در حدود یک میلیارد سال، طول روز روی زمین تنها ۱۹ ساعت بود
چندین میلیارد سال پیش، طول روز روی زمین ۲۴ ساعت نبود. تحقیقات جدید نشان میدهد که حدود یک میلیارد سال، هر روز تقریباً ثابت در حدود ۱۹ ساعت بود؛ چرا که تعادلی میان اقیانوسها، جو و نیروی جاذبهٔ ماه برقرار بود.
بهطور معمول، سرعت چرخش زمین بهصورت تدریجی کاهش مییابد، زیرا جزر و مدهای ایجاد شده توسط ماه انرژی چرخشی را میگیرد؛ لذا طول روز بهآرامی افزایش مییابد.
یک بررسی از طرف ناسا برآورد میکند که این فرایند هر روز را حدود دو هزارم ثانیه در هر قرن طولانی میکند.
چرخش زمین و طول روز
چرخش زمین بهصورت مداوم تحت تأثیر نیروهای گوناگون قرار میگیرد و مهمترین این نیروها جزر و مدهای اقیانوسی هستند که اصطکاک جزر و مدی را بهوجود میآورند؛ نیروی مقاومتی آهستهای که ناشی از حرکت آب است و از چرخش سیاره میگیرد.
در مقیاسهای زمانی بسیار طولانی، این کشش باید باعث شود روز بهصورت پیوسته طولانیتر شود، مانند یک چرخگیر که بهتدریج سرعت میگیرد.
این پژوهش توسط راس میچل، ژئوفیزیکدانی از مؤسسهٔ ژئولوژی و ژئوفیزیک آکادمی چین (CAS) هدایت شد.
تحقیقات او بر این متمرکز است که چرخش زمین و چرخههای مداری ثبتشده در سنگها چگونه تاریخچهٔ اقلیم بلندمدت سیاره را شکل میدهند.
برای آزمون اینکه آیا طول روز بهصورت یکنواخت تغییر کرده است یا نه، میچل و همکارش مجموعهای جهانی از چندین تخمین طول روز باستانی استخراجشده از سنگهای رسوبی که دورهٔ دو و نیم میلیارد سال گذشته را شامل میشوند، گردآوری کردند.
بسیاری از این سنگها الگوهایی را حفظ میکنند که به روشی به نام سیکلوستراتیگرافی مرتبط است؛ روشی برای خواندن لایههای تکراری سنگ که تغییرات منظم در مدار و چرخش زمین را بازتاب میدهند.
این الگوها نشان دادند که تاریخچهٔ چرخش زمین بهمراتب ساده نیست. بهجای کاهش مستمر، دادهها فواصل طولانیای از ثبات را نشان میدهند که در آن طول یک روز زمین بهسختی تغییر میکرد.
این فواصل توسط دورههایی که طول روزهای زمین بهسرعت بیشتری افزایش مییافتند، جدا میشد؛ که نشانگر دورههای رزونانس جزر و مدی است — تعادلی خاص که در آن نیروهای جزر و مدی مختلف یکدیگر را خنثی کرده و سرعت چرخش ثابت میماند.
در حالت ثابت ۱۹ ساعت
یک دوره ثابت در این رکورد جدید برجسته میشود. بین حدود دو تا یک میلیارد سال پیش، بسیاری از سوابق مستقل سنگی طول روز را در حدود ۱۹ ساعت نشان میدهند، در حالی که سنگهای قدیمیتر و جوانتر بهوضوح مقادیر متفاوتی اشاره میکنند.
«بهنظر میرسد طول روز زمین افزایش بلندمدتش را متوقف کرده و حدود ۱۹ ساعت، از دو تا یک میلیارد سال پیش، ثابت باقی مانده است»، میچل گفت.
توضیح این پدیده در کشش ماه نسبت به فشار خورشید نهفته است. علاوه بر جزر و مدهای اقیانوسی، نور خورشید هر روز لایه بالایی جو را گرم میکند و جزر و مدهای جوی را برمیانگیزد؛ امواج فشار جهانی در هوا که میتوانند بهنرمی سرعت چرخش یک سیاره را افزایش دهند بهجای اینکه آن را کاهش دهند.
زمانی که زمین بهانداز کافی میچرخید تا زمانبندی این جزر و مدهای جوی دقیقاً با روز ۱۹ ساعته هماهنگ شود، فشار این جزر و مدها میتوانست با اثر مهارکنندهٔ ماه برابر شود.
در این نقطهٔ رزونانس، گشتاورهای مخالف تقریباً ناپدید میشدند؛ بنابراین افزایش آهستهٔ معمولی طول روز برای یک دورهٔ زمانی بسیار طولانی متوقف شد.
میکروبهای ریز و افزایش اکسیژن
در همان دوره، بیشتر اکسیژن سیاره توسط میکروبهای فتوسنتزی که در لایههای ماتهای سیانوباکتریایی زندگی میکردند، تولید میشد؛ این ماتها کفهای کم عمق دریا را مانند فرشهای لیزناک میپوشانید و در طول روز اکسیژن آزاد کرده و در شب آن را مصرف میکردند.
توازن بین مقدار اکسیژن خروجی و مقدار مصرفشده به طول دورهٔ روشنایی روز بستگی داشت.
در کارهای آزمایشگاهی و مدلسازی، جودیت کلات و همکارانش بررسی کردند که طول روزهای شبیهسازیشدهٔ مختلف چگونه بر آزادسازی اکسیژن از ماتهای میکروبی مدرن، که بهعنوان جایگزینی برای اکوسیستمهای کفدریایی کهن عمل میکنند، تأثیر میگذارند.
آنها دریافتند که وقتی طول روز زمین کمتر از حدود ۱۶ ساعت بود، این ماتها در واقع بیشتر اکسیژن را جذب میکردند تا آزاد میکردند؛ اما روزهای طولانیتر امکان خروج مقادیر بیشتری از اکسیژن به آب محیطی را فراهم میکرد.
اگر روزها به مدت یک میلیارد سال با تقریباً ۱۹ ساعت ثابت میماندند، این موضوع مقدار اکسیژن اضافی که این ماتها میتوانستند به محیط اضافه کنند را محدود میکرد و میتواند دلیل این باشد که سطوح اکسیژن جهانی در طول این بازه بهطور نسبی در مقادیر معتدل ثابت باقیماندهاند.
بهمحض اینکه زمین از رزونانس فرار کرد و طول روز دوباره به سمت ۲۴ ساعت گسترش یافت، نور روز افزوده به جوامع فتوسنتزی زمان بیشتری برای تزریق اکسیژن به اقیانوسها و جو بهازای هر روز فراهم کرد؛ که زمینهٔ رونقهای بعدی حیات پیچیده را فراهم کرد.
روزهای زمین و نوسانهای هسته
دورهٔ ثابت ۱۹ ساعتهٔ کهن در طول میلیاردها سال بهوجود آمده است، اما چرخش زمین همچنان بهصورت جزئی در مقیاسهای زمانی انسانی تغییر میکند.
ساعتهای اتمی نشان میدهند که طول یک روز مدرن میتواند سالانه تا چند هزارم ثانیه تغییر کند، زیرا بادها، جریانهای اقیانوسی و لایه عمیق داخلی همگی گشتاور زاویهای را تبادل مینمایند.
یک مطالعهٔ پیشین، اندازهگیریهای دقیق چرخش زمین بین سالهای ۱۹۶۲ تا ۲۰۱۲ را تجزیه و تحلیل کرد و سپس اثرات جو و اقیانوسها را از آن حذف کرد تا باقیماندهها را مشاهده کند.
سیگنال تصفیهشده نشان داد که تغییرات باقیماندهٔ طول روز که بیش از یک سال است، میتواند عمدتاً توسط دو ویژگی توصیف شود.
این مدل، تغییرات آشنای دورههای دهساله را نشان میدهد و همچنین تحولات رخداده در بازههای یک تا ده ساله را شفاف میسازد.
این مطالعهٔ خاص علاوه بر این، نوسان منظم ۵٫۹ ساله و جهشهای ناگهانی را کشف کرد که همزمان با تغییرات ناگهانی در میدان مغناطیسی زمین رخ میدهند. ژئوفیزیکدانان این پدیدهها را «لرزشهای ژئومغناطیسی» مینامند که تغییرات کوتاهمدت میدان ناشی از جریانهای مایع هستهٔ بیرونی هستند.
چرخش زمین و طول روز
این ارتباطات نشان میدهند که جریانهای آهسته و نوسانهای فلز مذاب در عمق درون سیاره بهصورت جزئی سرعت چرخش زمین را افزایش یا کاهش میدهند، بهدقت روز را بهصورت کسری میلیثانیهای طولانی یا کوتاه میکنند.
این مطالعه بهعنوان تغییری بنیادین در درک دینامیکهای دورههای کوتاه هستهٔ مایع زمین توصیف شده است.
همچنین نشان میدهد که لایهٔ مانتل زیرین بهصورت ضعیفی الکتریسیته را هدایت میکند؛ این مسأله تعامل بین هستهٔ متحرک و مانتل را محدود میکند و بینش جدیدی دربارهٔ عمق داخلی ارائه میدهد.
همان سیارهای که یک میلیارد سال روزهای ۱۹ ساعتی داشته است، هنوز این تاریخ را در سنگها و میکروبهای خود حمل میکند؛ و ضربان قلب امروز آن در نوسانهای میلیثانیهای ناشی از هسته بهوضوح ثبت شده است.
—–