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. Crédito: Kevin Krajick / Instituto da Terra, Universidade de Columbia
Os cientistas há muito afirmam que as oscilações periódicas no clima da Terra são impulsionadas por mudanças cíclicas na distribuição da luz solar que atinge nossa superfície. Isso se deve às mudanças cíclicas na forma como nosso planeta gira em seu eixo, a elipticidade de sua órbita e sua orientação em direção ao sol - ciclos sobrepostos causados por interações gravitacionais sutis com outros planetas, enquanto os corpos giram em torno do sol e uns pelos outros.
Mas os caminhos planetários mudam com o tempo, e pode mudar a duração dos ciclos. Isso tornou desafiador para os cientistas descobrirem o que motivou muitas mudanças climáticas antigas. E o problema fica cada vez mais difícil quanto mais voltar no tempo; Pequenas mudanças no movimento de um planeta podem derrubar os outros - a princípio, levemente, mas à medida que eras passam, essas mudanças ressoam umas nas outras, e o sistema se transforma de maneiras impossíveis de prever usando até mesmo a matemática mais avançada. Em outras palavras, é um caos por aí. Até agora, os pesquisadores são capazes de calcular os movimentos relativos dos planetas e seus possíveis efeitos em nosso clima, com confiabilidade razoável, de apenas 60 milhões de anos - um relativo olho na vida de 4,5 bilhões de pessoas da Terra.
Esta semana, em um novo artigo no Proceedings of National Academy of Sciences. Uma equipe de pesquisadores empurrou o caminho de volta, identificando os principais aspectos dos movimentos dos planetas de um período de cerca de 200 milhões de anos atrás. A equipe é liderada pelo geólogo e paleontólogo Paul Olsen, do Observatório da Terra Lamont-Doherty, da Universidade de Columbia. No ano passado, comparando mudanças periódicas em antigos sedimentos do Arizona e Nova Jersey, Olsen e seus colegas identificaram um ciclo de 405.000 anos na órbita da Terra que aparentemente não mudou em nada nos últimos 200 milhões de anos - uma espécie de metrônomo contra que todos os outros ciclos podem ser medidos. Usando esses mesmos sedimentos no novo documento, eles agora identificaram um ciclo que começou com 1,75 milhões de anos, mas agora está operando a cada 2,4 milhões de anos.
O objetivo final de Olsen: usar as rochas da Terra para criar o que ele chama de "Oratório Geológico" - um registro de mudanças climáticas na Terra que pode ser extrapolado para um mapa maior de movimentos do sistema solar ao longo de centenas de milhões de anos. Ele diz que abriria uma janela não apenas para o nosso próprio clima, mas também para a evolução do próprio sistema solar, incluindo a possível existência de planetas do passado e suas possíveis interações com a matéria escura invisível.
Vista olhando para o leste em direção à costa leste dos EUA, 7 de outubro de 2015, quando os três planetas mais influentes para a órbita da Terra se alinharam com a lua. Inferior à esquerda, perto do horizonte da Terra, Júpiter (esverdeado); ligeiramente mais alto, Marte (avermelhado); ligeiramente mais alto e para a direita, Vênus (branco brilhante); e a lua. Na superfície da Terra, as luzes da região metropolitana de Nova York e Filadélfia localizam a área onde os cientistas pegaram núcleos de rocha revelando os movimentos desses planetas. Inspirado por uma foto tirada pelo astronauta americano Scott Kelly. Crédito: Pintura de Paul Olsen; acrílico em placa de argila, modificada digitalmente
Conversamos com Olsen sobre o Oratório Geológico, seu trabalho e o novo artigo.
A maioria das pessoas provavelmente nunca ouviu a palavra "orrery". O que é isso e como se encaixa com a nossa compreensão em evolução da mecânica celeste?
No início de 1800, o matemático Pierre-Simon de Laplace tomou as leis de gravitação e movimento planetário de Newton e publicou sua ideia de que seria possível desenvolver uma única grande equação que permitisse modelar todo o universo. Com apenas conhecimento do presente, todo o passado e o futuro poderiam ser conhecidos. Esta ideia é incorporada no orrery, um modelo mecânico do sistema solar. Mecanismos mecânicos como esse para prever eclipses e coisas do tipo remontam aos antigos gregos, mas agora está claro que o problema é muito mais complicado e interessante. Nós descobrimos desde então que o sistema solar não é um relógio. Na verdade, é caótico em escalas de tempo longas, portanto a grande equação de Laplace era uma miragem. Isso significa que você não pode descompactar seu histórico de cálculos ou modelos, não importa quão preciso, porque os movimentos do sistema solar real são incrivelmente sensíveis. Variando qualquer fator até mesmo um pouquinho, resulta em um resultado diferente depois de milhões de anos - até mesmo o que os asteróides principais, ou planetas menores, como Ceres e Vesta, estão fazendo. Um dos meus coautores, Jacques Laskar, mostrou que os cálculos podem projetar para frente ou para trás apenas 60 milhões de anos. Depois disso, as previsões tornam-se totalmente não confiáveis. Como a Terra tem cerca de 4,6 bilhões de anos, isso significa que apenas cerca de 1,6% de sua órbita passada ou futura pode ser prevista. Ao longo de bilhões de anos, os melhores cálculos revelam muitos eventos terríveis possíveis, como um dos planetas internos caindo ao sol ou sendo ejetados do sistema solar. Talvez até a Terra e Vênus possam colidir um dia. Não podemos dizer se alguma dessas coisas realmente aconteceu ou pode acontecer no futuro. Então, precisamos de algum outro método para limitar as possibilidades.
Então, o que é o "Oratório Geológico"? Você está tentando de novo ferver tudo em uma equação, ou isso é algo diferente?
O Oratório Geológico é o oposto de uma equação ou modelo. Ele foi projetado para fornecer uma história precisa e precisa do sistema solar. Nós temos essa história aqui mesmo na Terra, a partir da história de nossos climas, que está registrada no registro geológico, especialmente em grandes lagos de vida longa. A órbita da Terra e a orientação do eixo estão mudando constantemente porque estão sendo deformadas pelas atrações gravitacionais de outros corpos. Essas mudanças afetam a distribuição da luz solar que atinge nossa superfície, que por sua vez afeta o clima e os tipos de sedimentos que são depositados. Isso nos dá o registro geológico do comportamento do sistema solar. Muitos cientistas usaram sedimentos para determinar os efeitos das deformações orbitais. É assim que sabemos que as idades do gelo dos últimos milhões de anos foram passadas por eles. Alguns pesquisadores tentaram voltar muito mais no tempo. O que é novo aqui é a abordagem sistemática de pegar núcleos de rocha que abrangem dezenas de milhões de anos, observando o registro cíclico de sedimentação do clima e datando com precisão essas mudanças em vários locais. Isso nos permite capturar toda a gama de deformações acionadas pelo sistema solar de nossa órbita e eixo por longos períodos de tempo.
O que as rochas estão dizendo sobre como essas mudanças cíclicas afetam nosso clima?
Com dois experimentos principais, até agora, nós aprendemos que as mudanças nos climas tropicais de úmido a seco durante o tempo dos primeiros dinossauros, de 252 a 199 milhões de anos atrás, foram estimuladas por ciclos orbitais que duraram cerca de 20.000, 100.000 e 400.000. anos. Além disso, há um ciclo muito mais longo de cerca de 1,75 milhão de anos. Os ciclos mais curtos são praticamente os mesmos hoje, mas o ciclo de 1,75 milhão de anos está muito distante - são 2,4 milhões de anos hoje. Achamos que a diferença é causada por uma dança gravitacional entre a Terra e Marte. Essa diferença é a impressão digital do caos do sistema solar. Nenhum conjunto existente de modelos ou cálculos duplica precisamente esses dados.
Até onde você acha que vamos ficar com esse problema durante a sua vida?
Mapa digital de dados de estratos de sedimentos formados em um fundo de lago há cerca de 220 milhões de anos, perto do rio Flemington, NJ O leito da ilha foi inclinado para a sua sessão transversal agora fique voltada para o céu. As sessões roxas são sulcos - restos de sedimentos e comprimidos formados quando o clima estava úmido e o lago era profundo; secções esverdeadas alternativas são áreas mais baixas de sedimentos mais sujos e desgastados dos tempos de secagem. Cada par representa 405.000 anos. Grupos de cordilheiras na parte inferior da imagem manifestaram um ciclo separado de 1,7 milhões de anos que hoje cresceram para 2,4 milhões de anos.A área de 40 quilômetros quadrados é dissecada por partes dos rios Raritan e Neshanic (azul). Crédito: LIDAR image, US Geological Survey; colorização digital por Paul Olsen
O próximo passo é combinar nossos dois experimentos de nucleação com núcleos feitos em altas latitudes. Embora nossos dados centrais façam um ótimo trabalho mapeando alguns aspectos das órbitas planetárias, eles não nos dizem nada sobre os outros. Para isso, precisamos de um núcleo de um antigo lago acima dos círculos paleoártico ou antártico. Tais depósitos existem no que hoje são a China e a Austrália. Nós também gostaríamos de incluir depósitos que estendem o registro até 20 milhões de anos para o presente, e outro núcleo de baixa latitude que podemos datar com precisão. Com eles, poderíamos determinar se houve alguma mudança naquela dança gravitacional de Marte e Terra. Isso seria uma prova completa do conceito do Oratório Geológico. Eu pretendo certamente estar por perto para isso.
Seu artigo menciona que este trabalho pode oferecer insights sobre a evolução do sistema solar - talvez o universo ainda mais amplo.
Se tudo isso der certo, poderíamos planejar a grande missão de usar o Oratório Geológico pelo menos o resto do tempo entre 60 e 190 milhões de anos de idade. Esta missão seria dispendiosa pelos padrões de geologia, porque o “rock coring” é caro. Mas os resultados teriam implicações de longo alcance. Com certeza teríamos dados para produzir modelos climáticos de alta qualidade para a Terra. E não há dúvida de que teríamos os parâmetros de climas passados em Marte ou em outros planetas rochosos. Mas mais empolgante e mais especulativo é a possibilidade de explorar como poderíamos precisar ajustar a teoria da gravidade, ou testar algumas teorias controversas, como a possível existência de um plano de matéria escura em nossa galáxia pelo qual nosso sistema solar passa periodicamente.
Estamos falando de tempo profundo aqui. Isso tem alguma aplicação em questões sobre a mudança climática moderna?
Tem relevância para o presente. Além da maneira como o clima é sintonizado em nossa órbita, ele também é afetado pela quantidade de dióxido de carbono no ar. Agora estamos caminhando para uma época em que os níveis de CO2 podem chegar a 200 milhões de anos, nos primeiros tempos dos dinossauros. Isso nos dá uma maneira potencial de ver como todos os fatores interagem. Também tem ressonância com nossa busca pela vida em Marte, ou por exoplanetas habitáveis.
Mais informacoes: Paul E. Olsen el al., "Mapeando o caos do sistema solar com o Oratório Geológico", PNAS (2019). www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1813901116
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