多学科研究揭示1.8亿年前太阳系混沌行为

发布时间：2025-07-04 18:03 原文链接：多学科研究揭示1.8亿年前太阳系混沌行为

太阳系的动力学稳定性是天文学研究的核心问题之一。1812年，法国著名天文学家和数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯曾提出，根据行星的初始位置和万有引力定律，理论上可以恢复所有行星的运动轨迹。然而，实际情况因N体问题而复杂，行星间的引力共振导致太阳系呈现混沌特性，微小的初始条件差异即可引发轨道不可预测的“蝴蝶效应”。尽管依靠现代超级计算机和高精度的数值模型，天文学家能够预测6千万年内的行星轨道演化，但突破这一时间限制，必须依靠地质记录的反演研究。

地球轨道参数（偏心率、岁差和斜率）受太阳系内行星引力相互作用影响，呈现周期性变化。其中，火星与地球的引力作用导致的超长偏心率周期（现为240万年），极易受到太阳系混沌行为的影响，周期值变化可达数百万年。这些地球轨道参数变化通过调控地表日照量，直接影响全球气候变化，并在沉积地层中留下记录。因此，通过分析沉积记录中的火星-地球超长偏心率周期变化，可以反演深时太阳系的混沌行为。我国准噶尔盆地发育完整的中新生代陆相沉积记录，为解决上述问题提供了珍贵的材料。

近日，中国科学院南京地质古生物研究所副研究员房亚男、研究员沙金庚、研究员张海春、研究员王博与美国哥伦比亚大学教授Paul Olsen等国内外同行，通过对准噶尔盆地早侏罗世晚期三工河组陆相沉积地层开展高分辨率的天文旋回地层学、沉积学、地球化学和孢粉学等多学科综合研究，揭示了中生代早期强烈的火星-地球超长偏心率变化，为约束深时太阳系混沌行为提供了关键证据。研究首次发现Jenkyns事件（约1.8亿年前的全球快速升温事件，也被称为托阿尔期大洋缺氧事件）与火星-地球超长偏心率吻合，Jenkyns期间全球变暖可能放大了海洋或深水湖泊环境中超长偏心率调制的碳波动。相关成果于北京时间7月1日在线发表于国际著名综合期刊《美国科学院院报》（PNAS）上。

晚三叠世至早侏罗世（距今2.37-1.75亿年），准噶尔盆地位于潘吉亚超级大陆高纬度地区，是一个大型浅水湖泊系统。通过系统剖析影响有机碳同位素波动的主要因素（包括有机质来源、微生物降解、低有机碳样品的污染、大气CO₂碳同位素组成、植物群变化和环境因素等），研究发现三工河组中有机质主要由陆地高等植物组成，有机碳同位素波动的主要控制因素是大气CO₂碳同位素组成的变化。进一步的天文旋回地层学分析表明，三工河组有机碳同位素中记录了160万年的火星-地球超长偏心率周期。这一周期通过调控全球可交换碳库，驱动大气CO₂碳同位素组成周期性波动，最后被陆地高等植物记录下来。结合已识别出的晚三叠世180万年和早侏罗世早期240万年周期，显示火星-地球超长偏心率周期在中生代早期经历了显著变化，为深时太阳系混沌行为提供了关键证据。

此外，研究团队还精确限定了Jenkyns事件在三工河组中的地层位置，并将其天文年代标尺与全球多个经典Jenkyns事件剖面进行了高精度对比。三工河组Jenkyns事件层位Classopollis孢粉高度富集，这表明当时准噶尔盆地气候干旱且高温，可能与开鲁-菲拉超级火山喷发引发的全球气温升高相关。研究发现，三工河组Jenkyns事件正好对应一个160万年超长偏心率周期引起的碳同位素负偏期，但其表现出的有机碳同位素波动远低于传统海洋或深湖记录中的异常值，只是多个超长偏心率周期引起的全球碳波动中的一个。这一现象表明，Jenkyns事件期间全球变暖可能放大了海洋或深水湖泊环境中超长偏心率调制的碳波动，而处于浅水环境的准噶尔盆地，可能更加真实的反映了当时碳循环的本质状态。

本研究为限定深时太阳系混沌行为，过滤有效的天文解决方案，检验行星初始位置和验证重力模型提供了重要线索，同时，为揭示地球外力（轨道）和内力（构造运动—超级火山喷发）对地球碳循环与气候的影响提供了重要证据。研究成果有助于揭示深时全球变暖事件的机制和过程，进而深化我们对未来气候变化的理解。

本研究得到国家自然科学基金和中国科学院的共同资助。

论文相关信息：Fang Yanan, Olsen P. E., Sha Jingeng, Whiteside J. H., Chengguo Guan, Ikeda M., Li Sha, Zheng Daran, Zhang Haichun, Wang Bo, 2025. Jurassic constrains on the chaotic Mars-Earth eccentricity cycle linked to the volcanically induced Jenkyns event. PNAS, ?doi：https://doi.org/10.1073/pnas.2419902122.