Powszechnie wiadomo, że pływy wywoływane przez Księżyc stopniowo wydłużają dobę ziemską. Proces ten jest jednak niezwykle powolny. Tymczasem dane wskazują, że około dwóch miliardów lat temu ten mechanizm jakby się wyłączył. Co spowodowało tę geologiczną przerwę i jak odbiła się na organizmach zamieszkujących wtedy planetę?
Miliard lat w geologicznym zastoju
Geofizyk Ross Mitchell z Instytutu Geologii i Geofizyki Chińskiej Akademii Nauk wraz z kolegami przeanalizował dziesiątki próbek skał osadowych z różnych zakątków globu. Kluczową rolę w tych analizach odegrała cyklostratygrafia, czyli metoda odczytywania rytmicznie ułożonych warstw skalnych, które odzwierciedlają cykliczne zmiany orbity i rotacji Ziemi. Okazało się, że historia rotacji naszej planety wcale nie jest monotoniczna. Dane ujawniły długie okresy stabilności, tak zwane płaskowyże, podczas których długość doby praktycznie się nie zmieniała, przeplatane fazami szybszego wydłużania. Jeden z takich płaskowyżów, trwający od około dwóch do jednego miliarda lat temu, wyraźnie wskazuje na dni trwające około 19 godzin. Dla kontrastu, skały zarówno starsze, jak i młodsze od tego przedziału czasowego rejestrują inne wartości, co potwierdza, że przez niemal miliard lat długość dnia utrzymywała się na niemal stałym poziomie. W skali geologicznej to niebywale długi okres bez zmian.
Czytaj także: Ziemia zaczęła się kręcić szybciej po 2020 roku. To pierwszy taki przypadek w całej historii pomiarów
Równowaga sił Księżyca i Słońca
Wyjaśnienie tego zjawiska tkwi w delikatnej równowadze dwóch przeciwstawnych sił. Z jednej strony pływy oceaniczne, napędzane przez Księżyc, działają jak hamulec, spowalniając obrót Ziemi. Z drugiej, ogrzewanie atmosfery przez Słońce generuje pływy atmosferyczne, które mają przeciwny efekt – przyspieszają rotację planety. Gdy prędkość obrotu Ziemi osiągnęła taki poziom, że rytm pływów atmosferycznych zsynchronizował się z 19-godzinną dobą, doszło do zjawiska rezonansu pływowego. W tym specyficznym punkcie momenty obrotowe generowane przez oba procesy niemal się równoważyły. Efekt hamujący Księżyca był kompensowany przez przyspieszający wpływ atmosfery, co skutkowało zatrzymaniem powolnego wydłużania się dnia. To fascynujący przykład dynamicznej równowagi, która utrzymywała się przez gigantyczny odcinek czasu. Skala tego zjawiska jest naprawdę trudna do ogarnięcia, a jego konsekwencje dla rozwoju życia – ogromne.
Krótsze dni, mniej tlenu dla życia
W omawianym okresie głównym producentem tlenu na Ziemi były cyjanobakterie, tworzące śluzowate, warstwowe maty na dnach płytkich mórz. Te mikroskopijne społeczności wytwarzały tlen w procesie fotosyntezy w ciągu dnia, ale zużywały go w nocy, oddychając. Judith Klatt wraz z zespołem przeprowadziła serię ciekawych eksperymentów na współczesnych matach mikrobiologicznych, stanowiących model dawnych ekosystemów. Badali, jak różna długość dnia wpływa na bilans tlenowy. Odkryli coś zaskakującego: przy dniach krótszych niż około 16 godzin, maty zużywały więcej tlenu, niż produkowały. Dopiero dłuższe okresy świetlne pozwalały na uwolnienie nadwyżki tlenu do wody.
Jeśli zatem przez miliard lat długość dnia utknęła na poziomie około 19 godzin, ilość tlenu, jaką maty bakteryjne mogły oddać do otoczenia, była ograniczona. To może tłumaczyć, dlaczego przez większość tego okresu poziom tlenu w atmosferze utrzymywał się na stosunkowo niskim, umiarkowanym poziomie. W pewnym sensie Ziemia utknęła nie tylko w swoim obrocie, ale i w rozwoju chemicznym. Gdy Ziemia w końcu wyszła z rezonansu pływowego i dzień zaczął się stopniowo wydłużać do znanych nam 24 godzin, sytuacja uległa radykalnej zmianie. Dłuższe godziny dzienne dały organizmom fotosyntetyzującym więcej czasu na produkcję tlenu, co stopniowo wzbogacało oceany i atmosferę. To stworzyło warunki dla późniejszego gwałtownego wzrostu stężenia tlenu, zwanego wielkim utlenieniem, który umożliwił ewolucję złożonych, wielokomórkowych form życia.
Ziemia nigdy nie przestaje się zmieniać
Choć epoka 19-godzinnych dni rozgrywała się w niewyobrażalnie długiej skali, rotacja Ziemi podlega ciągłym zmianom także w znacznie krótszych okresach. Precyzyjne zegary atomowe rejestrują wahania długości współczesnej doby rzędu kilku tysięcznych sekundy z roku na rok. Wpływają na to wiatry, prądy oceaniczne oraz procesy zachodzące w płynnym wnętrzu planety, które nieustannie wymieniają pęd, modyfikując prędkość obrotu. Najnowsze analizy ujawniają intrygujący związek między drobnymi wahaniami długości dnia a tak zwanymi szarpnięciami geomagnetycznymi, czyli nagłymi zmianami pola magnetycznego Ziemi.
Czytaj także: Sensacyjne odkrycie na orbicie Ziemi. Naukowcy zarejestrowali zjawisko znane dotąd tylko ze Słońca
Zjawiska te są wywoływane przez ruchy stopionych metali w zewnętrznym, płynnym jądrze planety, które generują jej pole magnetyczne. Analiza precyzyjnych pomiarów rotacji z lat 1962-2012 wykazała regularną oscylację o okresie 5,9 roku oraz nagłe skoki zbieżne w czasie z tymi magnetycznymi zaburzeniami. Sugeruje to, że powolne przepływy stopionego żelaza i niklu w jądrze mogą w subtelny sposób przyspieszać lub spowalniać obrót całej planety. Ziemia pozostaje więc dynamicznym systemem, którego rotacja fluktuuje na różnych skalach czasowych – od ułamków sekund, przez cykle liczone w latach, po zmiany trwające miliardy lat.
Odkrycie miliardowego okresu 19-godzinnych dni dobitnie pokazuje, jak subtelne równowagi fizyczne mogą kształtować biologiczną historię planety. Bez tej długiej fazy stabilizacji, a potem zmian, ścieżka ewolucji życia na Ziemi mogłaby być zupełnie inna. To przypomina nam, że rozwój organizmów jest nierozerwalnie splątany z geofizyką ich macierzystego świata.