono avere grandi effetti nel tempo.
Nel contesto del sistema solare, il fenomeno si verifica quando due corpi orbitanti si tirano periodicamente l'un l'altro, come accade quando un pianeta nel suo percorso intorno al sole passa in relativa vicinanza ad un altro pianeta nella sua stessa orbita. Questi piccoli ma regolari segni di spunta nell'orbita di un pianeta possono esercitare grandi cambiamenti sulla posizione e sull'orientamento di un pianeta sul suo asse rispetto al sole e, di conseguenza, modificare la quantità di radiazione solare che un pianeta riceve su una determinata area. Dove e quanta radiazione solare riceve un pianeta è un fattore chiave del clima.
"L'impatto dei cicli astronomici sul clima può essere piuttosto grande, " spiega Meyers, prendendo come esempio il ritmo delle ere glaciali della Terra, che sono stati abbinati in modo affidabile ai cambiamenti periodici nella forma dell'orbita terrestre, e l'inclinazione del nostro pianeta sul suo asse. "La teoria astronomica consente una valutazione molto dettagliata degli eventi climatici passati che potrebbero fornire un analogo per il clima futuro".
Per trovare la firma di una transizione di risonanza, Meyer, Sageman e lo studente laureato UW-Madison Chao Ma, il cui lavoro di tesi questo comprende, guardato al record geologico in quella che è conosciuta come la Formazione Niobrara in Colorado. La formazione è stata depositata strato dopo strato nel corso di decine di milioni di anni quando i sedimenti si sono depositati sul fondo di un vasto mare conosciuto come il Mare del Cretaceo occidentale interno. L'oceano poco profondo si estendeva da quello che oggi è l'Oceano Artico fino al Golfo del Messico, separando le parti orientale e occidentale del Nord America.
"La Formazione Niobrara mostra una pronunciata stratificazione ritmica della roccia a causa dei cambiamenti nell'abbondanza relativa di argilla e carbonato di calcio, " nota Meyers, un'autorità in astrocronologia, che utilizza cicli astronomici per misurare il tempo geologico. "La fonte dell'argilla (deposta come scisto) proviene dall'erosione della superficie terrestre e dall'afflusso di argilla al mare attraverso i fiumi. La fonte del carbonato di calcio (calcare) sono i gusci di organismi, per lo più microscopici, che viveva nella colonna d'acqua."
Meyers spiega che mentre il legame tra cambiamento climatico e sedimentazione può essere complesso, l'idea di base è semplice:"Il cambiamento climatico influenza la consegna relativa di argilla rispetto al carbonato di calcio, registrazione del segnale astronomico nel processo. Per esempio, immagina uno stato climatico molto caldo e umido che pompa argilla nel mare attraverso i fiumi, producendo una roccia o uno scisto ricco di argilla, alternato a uno stato climatico più secco e più fresco che pompa meno argilla nel mare e produce una roccia o calcare ricco di carbonato di calcio".
Il nuovo studio è stato sostenuto da sovvenzioni della National Science Foundation. Si basa su una meticolosa registrazione stratigrafica e importanti studi astrocronologici della Formazione Niobrara, quest'ultimo condotto nel lavoro di tesi di Robert Locklair, un ex studente di Sageman alla Northwestern.
Datazione della transizione di risonanza Marte-Terra trovata da Ma, Meyers e Sageman è stato confermato dalla datazione radioisotopica, un metodo per datare le età assolute delle rocce utilizzando tassi noti di decadimento radioattivo degli elementi nelle rocce. Negli ultimi anni, importanti progressi nell'accuratezza e precisione della datazione radioisotopica, ideato dal professor Bradley Singer e altri di geoscienze di UW-Madison, sono stati introdotti e contribuiscono alla datazione della transizione di risonanza.
I moti dei pianeti intorno al sole sono stati oggetto di profondo interesse scientifico sin dall'avvento della teoria eliocentrica, l'idea che la Terra e i pianeti ruotino intorno al sole, nel XVI secolo. Dal XVIII secolo, la visione dominante del sistema solare era che i pianeti orbitano intorno al sole come un orologio, con orbite quasiperiodiche e altamente prevedibili. Nel 1988, però, calcoli numerici dei pianeti esterni hanno mostrato che l'orbita di Plutone è "caotica" e l'idea di un sistema solare caotico è stata proposta nel 1989 dall'astronomo Jacques Laskar, ora all'Osservatorio di Parigi.
Seguendo la proposta di Laskar di un sistema solare caotico, gli scienziati hanno cercato seriamente prove definitive a sostegno dell'idea, dice Meyer.
"Altri studi hanno suggerito la presenza di caos sulla base di dati geologici, " dice Meyers. "Ma questa è la prima prova inequivocabile, reso possibile dalla disponibilità di prodotti di alta qualità, date radioisotopiche e il forte segnale astronomico conservato nelle rocce."
