研究揭示1.8億年前太陽系混沌行為和全球碳循環變化

太陽系的動力學穩定性是天文學研究的核心問題之一。1812年，法國天文學家曾提出，根據行星的初始位置和萬有引力定律，理論上可恢復所有行星的運動軌跡。但是，實際情況因N體問題而復雜，行星間的引力共振導致太陽系呈現混沌特性，微小的初始條件差異即可引發軌道不可預測的“蝴蝶效應”。盡管依靠現代超級計算機和高精度數值模型，天文學家能夠預測6千萬年內的行星軌道演化，但突破這一時間限制，必須依靠地質記錄的反演研究。

地球軌道參數受太陽系內行星引力相互作用影響，呈現周期性變化。其中，火星與地球的引力作用導致的超長偏心率周期易受太陽系混沌行為的影響，且周期值變化可達數百萬年。地球軌道參數變化通過調控地表日照量，直接影響全球氣候變化，并在沉積地層中留下記錄。因此，分析沉積記錄中的火星-地球超長偏心率周期變化，可反演深時太陽系的混沌行為。同時，我國準噶爾盆地發育完整的中新生代陸相沉積記錄為剖析上述問題提供了材料。

近日，中國科學院南京地質古生物研究所副研究員房亞男與研究員沙金庚、張海春、王博，聯合美國哥倫比亞大學教授Paul Olsen等國內外同行，對準噶爾盆地早侏羅世晚期三工河組陸相沉積地層開展高分辨率的天文旋回地層學、沉積學、地球化學和孢粉學等多學科綜合研究，揭示了中生代早期強烈的火星-地球超長偏心率變化，為約束深時太陽系混沌行為提供了證據。研究發現，約1.8億年前的全球快速升溫事件即Jenkyns事件與火星-地球超長偏心率吻合，Jenkyns事件期間全球變暖或放大了海洋或深水湖泊環境中超長偏心率調制的碳波動。

在晚三疊世至早侏羅世，準噶爾盆地位于潘吉亞超級大陸高緯度地區，是大型淺水湖泊系統。該研究通過剖析影響有機碳同位素波動的主要因素（如有機質來源、微生物降解、低有機碳樣品的污染、大氣CO₂碳同位素組成、植物群變化和環境因素等）發現，三工河組中有機質主要由陸地高等植物組成，有機碳同位素波動的主要控制因素是大氣CO₂碳同位素組成的變化。進一步，天文旋回地層學分析顯示，三工河組有機碳同位素記錄了160萬年的火星-地球超長偏心率周期。這一周期通過調控全球可交換碳庫，驅動大氣CO₂碳同位素組成周期性波動，最后被陸地高等植物記錄。研究結合已識別出的晚三疊世180萬年和早侏羅世早期240萬年周期發現，火星-地球超長偏心率周期在中生代早期經歷了顯著變化，這為深時太陽系混沌行為提供了關鍵證據。

進一步，該研究精確限定了Jenkyns事件在三工河組中的地層位置，并將其天文年代標尺與全球多個經典Jenkyns事件剖面進行高精度對比。三工河組Jenkyns事件層位Classopollis孢粉高度富集，表明當時準噶爾盆地氣候干旱且高溫，可能與開魯-菲拉超級火山噴發引發的全球氣溫升高相關。研究發現，三工河組Jenkyns事件正好對應一個160萬年超長偏心率周期引起的碳同位素負偏期，但其表現出的有機碳同位素波動低于傳統海洋或深湖記錄的異常值，只是多個超長偏心率周期引起的全球碳波動中的一個。這表明，Jenkyns事件期間全球變暖可能放大了海洋或深水湖泊環境中超長偏心率調制的碳波動，而處于淺水環境的準噶爾盆地可能更真實地反映了當時碳循環的本質狀態。

上述研究為限定深時太陽系混沌行為，過濾有效的天文解決方案，檢驗行星初始位置與驗證重力模型提供了線索，并為揭示地球外力和內力對地球碳循環與氣候的影響提供了證據。

7月1日，相關研究成果在線發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會和中國科學院的支持。