Neue astronomische Ergebnisse verfeinern die geologische Zeitskala | 2020

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Anonim

Aufgrund von Gravitationsstörungen des Planeten ändert sich die Umlaufbahn der Erde im Laufe der Zeit langsam, ebenso wie die Ausrichtung der Rotationsachse des Planeten. Diese Veränderungen führen zu Schwankungen der Sonnenstrahlung auf der Erdoberfläche, die für einige der großen Klimaveränderungen der Vergangenheit verantwortlich sind.

Die Hauptauswirkungen astronomischer Phänomene auf das Erdklima beschrieb der serbische Mathematiker Milankovitch erstmals in seiner Theorie des Paläoklimas (1941). 1976 wurde die Theorie von Milankovitch in der wegweisenden Arbeit von Hays, Imbrie und Shackleton bestätigt, die die Veränderung des kontinentalen Eisvolumens über die Zeit durch Variation des Isotopenverhältnisses von Sauerstoff in marinen Sedimenten maß. Es wurde gezeigt, dass die Abfolge der Eiszeiten während des Pleistozäns (vor 10 000 bis vor 1,8 Millionen Jahren (Myr)) mit den periodischen Änderungen der Umlaufbahn und der Rotationsparameter der Erde zusammenhängt. Seitdem hat sich die Milankovitch-Theorie bestätigt: Die Variation der Umlaufbahnparameter der Erde reguliert einige der Hauptveränderungen des Erdklimas.

Daher ist die Berechnung der sich entwickelnden Planetenbahnen von großem Interesse für diejenigen, die versuchen, die Vergangenheit und Zukunft des Erdklimas zu verstehen. Solche von Astronomen bereitgestellten Berechnungen wurden von Milankovitch verwendet, um seine Theorie zu etablieren. Tatsächlich verwendete er die Umlaufbahnberechnungen, die 1856 von Le Verrier, dem ehemaligen Direktor des Pariser Observatoriums, durchgeführt wurden und die für die Entdeckung von Neptun im Jahr 1846 berühmt waren. Seitdem sind die Teams des Pariser Observatoriums weiterhin an der Berechnung der Variationen des Planeten beteiligt Bahnen über einen längeren Zeitraum.

Berechnungen von Planetenbahnen liefern nicht nur Werkzeuge für das Verständnis der wichtigsten Klimaveränderungen der Erde, sondern ermöglichen auch die Verfeinerung der von Geologen verwendeten geologischen Zeitskala. Ein grundlegender Schritt zum Verständnis der Chronologie der Erde in der Vergangenheit ist die Erstellung einer vollständigen, präzisen Zeitskala für geologische Aufzeichnungen.

Die geologische Zeitskala hängt von zwei Aspekten der Datierung der Aufzeichnungen ab. Erstens müssen die weltweit gesammelten Sedimentaufzeichnungen durch wichtige Ereignisse wie das Auftreten / Verschwinden lebender Arten oder die paläomagnetischen Umkehrungen miteinander verknüpft werden. Die Sedimentaufzeichnungen können dann einer relativen Zeitskala zugeordnet werden.

Der nächste Schritt besteht darin, die Aufzeichnungen auf einer absoluten Skala zu datieren (d. H. Ihr Alter in Myr zu bestimmen). Eine Technik ist die Verwendung einer radiogenen Datierung, die auf dem radioaktiven Zerfall von Elementen in einer Probe basiert. Diese Technik ist weit verbreitet, um die ältesten geologischen Aufzeichnungen (mehr als etwa 100 Myr alt) zu datieren. Die Verwendung astronomischer Berechnungen ist jedoch viel genauer, um das Alter jüngerer Sedimentaufzeichnungen zu bestimmen. Das Prinzip der astronomischen Datierungstechnik ist wie folgt. Die vergangenen Umlaufbahnparameter der Erde werden berechnet und verwendet, um den zeitlichen Verlauf des Sonnenenergieeintrags auf der Erde (die sogenannte Sonneneinstrahlung) zu berechnen. Anschließend werden die Zyklen der unterschiedlichen Sonneneinstrahlung an die Zyklen des Paläoklimas angepasst, die aus den Sedimentarchiven abgeleitet wurden. Die Sedimentaufzeichnungen können dann absolut datiert werden.

Nachdem Milankovitch zum ersten Mal Le Verriers Berechnungsergebnisse für seine Theorie der Paläoklima-Zyklen verwendet hatte, waren Teams des Pariser Observatoriums an dem Beitrag der Astronomie zu paläoklimatischen Studien beteiligt. Seit mehreren Jahrzehnten verwenden Paläoklimatologen Berechnungsergebnisse, die die Astronomen des Pariser Observatoriums erhalten haben, um die geologische Zeitskala zu kalibrieren. Vor zehn Jahren haben Jacques Laskar und seine Kollegen die Entwicklung der Erdumlaufbahn für die letzten 10 Myr berechnet. Seitdem wurde die Sammlung geologischer Daten erheblich verbessert und es waren umfassendere astronomische Berechnungen erforderlich.

Dieses Erfordernis wurde nun erfüllt, da die neuen Berechnungsergebnisse von Jacques Laskar und seinem Team 1 die vergangenen und zukünftigen Umlaufbahnen der Erde über einen Zeitraum von 40 bis 50 Millionen Jahren präzise reproduzieren. Zum ersten Mal wurden astronomische Berechnungen der Erdumlaufbahn verwendet, um eine ganze geologische Periode zu kalibrieren, die sogenannte neogene geologische Periode, die vor dem 23.03. Begann. Die neue Berechnung trägt zu einer der wichtigsten Verbesserungen der kürzlich veröffentlichten geologischen Zeitskala (GTS 2004) bei, die von der Union der Geologischen Wissenschaften für die Neogenperiode übernommen wurde. Diese neue Zeitskala resultiert aus einer Zusammenarbeit von Sedimentologen auf der ganzen Welt, um die Erdgeschichte der letzten 3,8 Milliarden Jahre vollständig zu erfassen (Gyr). Dank der Übernahme dieser astronomischen Ergebnisse für die Kalibrierung der Neogenperiode ermöglicht das neue GTS 2004 Paläoklimatologen eine genauere Datierung der geologischen Ereignisse in dieser geologischen Periode.

Tatsächlich wurden die vergangenen und zukünftigen Umlaufbahnen der Erde für den Zeitraum von –250 bis +250 Myr berechnet. Eines der Hauptprobleme bei solchen Berechnungen ist jedoch, dass Planetenbahnen über einen langen Zeitraum ein chaotisches Verhalten aufweisen, wie dies von Jacques Laskar 1989 gezeigt wurde. Der Fehler bei der Berechnung der Planetenbahnen wird mit 10 pro 10 Myr multipliziert. Daher kann die Erdumlaufbahn vor mehr als 100 Millionen Jahren nicht genau berechnet (und zur Kalibrierung von Paläoklimadaten verwendet) werden. Erweiterte Berechnungen über 100 Myr vor können jedoch noch nützliche Informationen liefern.

Insbesondere untersuchte das Team die Variation der Exzentrizität der Erdumlaufbahn über einen Zeitraum von 250 Myr. Es war bereits bekannt, dass die Exzentrizität der Erdumlaufbahn eine Modulation mit einem Zeitraum von 405.000 Jahren aufweist. Es gibt auch kürzere Zyklen (Zeiträume von 20 000 und 40 000 Jahren), mit denen die Neogen-Periode wie oben beschrieben kalibriert wird. Da sich ihre Zeiträume jedoch aufgrund von Chaos ändern, können diese kurzen Zyklen nicht mehr zum Kalibrieren der älteren geologischen Zeiträume verwendet werden. Die Periode des Zyklus von 405 000 Jahren ist zeitlich viel stabiler, da sie sich aus den Gravitationsstörungen von Jupiter und Saturn ergibt. Einige jurassische und triassische Sedimente weisen einen solchen Zyklus von 405 000 Jahren auf. In ihrer vorliegenden Arbeit haben die Astronomen diese Modulation der Exzentrizität besser charakterisiert und vorgeschlagen, diesen 405 000-Jahres-Zyklus zur Kalibrierung der geologischen Zeitskala zu verwenden, die auf das Ende des Mesozoikums (vor 250 Myr) zurückgeht. Dies würde zu einer etwa 10-fachen Verbesserung der Genauigkeit der geologischen Zeitskala für diesen geologischen Zeitraum führen.

Schließlich gibt Jacques Laskar Hinweise auf eine signifikante Veränderung der Erdneigung (Winkel zwischen Erdäquator und Erdumlaufbahn) in naher Zukunft. Aufgrund der Zerstreuung der Gezeiten im Erd-Mond-System verlangsamt sich die Erdrotation und der Mond geht mit etwa 3,82 cm / Jahr zurück. Dies führt zu einer langsamen Änderung der Neigung. Das Team zeigt, dass dieser kleine Effekt eine langsame Zunahme der Neigung von etwa 2 Grad pro Milliarde Jahre hervorruft. In naher Zukunft wird die Neigung, sobald die Präzessionsrate der Erde eine Resonanz überschreitet, innerhalb weniger Millionen Jahre um etwa 0,4 Grad abnehmen, was sich möglicherweise auf das Klima auswirkt.

Überraschenderweise ist das Überschreiten der Resonanz, was zu einer schnellen Abnahme der Schräglage führt, die einzige starke Änderung, die zwischen -250 Myr und + 250 Myr auftrat. In der Tat hängt die schnelle Abnahme der Schrägheit, die in naher Zukunft auftreten wird, mit der Zunahme des Abstandes Erde-Mond zusammen und ist kein zyklisches Ereignis. Zusätzliche Effekte, die die frühere Entwicklung der dynamischen Form der Erde beeinflussen würden (wie die Zunahme des Eisvolumens an den Polen während einer Eiszeit oder die Mantelkonvektion), könnten zu demselben Resonanzübergang führen. Das Team suchte daher nach ähnlichen Ereignissen, die möglicherweise bereits in der Vergangenheit aufgetreten sind, fand jedoch keine Hinweise auf solche Ereignisse in der Vergangenheit. Schließlich sollten wir bedenken, dass die Nähe dieser Resonanz ein reiner Zufall ist, es sei denn, neue Ergebnisse in Bezug auf die frühere Entwicklung der dynamischen Form der Erde zeigen, dass die Überschneidung dieser Resonanz in der Vergangenheit stattgefunden haben könnte.

Dank dieser neuen astronomischen Berechnungen wurde die neue geologische Zeitskala für die Neogenperiode (die letzten 23 Millionen Jahre) erheblich verbessert, sodass sie jetzt mit einer Genauigkeit von etwa 40.000 Jahren datiert ist. Der nächste Schritt zur Verbesserung der geologischen Zeitskala besteht in der Bereitstellung einer astronomischen Kalibrierung der Paläogenperiode, die die vergangenen 23-65,5 Millionen Jahre abdeckt. Dies erfordert sowohl eine Ausweitung der Sammlung geologischer Daten als auch eine genauere rechnerische Modellierung der Umlaufbahn der Erde in der Vergangenheit.

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1 Das Team besteht aus J. Laskar, P. Robutel, F. Joutel, M. Gastineau (Observatoire de Paris / IMCCE, Frankreich), A.C.M. Correia (IMCCE / Observatoire de Paris, Frankreich; Universidade de Aveiro, Portugal) und B. Levrard (Observatoire de Paris / IMCCE, Frankreich).

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Eine langfristige numerische Lösung für die Sonnenbestrahlungsmengen der Erde von J. Laskar, P. Robutel, F. Joutel, M. Gastineau, A.C.M. Correia und B. Levrard. Veröffentlichung in Astronomy & Astrophysics (DOI-Nummer: 10.1051 / 0004-6361: 20041335)