Le géologue Paul Olsen au parc national de la forêt pétrifiée de l'Arizona, où des roches vieilles de 200 millions d'années aident à révéler les mouvements d'autrefois d'autres planètes. Crédit : Kevin Krajick/Institut de la Terre, Université Columbia
Les scientifiques postulent depuis longtemps que les fluctuations périodiques du climat de la Terre sont dues à des changements cycliques dans la distribution de la lumière solaire atteignant notre surface. Cela est dû aux changements cycliques dans la façon dont notre planète tourne sur son axe, l'ellipticité de son orbite, et son orientation vers le soleil - cycles qui se chevauchent causés par des interactions gravitationnelles subtiles avec d'autres planètes, tandis que les corps tourbillonnent autour du soleil et les uns par rapport aux autres comme des cerceaux giratoires.
Mais les trajectoires planétaires changent avec le temps, et cela peut changer la durée des cycles. Cela a rendu difficile pour les scientifiques de démêler ce qui a conduit de nombreux changements climatiques anciens. Et le problème devient de plus en plus difficile à mesure que vous remontez dans le temps; de minuscules changements dans le mouvement d'une planète peuvent faire basculer les autres - au début légèrement, mais comme les éons passent, ces changements résonnent les uns contre les autres, et le système se transforme d'une manière impossible à prévoir en utilisant même les mathématiques les plus avancées. En d'autres termes, c'est le chaos là-bas. Jusqu'à maintenant, les chercheurs sont capables de calculer les mouvements relatifs des planètes et leurs effets possibles sur notre climat avec une fiabilité raisonnable il y a seulement environ 60 millions d'années, un clin d'œil relatif dans les 4,5 milliards de vie de la Terre.
Cette semaine, dans un nouveau journal du Actes de l'Académie nationale des sciences , une équipe de chercheurs a repoussé le record, identifier les aspects clés des mouvements des planètes d'une période d'environ 200 millions d'années. L'équipe est dirigée par le géologue et paléontologue Paul Olsen du Lamont-Doherty Earth Observatory de l'Université Columbia. L'année dernière, en comparant les changements périodiques dans les sédiments anciens forés de l'Arizona et du New Jersey, Olsen et ses collègues ont identifié un 405, Cycle de 000 ans sur l'orbite terrestre qui n'a apparemment pas changé du tout depuis au moins 200 millions d'années - une sorte de métronome par rapport auquel tous les autres cycles peuvent être mesurés. En utilisant ces mêmes sédiments dans le nouveau papier, ils ont maintenant identifié un cycle qui a commencé pendant 1,75 million d'années, mais fonctionne maintenant tous les 2,4 millions d'années. Cette, ils disent, leur permet d'extrapoler les changements à long terme des trajectoires de Jupiter et des planètes intérieures (Mercure, Vénus et Mars), les corps les plus susceptibles d'affecter notre propre orbite.
L'objectif ultime d'Olsen :utiliser les roches de la Terre pour créer ce qu'il appelle un « Orrery géologique », un enregistrement des changements climatiques sur Terre qui peut être extrapolé en une carte plus grande des mouvements du système solaire sur des centaines de millions d'années. Il dit que cela ouvrirait une fenêtre non seulement sur notre propre climat, mais l'évolution du système solaire lui-même, y compris l'existence possible de planètes passées, et ses interactions possibles avec la matière noire invisible.
Vue vers l'est en direction de la côte est des États-Unis, 7 octobre 2015, lorsque les trois planètes les plus influentes sur l'orbite terrestre se sont alignées avec la Lune. En bas à gauche près de l'horizon de la Terre, Jupiter (verdâtre); légèrement supérieur, Mars (rougeâtre); légèrement plus haut et à droite, Vénus (blanc brillant); et la Lune. A la surface de la Terre, les lumières de la région métropolitaine de New York-Philadelphie tracent la zone où les scientifiques ont prélevé des carottes de roche révélant les mouvements de ces planètes. Inspiré d'une photo prise par l'astronaute américain Scott Kelly. Crédit :Peinture de Paul Olsen; acrylique sur carton d'argile, modifié numériquement
Nous avons parlé avec Olsen de l'Orrery géologique, son travail, et le nouveau papier.
La plupart des gens n'ont probablement même jamais entendu le mot "orrery". Qu'est-ce que c'est, et comment s'intègre-t-il avec notre compréhension évolutive de la mécanique céleste ?
Au début des années 1800, le mathématicien Pierre-Simon de Laplace a pris les lois de la gravitation et du mouvement planétaire de Newton et a publié son idée qu'il devrait être possible de développer une seule grande équation qui permettrait de modéliser tout l'univers. Avec seulement la connaissance du présent, tout le passé et l'avenir pouvaient être connus. Cette idée est incarnée dans l'orrery, un modèle mécanique du système solaire. Les mécanismes d'horlogerie comme celui-ci pour prédire les éclipses et autres remontent aux anciens Grecs, mais il est maintenant clair que le problème est bien plus compliqué, et intéressant. Nous avons depuis découvert que le système solaire n'est pas une horloge. Elle est en effet chaotique sur de longues échelles de temps, la grande équation de Laplace était donc un mirage. Cela signifie que vous ne pouvez pas décompresser son historique à partir de calculs ou de modèles, peu importe la précision, parce que les mouvements du vrai système solaire sont incroyablement sensibles. Faire varier n'importe quel facteur, même le plus petit, donne un résultat différent après des millions d'années, même ce que les principaux astéroïdes, ou planètes mineures, comme Cérès et Vesta, faites. Un de mes co-auteurs, Jacques Laskar, a montré que les calculs ne peuvent projeter en avant ou en arrière que 60 millions d'années. Après ça, les prédictions deviennent totalement incertaines. Puisque la Terre a environ 4,6 milliards d'années, cela signifie que seulement environ 1,6 % de son orbite passée ou future peut être prédite. Sur des milliards d'années, les meilleurs calculs révèlent de nombreux événements formidables possibles, comme l'une des planètes intérieures tombant dans le soleil ou étant éjectée du système solaire. Peut-être même que la Terre et Vénus pourraient entrer en collision un jour. Nous ne pouvons pas dire si l'un de ces événements s'est réellement produit, ou pourrait se produire à l'avenir. Nous avons donc besoin d'une autre méthode pour limiter les possibilités.
Donc, qu'est-ce que le « Orrery géologique ? » Essayez-vous à nouveau de tout ramener à une seule équation, ou est-ce quelque chose de différent ?
L'Orrery géologique est l'opposé d'une équation ou d'un modèle. Il est conçu pour fournir une histoire précise et précise du système solaire. Nous avons cette histoire ici sur Terre, de l'histoire de nos climats, qui est enregistré dans les archives géologiques, surtout en grand, lacs à longue durée de vie. L'orbite et l'orientation de l'axe de la Terre changent constamment parce qu'elles sont déformées par les attractions gravitationnelles d'autres corps. Ces changements affectent la distribution de la lumière solaire frappant notre surface, qui à son tour affecte le climat, et les types de sédiments déposés. Cela nous donne les archives géologiques du comportement du système solaire. De nombreux scientifiques ont utilisé des sédiments pour déterminer les effets des déformations orbitales. C'est ainsi que nous savons que les périodes glaciaires des derniers millions d'années ont été rythmées par eux. Certains chercheurs ont tenté de remonter beaucoup plus loin dans le temps. Ce qui est nouveau ici, c'est l'approche systématique consistant à prélever des carottes de roche couvrant des dizaines de millions d'années, en examinant les enregistrements sédimentaires cycliques du climat et en datant avec précision ces changements sur plusieurs sites. Cela nous permet de capturer toute la gamme des déformations induites par le système solaire de notre orbite et de notre axe sur de longues périodes.
Que vous disent les roches sur la façon dont de tels changements cycliques affectent notre climat ?
Avec deux expériences de carottage majeures à ce jour, nous avons appris que les climats tropicaux passent d'humide à sec à l'époque des premiers dinosaures, il y a environ 252 à 199 millions d'années, ont été rythmés par des cycles orbitaux d'une durée d'environ 20, 000, 100, 000 et 400, 000 ans. En plus de cela, il y a un cycle beaucoup plus long d'environ 1,75 million d'années. Les cycles plus courts sont à peu près les mêmes aujourd'hui, mais le cycle de 1,75 million d'années est loin — il fait 2,4 millions d'années aujourd'hui. Nous pensons que la différence est causée par une danse gravitationnelle entre la Terre et Mars. Cette différence est l'empreinte du chaos du système solaire. Aucun ensemble existant de modèles ou de calculs ne duplique précisément ces données.
Jusqu'où pensez-vous que nous irons avec ce problème au cours de votre vie ?
Carte d'élévation numérique des strates sédimentaires formées au fond d'un lac il y a quelque 220 millions d'années, près de Flemington actuel, N.J. Le lit du lac a ensuite été incliné de sorte que sa coupe transversale soit maintenant tournée vers le ciel. Les sections violettes sont des crêtes - des restes de dur, les sédiments comprimés se sont formés lorsque le climat était humide et le lac profond; les sections verdâtres alternées sont des zones inférieures constituées de sédiments plus mous érodés par des périodes plus sèches. Chaque paire représente 405, 000 ans. Les groupes de crêtes dans la partie inférieure de l'image manifestent un cycle distinct de 1,7 million d'années qui est aujourd'hui passé à 2,4 millions d'années. La zone de 40 milles carrés est disséquée par des parties des rivières modernes Raritan et Neshanic (bleu). Crédit :image LIDAR, Commission géologique des États-Unis ; colorisation numérique par Paul Olsen
La prochaine étape consiste à combiner nos deux expériences de carottage terminées avec des carottes prises à des latitudes élevées. Alors que nos données de base font un très bon travail de cartographie de certains aspects des orbites planétaires, ils ne nous disent rien sur les autres. Pour ceux, nous avons besoin d'un noyau d'un ancien lac au-dessus des cercles paléo-arctiques ou antarctiques. De tels gisements existent dans ce qui sont aujourd'hui la Chine et l'Australie. Nous aimerions également inclure des dépôts qui prolongent le record jusqu'à 20 millions d'années environ vers le présent, et un autre noyau de basse latitude que nous pouvons dater avec précision. Avec ceux-là, nous serions en mesure de déterminer si des changements se sont produits dans cette danse gravitationnelle Mars-Terre. Ce serait une preuve de concept complète de l'Orrery géologique. Je prévois certainement d'être là pour ça.
Votre article mentionne que ce travail pourrait offrir un aperçu de l'évolution du système solaire, peut-être de l'univers encore plus large.
Si tout ça marche, nous pourrions planifier la grande mission d'utiliser l'Orrery géologique pendant au moins le reste du temps entre 60 et 190 millions d'années. Cette mission coûterait cher selon les normes géologiques, car le carottage de la roche coûte cher. Mais les résultats auraient des implications de grande envergure. Bien sûr, nous aurions des données pour produire des modèles climatiques de haute qualité pour la Terre. Et il ne fait aucun doute que nous aurions les paramètres des climats passés sur Mars ou d'autres planètes rocheuses. Mais plus excitant et plus spéculatif est la possibilité d'explorer comment nous pourrions avoir besoin de peaufiner la théorie de la gravité, ou tester des théories controversées, comme l'existence possible d'un plan de matière noire dans notre galaxie que notre système solaire traverse périodiquement.
Nous parlons de temps profond ici. Cela s'applique-t-il aux questions sur le changement climatique d'aujourd'hui ?
Il a un rapport avec le présent. en plus de la façon dont le climat est réglé sur notre orbite, il est également affecté par la quantité de dioxyde de carbone dans l'air. Nous nous dirigeons maintenant vers une époque où les niveaux de CO2 pourraient être aussi élevés qu'ils l'étaient il y a 200 millions d'années, les premiers temps des dinosaures. Cela nous donne un moyen potentiel de voir comment tous les facteurs interagissent. Il a également une résonance avec notre recherche de la vie sur Mars, ou pour les exoplanètes habitables.
