Novi astronomski rezultati izboljšajo geološko časovno lestvico | 2020

Vsebina:

Anonim

Zaradi gravitacijskih planetarnih motenj se orbita Zemlje sčasoma počasi spreminja, prav tako pa tudi orientacija rotacijske osi planeta. Te spremembe povzročijo spremembe sončnega sevanja, ki se prenaša na zemeljsko površino in so odgovorne za nekatere velike podnebne spremembe v preteklosti.

Največji vpliv astronomskih pojavov na podnebje Zemlje je prvi opisal srbski matematik Milankovič v svoji teoriji paleoklimata (1941). Leta 1976 je bila Milankovićeva teorija potrjena v mejnih delih Haysa, Imbrieja in Shackletona, ki so merili spremembo v kontinentalnem volumnu ledu skozi čas z variacijo izotopskega razmerja kisika v morskih usedlinah. Nasledje ledenih dob, ki so se pojavile v pleistocenskem obdobju (pred 10 000 let in 1,8 milijona let), je bilo dokazano povezano s periodičnimi spremembami Zemljine orbite in rotacijskimi parametri. Od takrat je bila potrjena teorija Milankoviča: sprememba orbitalnih parametrov Zemlje ureja nekatere večje spremembe v podnebju Zemlje.

Zato je računanje razvijajočih se planetarnih orbit zelo pomembno za tiste, ki poskušajo razumeti preteklost in prihodnost podnebja na Zemlji. Takšne izračune, ki so jih zagotovili astronomi, je Milankovič uporabil za vzpostavitev svoje teorije. Dejansko je uporabil orbitalne izračune, ki jih je leta 1856 naredil Le Verrier, nekdanji direktor Pariškega observatorija in znan po odkritju Neptuna leta 1846. Od takrat so ekipe Pariške observatorije še naprej sodelovale pri izračunavanju variacij planetarnih opazovanj. orbite v daljšem časovnem obdobju.

Poleg zagotavljanja orodij za razumevanje velikih podnebnih sprememb Zemlje, izračune planetnih orbit omogočajo izboljšanje geološkega časovnega razpona, ki ga uporabljajo geologi. Temeljni korak za razumevanje pretekle kronologije Zemlje je vzpostavitev popolne in natančne časovne lestvice za geološke zapise.

Geološka časovna lestvica je odvisna od dveh vidikov datiranja zapisov. Prvič, sedimentacijske zapise, ki se zbirajo po vsem svetu, je treba povezati s pomembnimi dogodki, kot so pojav / izginotje živih vrst ali paleomagnetni preobrati. Sedimentacijske zapise lahko nato povežemo z relativnim časovnim okvirom.

Naslednji korak je datiranje zapisov na absolutni lestvici (tj. Določitev njihove starosti v Myr). Ena od tehnik je uporaba radiogenskega datiranja, ki temelji na radioaktivnem razpadu elementov znotraj vzorca. Ta tehnika je široko uporabljena za datiranje najstarejših geoloških zapisov (več kot 100 Myr starih). Vendar pa je uporaba astronomskih izračunov veliko bolj natančna za določanje starosti mlajših sedimentacijskih zapisov. Načelo tehnike astronomskega datiranja je naslednje. Izračunamo pretekle orbitalne parametre Zemlje in jih uporabimo za izračun spremembe časa vnosa sončne energije na Zemlji (tako imenovana insolacija). Nato se cikli različne insolacije ujemajo s cikli paleoklimata, ki izhajajo iz sedimentnih arhivov. Sedimentacijske zapise lahko nato datiramo absolutno.

Po tem, ko je Milankovič prvič uporabil računalniške rezultate Le Verrierja, da bi vzpostavil svojo teorijo paleoklimatskih ciklov, so ekipe iz Pariškega observatorija sodelovale pri prispevku astronomije k paleoklimatskim študijam. Že več desetletij so paleoklimatologi uporabili računalniške rezultate, ki so jih astronomi iz Pariškega observatorija pridobili za umerjanje geološkega časovnega okvira. Pred desetimi leti sta Jacques Laskar in njegovi sodelavci izračunali razvoj Zemljine orbite za zadnjih 10 let. Od takrat se je zbiranje geoloških podatkov močno izboljšalo in zahtevali so popolnejše astronomske izračune.

Ta potreba je zdaj izpolnjena, saj novi računalniški rezultati Jacquesa Laskarja in njegove ekipe 1 natančno reproducirajo pretekle in prihodnje orbite Zemlje za obdobje od 40 do 50 let. Prvič, astronomske izračune Zemljine pretekle orbite so bile uporabljene za umerjanje celotnega geološkega obdobja, tako imenovanega neogenskega geološkega obdobja, ki se je začelo pred 23.03. Novi izračun prispeva k eni od glavnih izboljšav na novo objavljeni Geološki časovni lestvici (GTS 2004), ki jo je za neogeno obdobje sprejela Zveza geoloških znanosti. Ta nova časovna lestvica je rezultat skupnega prizadevanja sedimentologov po vsem svetu za popolno pokritost Zemljine zgodovine zadnjih 3.8 milijard let (Gyr). Zaradi sprejetja teh astronomskih rezultatov za kalibracijo neogenskega obdobja novi GTS 2004 omogoča paleoklimatologom, da so natančnejši pri geoloških dogodkih, ki so se zgodili v tem geološkem obdobju.

Dejansko so bile pretekle in prihodnje orbite Zemlje izračunane za obdobje med –250 in +250 Myr. Vendar pa je eden od glavnih problemov s takšnimi izračuni, da imajo planetarne orbite v daljšem časovnem obdobju kaotično obnašanje, kot je pokazal Jacques Laskar leta 1989; napaka pri izračunu planetnih orbit je pomnožena z 10 na vsakih 10 Myr. Tako Zemljine pretekle orbite ni mogoče natančno izračunati (in uporabiti za umerjanje podatkov o paleoklimatu) po 100 Myr-ih nazaj. Vendar pa lahko razširjeni izračuni, ki presegajo 100 Myr-jev, še vedno zagotavljajo koristne informacije.

Še posebej je skupina proučevala variacijo ekscentričnosti Zemljine orbite v obdobju 250 Myr. Že vemo, da ima ekscentričnost Zemljine orbite modulacijo s časom 405 000 let. Obstajajo tudi krajši cikli (obdobja 20 000 in 40 000 let), ki se uporabljajo za umerjanje obdobja neogena, kot je opisano zgoraj. Ker pa se njihova obdobja zaradi kaosa spreminjajo v času, teh kratkih ciklov ni več mogoče uporabiti za umerjanje starejših geoloških obdobij. Obdobje cikla 405 000 let je v času veliko bolj stabilno, saj izhaja iz gravitacijskih motenj Jupitra in Saturna. Nekateri jurski in triasni sedimenti kažejo takšen cikel 405 000 let. V svojem dosedanjem delu so astronomi bolje karakterizirali to modulacijo ekscentričnosti in predlagali uporabo tega 405 000-letnega cikla za umerjanje geološkega časovnega obsega, ki sega do konca mezozojske dobe (250 let nazaj). To bi privedlo do izboljšanja približno desetkratne natančnosti geološkega časovnega okvira za to geološko obdobje.

Nazadnje, Jacques Laskar dokazuje pomembno spremembo poševnosti Zemlje (kot med Zemljinim ekvatorjem in orbito) v bližnji prihodnosti. Zaradi plimovanja v sistemu Zemlja-Luna se rotacija Zemlje upočasnjuje in Luna se umika na približno 3,82 cm / leto. To povzroči počasno spremembo poševnosti. Ekipa kaže, da ta majhen učinek povzroči počasno povečanje poševnosti približno 2 stopinj na milijardo let; Toda v bližnji prihodnosti, ko bo stopnja precesije Zemlje prečkala resonanco, se bo poševnost zmanjšala za približno 0,4 stopinje v nekaj milijonih letih, z možnim vplivom na podnebje.

Presenetljivo je, da je križanje resonance, ki prinaša hitro zmanjšanje poševnosti, edina močna sprememba, ki se je zgodila med -250 Myr in + 250 Myr. Dejansko je hitro zmanjšanje poševnosti, ki se bo zgodilo v bližnji prihodnosti, povezano s povečanjem razdalje med Zemljo in Luno in ni ciklični pojav. Vendar pa lahko dodatni učinki, ki bi vplivali na preteklo evolucijo Zemljine dinamične oblike (kot je povečanje volumna ledu na polih med ledeno dobo ali konvekcijo plašča), povzročijo isti resonančni prehod. Ekipa je zato iskala podobne dogodke, ki so se morda že zgodili v preteklosti, vendar ni našla dokazov o takšnih preteklih dogodkih. Nazadnje, če novi rezultati v zvezi s preteklim razvojem dinamične oblike Zemlje ne pokažejo, da bi se križanje te resonance lahko zgodilo v preteklosti, moramo upoštevati, da je bližina te resonance čista priložnost.

Zaradi teh novih astronomskih izračunov je bila nova geološka časovna lestvica za neogensko obdobje (preteklih 23 let) precej izboljšana, tako da je zdaj datirana s točnostjo približno 40 000 let. Naslednji korak za izboljšanje geološke časovne lestvice je astronomska kalibracija paleogenskega obdobja, ki zajema preteklih 23-65,5 let. To bo zahtevalo tako razširitev zbirk geoloških podatkov kot tudi večjo izpopolnitev računalniškega modeliranja pretekle Zemljine orbite.

--------

1 Skupino sestavljajo J. Laskar, P. Robutel, F. Joutel, M. Gastineau (Observatoire de Paris / IMCCE, Francija), A.C.M. Correia (IMCCE / Observatoire de Paris, Francija; Universidade de Aveiro, Portugalska) in B. Levrard (Observatoire de Paris / IMCCE, Francija).

###

Dolgoročna numerična rešitev za količine insolacije Zemljev J. Laskar, P. Robutel, F. Joutel, M. Gastineau, A.C.M. Correia in B. Levrard. Objavljeni v astronomiji in astrofiziki (številka DOI: 10.1051 / 0004-6361: 20041335)