Laiko skalės ir spragos: ką apie Žemės istoriją mums gali atskleisti matavimų tankis?

Didžioji dalis mūsų žinių apie Žemės praeitį – iš stratigrafinių sluoksnių, atsiveriančių uolienų atodangose arba atrandamų gręžiniuose. Šie duomenys apima didžiulius laiko intervalus – nuo tūkstančių iki milijardų metų – ir sudaro geochronologijos pagrindą, leidžiantį atkurti ir tirti geologinius, klimato bei aplinkos pokyčius. Tačiau, kaip rodo „Nature“ grupės žurnale „Communications Earth & Environment“ publikuotas naujas tyrimas, šie duomenys anaiptol nėra nuosekliai pasiskirstę laiko skalėje. Tyrimas, kurio vienas iš bendraautorių yra Vilniaus universiteto (VU) Chemijos ir geomokslų fakulteto geologijos ir paleontologijos profesorius Andrejus Spiridonovas, atskleidžia, kad didelės spragos, duomenų sankaupos ir variacijos geologiniuose metraščiuose iš esmės lemia tai, kaip interpretuojame Žemės istoriją.

Tyrimą „Time scales and gaps, Haar fluctuations and multifractal geochronologies“ („Laiko skalės ir spragos, Haar svyravimai ir multifraktalinės geochronologijos“), kurio vienas pagrindinių autorių – Makgilio universiteto (Kanada) fizikos profesorius Shaun Lovejoy – atliko tarptautinė mokslininkų grupė iš Kanados, Vokietijos, Čilės ir Lietuvos. Remdamasi 23 geochronologiniais duomenų rinkiniais, apimančiais holoceną, kvarterą, fanerozojų ir prekambrą, tyrėjų komanda išanalizavo ne tik pačius duomenis, bet ir tai, kaip tankiai jie pasiskirstę laike.

Esminis rodiklis – matavimų tankis

„Geologiniai duomenys dažnai traktuojami taip, lyg būtų tolygiai pasiskirstę laike, tačiau iš tikrųjų taip tikrai nėra. Šios variacijos – ne vien techniniai apribojimai. Jos suteikia informacijos, kuri iš esmės lemia mūsų suvokimą apie Žemės praeitį“, – teigia VU prof. A. Spiridonovas. 

Kiekybinėje geochronologijoje mėginiai paprastai imami reguliariais gylio intervalais, tuomet matuojamos tokios jų savybės kaip uolienų tankis ar izotopinė sudėtis. Kad šie duomenys būtų naudingi, mėginiams turi būti priskiriamas tam tikras amžius, taip sukuriant chronologinę sistemą. Vis dėlto šį procesą apsunkina labai kintantys sedimentacijos greičiai, erozija ir trūkstami sluoksniai – kartais pritrunka geologinių duomenų apie ištisus laikotarpius.

Kaip savo tinklaraščio įraše aiškina prof. S. Lovejoy, tradiciškai ši problema sprendžiama identifikuojant pagrindinius atskaitos taškus ar „įvykius“, kurių amžius jau nustatytas, ir trūkstamus duomenis interpoliuojant. Nors tai leidžia nustatyti atskirų mėginių amžių, toks metodas gali neatskleisti netolygaus pačių duomenų pobūdžio.

Naujajame tyrime ši problema sprendžiama pasitelkiant matavimų tankio, t. y. matavimų skaičiaus per laiko vienetą, analizę įvairiose laiko skalėse. Paaiškėjo, kad šis rodiklis yra itin informatyvus. Vietoje tikėtino tolygaus pasiskirstymo, matavimų tankis rodo sistemingus svyravimus, kurie atitinka skalės invariantiškumo arba multifraktalinius dėsningumus.

Nuo klasikinės statistikos iki multifraktalų

Norėdami apibūdinti šiuos svyravimus, autoriai taiko Haar analizę – metodą, leidžiantį nustatyti, kaip kintamumas priklauso nuo laiko skalės. Tyrimo rezultatai atskleidė du skirtingus režimus. Trumpesnėse laiko skalėse – iki maždaug vieno milijono metų analizuotuose geologiniuose metraščiuose – matavimų tankio svyravimai primena klasikinės statistikos varpo formos kreivę. Tačiau ilgesnėse laiko skalėse svyravimai tampa tokie dideli, kad klasikiniai statistiniai metodai jau nebetinka.

Tokiu atveju tankis įgauna multifraktalinį pobūdį – jo statistinės savybės kinta priklausomai nuo skalės, tačiau tai vyksta struktūruotai ir prognozuojamai. Svarbu pabrėžti, kad toks elgesys nuosekliai stebimas įvairių tipų metraščiuose – nuo žiedadulkių duomenų, ežerinių nuosėdų, ledo kernų, lioso ir speleotemų iki jūrinių nuosėdų.

Autorių teigimu, perėjimas nuo klasikinio prie multifraktalinio elgesio identifikavimo suteikia naujų įžvalgų apie Žemės sistemos dinamiką. Tai rodo, kad geologinių ir klimato duomenų variabilumas nėra vien „triukšmas“ – jis atspindi giluminę, hierarchinę organizaciją skirtingose laiko skalėse.

Spragos, šališkumas ir naujas paleoklimato rodiklis

Vienas svarbiausių šio darbo rezultatų – matavimų tankio pripažinimas nauju paleorodikliu. Tradiciškai spragos geologiniuose metraščiuose buvo laikytos problematiškais ar ribojančiais aspektais. Šis tyrimas parodė, kad spragų pasiskirstymas ir dėl jų atsirandantis netolygus mėginių ėmimas taip pat gali atskleisti vertingos informacijos.

Mokslininkai nustatė, kad matavimų tankis paprastai koreliuoja su pirminiais paleoklimato rodikliais, pavyzdžiui, paleotemperatūros svyravimais. Pavyzdžiui, ledo kernuose didelio kintamumo laikotarpiai dažnai būna tiriami tankiau, o ramesni intervalai – daug rečiau. Neatsižvelgus į tai, paleoklimato duomenų statistinės interpretacijos gali tapti šališkomis.

Tiesiogiai analizuojant matavimų tankį, teoriškai atsiranda galimybė pašalinti šališkumą iš paleoklimato metraščių ir kitų spektrų. Tokiu būdu informacija apie trūkstamus duomenis ir spragas gali tapti ne tariama įrodymų stoka, o teigiama žinia apie Žemės variabilumo struktūrą. Vis dėlto metodologinis darbas, reikalingas tokioms korekcijoms įgyvendinti, dar nėra atliktas. Šiuo metu šališkumo pašalinimas reikalautų išsamių žinių apie matavimų tankį ir jo ryšį su konkrečiu analizuojamu paleorodikliu.

Kiek laiko pakanka?

Aptariamame tyrime taip pat nagrinėjamas esminis klausimas – kokios trukmės geologinio metraščio reikia, kad būtų užfiksuotas visas Žemės sistemos dinamikos mastas? Autorių vertinimu, norint atskleisti išorinę Žemės sistemos variabilumo skalę, reikalingi bent pusės milijardo metų, o galbūt ir dar ilgesnės trukmės, metraščiai. Tai padeda paaiškinti, kodėl trumpesnės laiko skalės dažnai neapima tiek stabilių, tiek itin chaotiškų režimų.

Įdomu tai, kad ilgiausi karbonatų metraščiai rodo galimą elgsenos pokytį laiko skalėse, viršijančiose maždaug 500 milijonų metų – čia variabilumas gali pradėti mažėti užuot didėjęs toliau. Tačiau tam patvirtinti dar reikia papildomų tyrimų.

Kaip pabrėžia prof. S. Lovejoy, šie rezultatai svarbūs ne tik tiriant Žemės praeitį, bet ir modeliuojant būsimus planetos pokyčius. Multifraktalinės geochronologinių duomenų struktūros atskleidimas suteikia tvirtesnį pagrindą interpretuojant variabilumą, ekstremumus ir ilgalaikes tendencijas.

Daugiau skaitykite: https://communities.springernature.com/posts/multifractal-geochronologies