Os cientistas há muito postulam que as oscilações periódicas no clima da Terra são causadas por mudanças cíclicas na distribuição da luz solar que atinge nossa superfície. Isso se deve a mudanças cíclicas em como nosso planeta gira em seu eixo, a elipticidade de sua órbita, e sua orientação em direção ao sol - ciclos de sobreposição causados ​​por sutis interações gravitacionais com outros planetas, enquanto os corpos giram em torno do sol e uns pelos outros como bambolês giratórios.

Mas os caminhos planetários mudam com o tempo, e isso pode alterar a duração dos ciclos. Isso tornou um desafio para os cientistas desvendar o que levou a muitas mudanças climáticas antigas. E o problema fica cada vez mais difícil quanto mais você volta no tempo; pequenas mudanças no movimento de um planeta podem deixar os outros tortos - a princípio ligeiramente, mas com o passar das eras, 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, está um caos lá fora. Até agora, os pesquisadores são capazes de calcular os movimentos relativos dos planetas e seus possíveis efeitos em nosso clima com razoável confiabilidade em apenas cerca de 60 milhões de anos - um piscar de olhos relativo na vida de mais de 4,5 bilhões na Terra.

Esta semana, em um novo papel no Proceedings of the National Academy of Sciences , uma equipe de pesquisadores conseguiu atrasar o recorde, identificar os principais aspectos dos movimentos dos planetas em um período de cerca de 200 milhões de anos atrás. A equipe é liderada pelo geólogo e paleontólogo Paul Olsen, do Observatório Terrestre Lamont-Doherty da Universidade de Columbia. Ano passado, comparando mudanças periódicas em sedimentos antigos perfurados no Arizona e Nova Jersey, Olsen e colegas identificaram um 405, Ciclo de 000 anos na órbita da Terra que aparentemente não mudou em nada nos últimos 200 milhões de anos - uma espécie de metrônomo contra o qual todos os outros ciclos podem ser medidos. Usando esses mesmos sedimentos no novo papel, eles agora identificaram um ciclo que começou com duração de 1,75 milhão de anos, mas agora está operando a cada 2,4 milhões de anos. Esse, eles dizem, permite que eles extrapolem mudanças de longo prazo nos caminhos de Júpiter e dos planetas internos (Mercúrio, Vênus e Marte), os corpos com maior probabilidade de afetar nossa própria órbita.

O objetivo final de Olsen:usar as rochas da Terra para criar o que ele chama de "Geological Orrery" - um registro das mudanças climáticas na Terra que pode ser extrapolado para um mapa maior dos 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 a evolução do próprio sistema solar, incluindo a possível existência de planetas anteriores, e suas possíveis interações com matéria escura invisível.

Conversamos com Olsen sobre o Geological Orrery, O trabalho dele, e o novo papel.

A maioria das pessoas provavelmente nunca ouviu a palavra "orrery". O que é, e como isso se encaixa em nossa compreensão crescente da mecânica celeste?

No início de 1800, o matemático Pierre-Simon de Laplace pegou as leis da gravitação e do movimento planetário de Newton e publicou sua ideia de que deveria ser possível desenvolver uma única grande equação que permitiria que todo o universo fosse modelado. Com apenas conhecimento do presente, todo o passado e futuro poderiam ser conhecidos. Essa ideia está incorporada no orrery, um modelo mecânico do sistema solar. Mecanismos mecânicos como este para prever eclipses e coisas do gênero remontam aos antigos gregos, mas agora está claro que o problema é muito mais complicado, é interessante. Desde então, descobrimos que o sistema solar não é um mecanismo de relógio. Na verdade, é caótico em escalas de tempo longas, então a grande equação de Laplace era uma miragem. Isso significa que você não pode desempacotar seu histórico de cálculos ou modelos, não importa quão preciso, porque os movimentos do sistema solar real são incrivelmente sensíveis. A variação de qualquer fator, mesmo um pouquinho, resulta em um resultado diferente após milhões de anos - até mesmo o que os grandes asteróides, ou planetas menores, como Ceres e Vesta, estão fazendo. Um dos meus co-autores, Jacques Laskar, mostrou que os cálculos podem projetar para a frente ou para trás apenas 60 milhões de anos. Depois disso, as previsões tornam-se totalmente duvidosas. Visto que 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 no sol ou sendo ejetado do sistema solar. Talvez até a Terra e Vênus possam colidir um dia. Não podemos dizer se algum desses realmente aconteceu, ou pode acontecer no futuro. Portanto, precisamos de algum outro método para limitar as possibilidades.

Então, o que é "Orrery geológico?" Você está tentando novamente resumir tudo em uma equação, ou isso é algo diferente?

O Geological Orrery é o oposto de uma equação ou modelo. Ele foi projetado para fornecer uma história precisa e exata do sistema solar. Temos essa história bem aqui na Terra, da história de nossos climas, que é registrado no registro geológico, especialmente em grandes, lagos de longa vida. 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 eras glaciais dos últimos milhões de anos foram marcadas por eles. Alguns pesquisadores tentaram retroceder muito mais no tempo. O que é novo aqui é a abordagem sistemática de tirar núcleos de rocha que abrangem dezenas de milhões de anos, olhando para o registro sedimentar cíclico do clima e datando com precisão essas mudanças em vários locais. Isso nos permite capturar toda a gama de deformações impulsionadas pelo sistema solar de nossa órbita e eixo durante longos períodos de tempo.

O que as rochas estão dizendo a você sobre como essas mudanças cíclicas afetam nosso clima?

Com dois experimentos importantes de testemunhagem até o momento, aprendemos que as mudanças nos climas tropicais, de úmido a seco, durante a época dos primeiros dinossauros, de cerca de 252 a 199 milhões de anos atrás, foram ritmados por ciclos orbitais com duração de 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 quase 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 chegar com esse problema durante a sua vida?

O próximo passo é combinar nossos dois experimentos de núcleo acabados com núcleos tirados em altas latitudes. Embora nossos dados centrais façam um ótimo trabalho de mapeamento de alguns aspectos das órbitas planetárias, eles não nos dizem nada sobre os outros. Para aqueles, precisamos de um núcleo de um antigo lago acima dos círculos paleoárticos ou antárticos. Esses depósitos existem onde hoje são China e Austrália. Também gostaríamos de incluir depósitos que estendem o registro até 20 milhões de anos ou mais até o presente, e outro núcleo de baixa latitude que podemos datar com precisão. Com aqueles, seríamos capazes de determinar se alguma mudança ocorreu na dança gravitacional Marte-Terra. Isso seria uma prova completa do conceito do Geological Orrery. Eu planejo 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 funcionar, poderíamos planejar a grande missão de usar o Geological Orrery pelo menos pelo resto do tempo entre 60 e 190 milhões de anos de idade. Esta missão seria cara para os padrões de geologia, porque o descaroçamento de rocha 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 para climas anteriores em Marte ou outros planetas rochosos. Mas mais emocionante e especulativa é a possibilidade de explorar como podemos 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 muito tempo aqui. Isso tem alguma aplicação a perguntas sobre as mudanças climáticas dos dias modernos?

Isso tem relevância para o presente. além da forma como o clima está sintonizado em nossa órbita, também é afetado pela quantidade de dióxido de carbono no ar. Agora estamos entrando em um momento em que os níveis de CO2 podem ser tão altos quanto eram 200 milhões de anos atrás, os primeiros tempos dos dinossauros. Isso nos dá uma maneira potencial de ver como todos os fatores interagem. Também tem ressonância com nossa busca por vida em Marte, ou para exoplanetas habitáveis.