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A new astronomical solution for the calibration of a geological time scale

1er octobre 2004

A team led by Jacques Laskar, from IMCCE/CNRS and Paris Observatory has released a new solution for the long term evolution of the orbital and rotational motion of the Earth. Using Milankovitch paleoclimate cycles, this solution has already been used as a reference time scale for the calibration of the sedimentary records over the Neogene period (0-23.03 Myr) in the new geological time scale (GTS2004) adopted by the International Comission of Stratigraphy (ICS) and the International Union of Geological Sciences (IUGS). It is the first time that an astronomical solution has been used to establish the ICS geological chronology over a full geological period.

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Due to gravitational planetary perturbations, the orbit of the Earth is slowly changing in time, so as the orientation of the planet’s spin axis. These changes induce variations of the insolation received on the Earth’s surface that are, according to Milankovitch theory of paleoclimate (1941), responsible for some of the large climate changes in the past. Since the landmark work of Hays, Imbrie, and Shackleton, (1976), which established a clear correlation over 500 kyr between astronomical forcing and the ratio 18O/ 16O in marine sediments, the Milankovitch theory has been confirmed overall (see Imbrie and Imbrie, 1979, for historical details). Geologists are now currently using the computed evolution of the Earth orbit and rotational parameters for the calibration of sedimentary cores over several millions of years. Paris Observatory has been involved for a long time in the computation of planetary orbits variations over an extended time span. Indeed, Le Verrier, famed for the discovery of Neptune in 1846, and the former director of Paris Observatory computed in 1856 an analytical solution for the long term evolution of the Earth orbit. This solution was used by Milankovitch to establish his theory of paleoclimates. More recently, the paleoclimate community has used for their calibration of sedimentary cores the orbital solution from Paris Observatory derived by Bretagnon (1974) and Laskar et al. (1993). This latest solution was estimated to have a length of validity of about 10 Myrs, but the improvement in collecting of the geological data was urging for a new solution. As a result of the chaotic behaviour of the planetary orbits (Laskar, 1989), the uncertainty in these computations is multiplied by 10 every 10 Myr. It is thus hopeless to search for a precise solution of the Earth past evolution beyond 100 Myr, but it is possible to obtain a precise solution over a few tens of millions of years. The new solution published in this issue of Astonomy and Astrophysics can be used for the calibration of paleoclimate data for the last 40 - 50 Myr. This solution has indeed already been used for the establishement of the new Geological Time Scale GTS2004 for the Neogene period (0-23.03 Myr) (Lourens et al, 2004). This new time scale, adopted by the International Union of Geological Sciences (IUGS) results from a cooperative effort among sedimentologists around the world in view to obtain an overall view of the Earth’ history from now to about 3.8 Gyr. The adoption of the astronomical solution for the calibration of the Neogene period allows to obtain a precision of about 40 kyr (one obliquity cycle) over the full range of the Neogene. This adoption resulted in a change of about 0.8 Myr of the Neogene/Paleogene limit with respect to the previous determination, obtained through radiogenic data. The authors of the present paper also show that if we do not search for a complete solution of the Earth orbit, but just for the main variation of its orbit eccentricity, a relatively stable modulation of 405 kyr, resulting from the perturbations of Jupiter and Saturn (that are more stable than the inner planets) can be used over the full Mesozoic era (up to about 250 Myr) for the astronomical calibration of sediments with an uncertainty of about 0.5 Myr after 250 Myr. This term is actually related to a geological cycle that is present in some jurassic and triassic sediments. Due to the tidal dissipation in the Earth-Moon system, the Earth’s rotation slows down, and the Moon is receding away at about 3.82 cm/yr. This induces a slow increase in the obliquity (angle between the Earth’s equator and the orbit) of about 2 degrees per Gyr. However, J. Laskar and his colleagues show that in the near future, a resonance with a small gravitational perturbing effect of Jupiter and Saturn, will make the obliquity decrease of about 0.4 degrees within a few millions of years, with some possible impact on the climate. When looking for the evolution of the obliquity of the Earth, it is surprising to see (fig. 2) that this crossing of resonance is the only noticeable singularity from -250 Myr to + 250 Myr. Nevertheless, as this change occurs in the future, the authors assume that unless some new results of the past evolution of the dynamical shape of the Earth show that the crossing of this singularity could have also existed in the past, one should consider that the proximity of this resonance is pure chance. The solution and associated files are freely available on the website http://www.imcce.fr/Equipes/ASD/insola/earth/earth.html Contacts Jacques Laskar (Observatoire de Paris, IMCCE)

Dernière modification le 4 mars 2013

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Une nouvelle solution astronomique pour la calibration des échelles de temps géologiques

1er octobre 2004

Une équipe de l’IMCCE/CNRS et l’Observatoire de Paris dirigée par Jacques Laskar vient de publier une nouvelle solution pour l’évolution à long terme des mouvements orbitaux et rotationnels de la Terre. En utilisant les cycles paléoclimatiques de Milankovitch, cette solution a servi d’échelle de temps de référence pour un calibrage des enregistrements sédimentaires durant la période Néogène (0 - 23.03 millions d’années) dans la nouvelle échelle de temps géologique (GTS2004) qui vient d’être adoptée par la Commission Internationale de Stratographie (ICS) et l’Union Internationale des Sciences de la Géologie (IUGS). C’est la première fois qu’une solution astronomique est utilisée dans le but de déterminer la chronologie géologique de l’ICS sur l’ensemble d’une période géologique.

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A cause des perturbations gravitationnelles des planètes, l’orbite de la Terre évolue lentement dans le temps, de même que l’orientation de son axe de rotation. Ces changements provoquent des variations de l’insolation à la surface de la Terre lesquelles, d’après la théorie des paléoclimats de Milankovitch (1941), sont responsables de changements climatiques importants du passé. Depuis le travail de Hays, Imbrie et Shackleton (1976) qui établit une corrélation claire sur 500 milliers d’années entre les calculs astronomiques de l’insolation et le rapport 18O/16O présent dans les sédiments marins, la théorie de Milankovitch a été globalement confirmée (cf : Imbrie et Imbrie, 1979, pour des détails historiques). Actuellement, les géologues utilisent couramment l’évolution calculée de l’orbite de la Terre et de ses paramètres de rotation pour la calibration des données sédimentaires sur plusieurs millions d’années. L’Observatoire de Paris à toujours occupé une place privilégiée pour le calcul des variations des orbites des planètes à long terme. En effet, Le Verrier, connu pour la découverte de Neptune en 1846, et ancien directeur de l’Observatoire de Paris, a publié en 1856 une solution analytique de l’évolution à long terme de l’orbite de la Terre, qui fut utilisée par Milankovitch pour l’élaboration de sa théorie des paléoclimats. Plus récemment, la communauté des paléoclimatologues a utilisé succesivement les solutions planétaires calculées à l’Institut de Mécanique Céleste et à l’Observatoire de Paris par Bretagnon (1974) et Laskar et al. (1993). La durée de validité de cette dernière solution est d’environ 10 millions d’années mais le progrès dans la collecte des données géologiques exigeait une nouvelle solution. A cause du comportement chaotique des orbites des planètes (Laskar, 1989), l’incertitude des calculs est multipliée par 10 tous les 10 millions d’années. Il est ainsi illusoire de rechercher une solution précise de l’évolution passée de la Terre au-delà de 100 millions d’années. En revanche, il est possible d’obtenir une solution précise sur quelques dizaines de millions d’années. La nouvelle solution publiée dans "Astronomy and Astrophysics" peut être utilisée pour le calibrage des données paléoclimatiques pour les dernières 40-50 millions d’années.Cette solution vient d’ailleurs d’être utilisée pour la mise en place de la nouvelle échelle de temps géologique (GTS2004) de la période Néogène (0-23.03 millions d’années) (Lourens et al, 2004). Cette nouvelle échelle de temps adoptée par l’Union Internationale des Sciences de la Geologie (IUGS) est le résultat d’un effort coopératif des géologues au niveau mondial, pour l’obtention d’une échelle de temps géologique pour la Terre allant de nos jours à environ 3,8 milliards d’années. L’adoption de la solution astronomique pour le calibrage de la période Néogène permet d’arriver à une precision d’environ 40 000 ans (un cycle d’obliquité) sur toute la période Néogène ce qui modifie d’environ 0,8 millions d’années la transition Néogène/Paléogène précédente, obtenue grâce aux données radiogéniques.Les auteurs du présent article montrent également qu’une modulation relativement stable de l’insolation de période 405 000 ans provenant des perturbations de Jupiter et de Saturne peut être utilisée pour toute l’ère Mésozoïque (jusqu’à environ 250 millions d’années) pour le calibrage astronomique des sédiments avec une incertitude d’environ 0,5 millions d’années après 250 millions d’années. Ce terme se rattache effectivement à un cycle géologique présent dans certains sédiments jurassiques et triassiques.A cause de la dissipation de marée dans le système Terre-Lune, la rotation de la Terre ralentit et la Lune s’éloigne d’environ 3,82 cm/an. Ceci implique une variation lente de l’obliquité (l’angle entre l’équateur et le plan de l’orbite de la Terre). Cet effet provoque une légère augmentation de l’obliquité d’environ 2 degrés par milliard d’années. Toutefois, J. Laskar et ses collègues montrent que dans un avenir proche, une résonance avec un effet gravitationnel perturbateur de Jupiter et de Saturne fera baisser l’obliquité d’environ 0,4 degrés en quelques millions d’années, avec une possible conséquence sur le climat. Lorsqu’on regarde l’évolution de l’obliquité de la Terre, il est surprenant de constater (cf : figure 2) que la traversée de cette résonance est la seule singularité significative, entre -250 millions d’années et +250 millions d’années. Cependant, étant donné que ce changement se produira dans l’avenir, les auteurs constatent qu’à moins que de nouveaux résultats sur l’évolution passée des moments d’inertie de la Terre démontrent que ce passage en résonance aurait pu exister aussi dans le passé, nous devons considérer la proximité de cette résonance comme étant une pure coïncidence. L’ensemble des solutions et des programmes d’insolation associés, sont librement disponible sur le site WEB http://www.imcce.fr/Equipes/ASD/insola/earth/earth.html Contacts Jacques Laskar (Observatoire de Paris, IMCCE)

Dernière modification le 22 février 2013