Astrofizycy rzucili światło na zagadkę, dlaczego ziemski dzień, który stopniowo wydłużał się pod wpływem pływów Księżyca, zatrzymał się w tym procesie na ponad miliard lat.
Nowe badania wskazują, że od około dwóch miliardów do 600 milionów lat temu, związane ze Słońcem pływy atmosferyczne przeciwdziałały wpływom Księżyca, utrzymując prędkość obrotu Ziemi i stabilizując czas trwania dnia na poziomie 19,5 godziny. Bez tej miliardowej przerwy w spowolnieniu obrotu naszej planety, nasza obecna 24-godzinna doba rozciągnęłaby się do ponad 60 godzin.
Opierając się na dowodach geologicznych i narzędziach do badań atmosfery, naukowcy wykazali, że impas między Słońcem a Księżycem wynikał z przypadkowego, ale niezwykle istotnego związku między temperaturą atmosfery a prędkością obrotową Ziemi.
Kiedy Księżyc uformował się, około 4,5 miliarda lat temu, ziemski dzień trwał mniej niż 10 godzin. Od tego czasu przyciąganie grawitacyjne Księżyca spowalnia obrót naszej planety, co skutkuje coraz dłuższym dniem. Obecnie wydłuża się on w tempie około 1,7 milisekundy na stulecie.
Księżyc spowalnia obrót planety, przyciągając oceany Ziemi i tworząc wybrzuszenia pływowe po przeciwnych stronach globu, których doświadczamy jako przypływy i odpływy. Przyciąganie grawitacyjne Księżyca oddziałujące na te wybrzuszenia oraz tarcie między pływami, a dnem oceanu działa jak hamulec dla naszej wirującej planety. Słońce również powoduje powstawanie pływów i przyciąga powstałe wybrzuszenia, wytwarzając moment obrotowy na Ziemi, ale zamiast spowalniać obrót Ziemi tak, jak Księżyc, przyspiesza go.
Na wykresie: Widmo mocy atmosfery ziemskiej. Oś x to długość fali, np. 5 to długość fali jednej piątej obwodu Ziemi dla fali przemieszczającej się z zachodu na wschód, a -5 oznacza to samo, ale dla fal przemieszczających się ze wschodu na zachód. Oś y to częstotliwość w cyklach na dzień, np. 2 oznacza dwa cykle dziennie lub 12 godzin. Cienkie poziome brązowe linie pokazują wymuszanie słoneczne w jednym, dwóch, trzech itd. cyklach dziennie (okres 24 godzin, 12 godzin, 8 godzin itd.). Źródło: Sakazaki & Hamilton
Przez większą część historii geologicznej Ziemi pływy księżycowe przewyższały pływy słoneczne mniej więcej dziesięciokrotnie; stąd spowolnienie prędkości obrotowej Ziemi i wydłużenie dni. Jednak jakieś dwa miliardy lat temu wybrzuszenia atmosferyczne były większe, ponieważ atmosfera była cieplejsza, a jej naturalny rezonans – częstotliwość, z jaką poruszają się w niej fale – odpowiadał długości dnia.
Atmosfera, podobnie jak dzwon, rezonuje z częstotliwością określoną przez różne czynniki, w tym temperaturę. Innymi słowy, fale – takie jak te, które powstały podczas ogromnej erupcji wulkanu Krakatau w Indonezji w 1883 roku – przemieszczają się przez nią z prędkością określoną przez jej temperaturę. Ta sama zasada wyjaśnia, dlaczego dzwon wydaje ten sam dźwięk tylko jeśli jego temperatura jest stała.
Przez większą część historii Ziemi ten rezonans atmosferyczny nie był zsynchronizowany z prędkością obrotową planety. Obecnie każdy z dwóch atmosferycznych „przypływów” podróżuje po świecie przez 22,8 godziny; ponieważ ten czas i 24-godzinny okres rotacji Ziemi nie są zsynchronizowane, przypływ atmosferyczny jest stosunkowo niewielki.
Jednak podczas badanego miliarda lat atmosfera była cieplejsza i rezonowała przez okres około 10 godzin. Był to czas, w którym obrót Ziemi, spowolniony przez Księżyc, osiągnął 20 godzin. Kiedy rezonans atmosferyczny stał się parzystym dzielnikiem długości dnia — dziesięć i dwadzieścia — przypływ atmosferyczny wzmocnił się, wybrzuszenia stały się większe, a przyciąganie słoneczne stało się wystarczająco silne, aby przeciwdziałać pływowi księżycowemu.
Na zdjęciu: Próbki osadów pobrane z ujścia rzeki, które zostały wykorzystanie do badania pływów. Źródło: GE Williams
To jak popychanie dziecka na huśtawce. Jeśli moment popchnięcia huśtawki i nie jest zsynchronizowany z okresem drgań huśtawki, amplituda jej ruchu nie będzie wzrastać. Jeśli jednak te dwie wielkości zostaną zsynchronizowane, czyli popchnięcie nastąpi w momencie, gdy huśtawka zatrzymuje się w miejscu największego wychylenia, to popchnięcie zwiększy pęd huśtawki, która zacznie wznosić się coraz wyżej. Tak właśnie stało się z rezonansem atmosferycznym i pływami.
Poza dowodami geologicznymi, naukowcy skorzystali z modeli globalnej cyrkulacji atmosferycznej, aby przewidzieć temperaturę atmosfery w badanym okresie czasu. To te same modele, których klimatolodzy używają do badania globalnego ocieplenia. Pomimo oddalenia w historii geologicznej, uzyskane wyniki dają dodatkową perspektywę do kryzysu klimatycznego. Ponieważ rezonans atmosferyczny zmienia się wraz z temperaturą, autorzy zwracają uwagę, że obecnie ocieplająca się atmosfera naszej planety może mieć doprowadzić do nierównowagi pływów.
Podnosząc temperaturę Ziemi wraz z globalnym ociepleniem, zwiększamy również częstotliwość rezonansową – oddalamy naszą atmosferę od rezonansu. W rezultacie tworzy się mniejszy moment obrotowy pochodzący od Słońca, a zatem długość dnia będzie coraz dłuższa wcześniej niż by to nastąpiło w innym przypadku - mówi Murray, jeden z autorów badania.
Więcej informacji: publikacja „Why the day is 24 hours long: The history of Earth’s atmospheric thermal tide, composition, and mean temperature” Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.add2499
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Modelowanie pływów ziemskich. Źródło: NASA Scientific Visualization Studio
