Em um planeta como a Terra, enquanto a rocha e a água passam por ciclos e mudanças, derretendo e esfriando e erodindo e acumulando, despojadas em amplos vales e empilhadas em montanhas imponentes, os fenômenos naturais do passado deixam marcas na crosta do planeta. Derretendo o gelo antigo, por exemplo, os cientistas podem estudar as partículas aprisionadas e aprender sobre as condições atmosféricas há milhões de anos. Ao estudar os minerais magnéticos incorporados na rocha antiga, os geólogos descobriram que o campo magnético do planeta reverte os pólos - cerca de uma vez a cada 250.000 anos, em média.
Os cientistas podem aprender muito sobre a Terra a partir das camadas geológicas de sua crosta, mas ainda mais informações podem estar escondidas dentro do registro de rochas. Segundo o geólogo e paleontólogo Paul Olsen, da Universidade de Columbia, as chaves para a história não só do nosso planeta, mas também do sistema solar e da galáxia, podem ser encontradas sob nossos pés.
Em um estudo publicado na revista Proceedings, da Academia Nacional de Ciências, Olsen e seus colegas argumentam que os ciclos astronômicos dos planetas podem ser medidos em camadas rochosas terrestres. Núcleos cilíndricos de rocha extraídos do solo, alguns se estendendo por milhares de metros e atravessando milhões de anos de história, podem conter traços sutis da influência da gravidade de outros planetas, permitindo aos cientistas inferir as posições históricas de planetas há centenas de milhões de anos atrás. .
"Este é um novo mundo de dados empíricos que permite testes de teoria do sistema solar em larga escala", diz Olsen. Ele chama seu modelo Geological Orrery, nomeado após os modelos mecânicos do século XVIII do sistema solar. O trabalho não só poderia fornecer um conjunto de dados independente para testar modelos existentes de movimento planetário, mas também foi usado para revelar ciclos orbitais que nunca haviam sido medidos antes. O Oratório Geológico poderia até ser usado como uma nova ferramenta para testar algumas das teorias mais fundamentais da ciência, como a teoria geral da relatividade de Einstein, a possível existência de planetas adicionais no antigo sistema solar e até mesmo as influências gravitacionais da matéria escura. na Via Láctea, diz Olsen.
O geólogo Paul Olsen, no Parque Nacional da Floresta Petrificada do Arizona, onde rochas de 200 milhões de anos estão ajudando a revelar os movimentos antigos de outros planetas. (Kevin Krajick / Instituto da Terra, Universidade de Columbia) "Este trabalho é uma tentativa de resolver um problema muito difícil e desconcertante para os astrônomos e geólogos que estão interessados na história do sistema solar, e como isso afetou o sistema da Terra - clima, sedimentação, etc.", diz Spencer Lucas, um geólogo e paleontólogo no Museu de História Natural e Ciência do Novo México que não esteve envolvido no estudo. “Esses ciclos astronômicos evoluíram por centenas de milhões de anos e há uma certa quantidade de caos nessa evolução, por isso sempre foi um grande desafio para geólogos e astrônomos tentar entender o que aconteceu com esses ciclos.”
As camadas da crosta terrestre representam um registro de climas passados, e esses climas foram influenciados por movimentos celestes chamados ciclos de Milankovitch. Nomeado pelo geofísico e astrônomo sérvio Milutin Milankovitch, esses ciclos são o resultado das interações gravitacionais da Terra com outros planetas que influenciam a trajetória da Terra ao redor do sol, incluindo a forma de seu trajeto elíptico (excentricidade), bem como a inclinação (obliquidade) (precessão) do eixo do planeta.
Mudanças na órbita da Terra afetam o clima do planeta, e como Olsen argumentou pela primeira vez em um artigo de 1986 na Science, um registro de climas passados poderia, portanto, ser usado para inferir as posições e movimentos de outros planetas.
Mas por que passar pelos problemas e despesas de desenterrar núcleos de terra para determinar as trajetórias de outros planetas? Usando as leis da mecânica orbital, os cientistas podem criar modelos matemáticos para estudar a história da nossa pequena vizinhança solar no espaço.
Tais modelos, no entanto, são confiáveis até certo ponto, diz Olsen. Nenhuma equação matemática simples descreve os movimentos de mais de dois corpos móveis no espaço com um alto grau de certeza. Com oito planetas e o sol, para não mencionar milhões de corpos menores no sistema solar, os astrônomos não podem desenvolver soluções analíticas para descrever os movimentos exatos dos planetas no passado distante. Em vez disso, os pesquisadores calculam as antigas órbitas dos planetas um pequeno incremento de cada vez. De acordo com o trabalho de Jacques Laskar, diretor de pesquisa do Observatório de Paris e co-autor do novo artigo, os erros se acumulam a cada intervalo de tempo de tal forma que as previsões se tornam essencialmente inúteis para além de 60 milhões de anos - não muito longo anos de história do sistema solar.
Os modelos computacionais anteriores de Laskar também forneceram evidências de que os planetas internos (Mercúrio, Vênus, Terra e Marte) podem se comportar de maneira caótica. Ou em outras palavras, as posições desses quatro planetas poderiam ser largamente determinadas pelas condições iniciais, tornando-as quase impossíveis de prever baseadas apenas nas posições e direções vistas hoje.
“Esses registros das mudanças climáticas são a chave para descobrir o que o sistema solar está realmente fazendo”, diz Olsen.
Núcleo de rochas dos sedimentos do lago extraídos da Bacia de Newark, no centro de Nova Jersey, abrangendo cerca de 40.000 anos. (Paul Olsen) Demonstrar a viabilidade de seu Geological Orrery tem sido um trabalho de amor ao longo da vida para Olsen. Em seu artigo de 1986, ele analisou núcleos do Supergrupo Mesozóico de Newark - um conjunto de rochas formado há cerca de 200 a 227 milhões de anos - no centro de Nova Jersey. A rocha continha um registro da subida e descida de lagos em sincronia com a magnitude das chuvas de monção tropical, que flutuam de acordo com quantidades variáveis de luz solar nos trópicos determinados pela órbita da Terra e pelo eixo de rotação.
“O que vemos nos núcleos são manifestações físicas da mudança da profundidade da água”, diz Olsen por e-mail. "Quando o lago estava no seu ponto mais profundo, talvez com mais de 100 metros de profundidade, foram depositadas lamas pretas finamente laminadas e, quando era muito raso e até mesmo sazonalmente seco, foram estabelecidas lamas vermelhas com fissuras de dessecação abundantes."
Olsen usou a análise de Fourier - um método para representar formas de onda complexas em componentes sinusoidais mais simples - para mostrar que as mudanças cíclicas no clima da Terra presas no registro geológico coincidem com os ciclos de mecânica celeste de Milankovitch. Mas havia uma esquisitice.
"Um dos ciclos não estava ligado diretamente a qualquer coisa conhecida na época em ciclos orbitais", diz Olsen. "Foi cerca de dois milhões de anos e eu não sabia o que era."
Depois de receber uma concessão da National Science Foundation (NSF) na década de 1990 para desenterrar e analisar quase 22.600 pés de núcleos contínuos de sete locais dentro do Newark Supergroup, Olsen e seus colegas descobriram que o ciclo misterioso era um ciclo orbital de longo período causado por as interações entre Marte e a Terra. A descoberta "fornece a primeira evidência geológica do comportamento caótico dos planetas interiores", escreveu Olsen e Dennis Kent, professor de geologia na Universidade Rutgers e co-autor da nova pesquisa, em um artigo de 1999 publicado pela Royal Society.
Para explorar ainda mais esses ciclos no registro de rock, Olsen e sua equipe lançaram o Colorado Plateau Coring Project em 2013 com outra concessão da NSF. Eles perfuraram um núcleo de mais de 640 pés de comprimento através da seção do Triássico da Formação Chinle no Parque Nacional da Floresta Petrificada do Arizona. O núcleo do Chinle contém camadas de cinzas vulcânicas com minerais de zircão que podem ser datados de forma radiométrica.
Instalação para extrair um núcleo da Formação Chinle no Parque Nacional Petrified Forest, Arizona. (Paul Olsen) Comparando os traços das reversões do campo magnético da Terra no núcleo da amostra da Formação Chinle com aqueles do núcleo de Newark, os pesquisadores puderam inferir as datas exatas dos ciclos climáticos causados pela gravidade de outros planetas. Sua análise revelou um ciclo de 405.000 anos de mecânica celestial causado por Júpiter e Vênus, que existe há 200 milhões de anos, exatamente como é hoje.
Em seu artigo mais recente, Olsen e sua equipe adicionaram medições adicionais a seus modelos, usando uma escala de cores estratigráfica para estudar a amostra central, bem como medições geofísicas do furo central (radioatividade natural, densidade das rochas e velocidade sônica). ). A equipe também escaneou o núcleo em busca de dados de fluorescência de raios X para analisar cuidadosamente todos os ciclos astronômicos visíveis na formação de Newark.
Independentemente de quais medidas foram usadas, as mesmas influências planetárias foram identificadas na rocha. “É realmente emocionante ver essas coisas funcionarem quando elas funcionam. Isso dá a você uma sensação de realidade… quando tantas coisas improváveis acontecem ”, diz Olsen. "É realmente incrível."
Embora o Geological Orrery tenha implicações de pesquisa potencialmente de longo alcance, a idéia ousada de Olsen foi recebida com certo ceticismo. Seus modelos tentam explicar um número extraordinário de fatores a fim de ligar o registro de rochas à influência de outros planetas no clima da Terra (um sistema complexo em si).
Lucas chama o projeto de “um castelo de cartas muito complexo que não está apoiado em uma base científica sólida”. Ele diz que há lacunas na formação de Newark, por isso não é uma cronologia completa do período de 25 milhões de anos que Olsen grupo estudado. (Olsen e Kent, no entanto, usaram urânio-chumbo em um estudo no ano passado e descobriram que o registro geológico na seqüência de Newark está completo para o intervalo de tempo relevante.) O registro Chinle também está incompleto, diz Lucas, porque foi depositado por rios e as taxas de sedimentação são “imensamente diferentes” entre duas seções, o que torna difícil usar o Chinle para calibrar de forma confiável as datas na rocha de Newark.
Até mesmo Charles Darwin lamentou a incompletude do registro geológico, e os geólogos aceitam amplamente que o registro contém lacunas, ou no jargão científico, "inconformidades". A questão fundamental é quanta informação pode ser extraída com segurança de um registro geológico imperfeito.
"Muitos geólogos começam do ponto de vista que você precisa ver tudo antes de entender qualquer coisa", diz Olsen. “Meu modus operandi é empurrar o que é útil no registro de rock e no registro paleontológico, tanto quanto você pode forçá-lo a tirar coisas da história que você não pode obter de outra maneira.”
Uma pintura de Paul Olsen de uma visão imaginária da Terra vista do espaço, ao leste de Nova York à noite, com os principais planetas usados no Oratório Geológico. De baixo para cima: Júpiter, Marte (avermelhado), Vênus e a Lua em conjunção. (Paul Olsen) Mesmo com lacunas no registro de rock, alguns cientistas pensam que Olsen está em algo. "Esses dados nos quais Paul Olsen trabalha há muitos anos são alguns dos melhores dados já coletados", diz Linda Hinnov, geóloga da Universidade George Mason, na Virgínia, que não esteve envolvida no estudo.
Hinnov diz que o desafio agora é preencher a lacuna entre cerca de 50 e 200 milhões de anos atrás. Atualmente, os dados geológicos e modelos astronômicos foram combinados de 0 a cerca de 50 milhões de anos atrás, bem como entre 200 e 225 milhões de anos atrás. Para ampliar o Orçamento Geológico, a lacuna entre esses dois períodos "deve ser preenchida com dados que sejam pelo menos tão bons quanto os dados que são apresentados aqui", diz Hinnov.
Embora ele seja cético em relação a algumas das descobertas específicas da equipe de Olsen, Lucas concorda que este tipo de trabalho, conectando o registro rochoso aos corpos celestes no céu, vai se tornar crítico para resolver um dos maiores problemas científicos atuais: entender o que controla Clima da terra. "Nós não entendemos o suficiente sobre a relação entre esses ciclos astronômicos, climas passados e como os ciclos mudaram ao longo do tempo", diz ele. "Qualquer coisa assim que contribua para a nossa compreensão do sistema climático da Terra tem o potencial de nos ajudar a entender melhor o clima futuro, que é realmente o que estamos falando sobre a previsão".
O Orcamento Geológico pode ser incompleto e, como os modelos computacionais dos sistemas planetários, pode ser preciso até certo ponto. Mas entre as maravilhas do cosmos, estamos começando a aprender como os movimentos dos corpos celestes, a milhões de quilômetros de distância e milhões de anos atrás, moldaram o próprio mundo em que andamos.
