Een dag op Aarde duurde ooit slechts 19 uur

Op Aarde duurt een enkele zonnedag 24 uur. Dat is de tijd die de Zon nodig heeft om terug te keren naar dezelfde plek aan de hemel als de dag ervoor. De Maan, de enige natuurlijke satelliet van de Aarde, doet er ongeveer 27 dagen over om een enkele omwenteling rond onze planeet te voltooien en draait op een gemiddelde afstand van 384.399 kilometer. Sinds onheuglijke tijden hebben mensen de Zon, de Maan en hun siderische en synodische perioden bijgehouden. Voor zover bekend zijn de orbitale mechanica die het Aarde-Maan-systeem beheersen hetzelfde geweest en zijn we ze als vanzelfsprekend gaan beschouwen.

Maar er was een tijd dat de Maan aanzienlijk dichter bij de Aarde draaide, en de gemiddelde dag was veel korter dan vandaag. Volgens een recent onderzoek door een paar onderzoekers uit China en Duitsland duurde een gemiddelde dag tijdens het Proterozoïcum gedurende een miljard jaar ongeveer 19 uur. Het Proterozoïcum is een geologische periode tijdens het Precambrium die duurde van 2,5 miljard jaar tot 541 miljoen jaar geleden. Dit toont aan dat in plaats van geleidelijk toe te nemen in de tijd (zoals eerder werd gedacht), de lengte van een dag op Aarde gedurende een langere periode constant bleef.

De studie werd uitgevoerd door Ross N. Mitchell, een professor in de geowetenschappen aan het CAS State Key Laboratory en het College of Earth and Planetary Sciences van de University of Chinese Academy Sciences en Uwe Kirscher, voorheen werkzaam aan de universiteit van Tübingen in Duitsland en momenteel verbonden aan het Institute for Geoscience Research van de Curtin University in Australië. Het artikel met de details van hun onderzoek, getiteld “Mid-Proterozoic day length stalled by tidal resonance”, verscheen onlangs in Nature Geosciences.

Geologen hebben de afgelopen decennia een speciaal type sedimentair gesteente onderzocht waarin geconserveerde wadplaten zijn bewaard. Door het aantal sedimentlagen te tellen dat werd veroorzaakt door getijdenfluctuaties, konden ze het aantal uren per dag bepalen tijdens voorgaande geologische perioden. Maar dergelijke gegevens zijn zeldzaam, en de onderzochte exemplaren werden vaak betwist wat betreft hun leeftijd. Er is echter een andere methode om de daglengte te schatten, bekend als cyclostratigrafie en die methode gebruikten Mitchell en Kirscher voor hun studie.

Deze geologische methode onderzoekt ritmische sedimentaire gelaagdheid om Milankovitch-cycli te detecteren, deze beschrijven hoe veranderingen in de excentriciteit en scheefstand van de baan van de Aarde het klimaat in de loop van de tijd beïnvloeden. In de afgelopen jaren is er een wildgroei geweest in het aantal Milankovitch-platen die over het verre verleden gaan. In feite is meer dan de helft van de gegevens over oude geologische perioden in de afgelopen zeven jaar verkregen. Hierdoor konden Mitchell en Kirscher een eerder onbewezen theorie testen. Zoals Kirscher het in een recent CAS-persbericht uitlegt:

Twee Milankovitch-cycli, precessie en obliquiteit, houden verband met de schommeling en kanteling van de draaiingsas van de Aarde in de ruimte. De snellere rotatie van de vroege Aarde kan daarom worden gedetecteerd in kortere precessie- en obliquiteitscycli in het verleden. Als deze twee tegengestelde krachten in het verleden gelijk aan elkaar zouden zijn geworden, zou een dergelijke getijdenresonantie ertoe hebben geleid dat de daglengte op Aarde niet meer veranderde en enige tijd constant zou zijn gebleven.

Kortom, deze theorie stelt dat de daglengte in het verleden mogelijk langere tijd op een constante waarde is gebleven in plaats van geleidelijk langer te worden. Een sleutelfactor hierin zijn “zonneatmosfeergetijden”, waarbij de “duw” van geladen zonnedeeltjes van de Zon (de zonnewind) verband houdt met de opwarming van de atmosfeer gedurende de dag. Dit is vergelijkbaar met hoe maangetijden, veroorzaakt door de “aantrekkingskracht” van de zwaartekracht van de Maan, verband houden met de stijging en daling van de oceaanspiegels. Maar terwijl de zwaartekracht van de Maan de rotatie van de Aarde langzaam heeft vertraagd, was de Zon verantwoordelijk voor het versnellen ervan.

Hoewel zonnegetijden tegenwoordig niet meer zo sterk zijn als hun tegenhanger op de Maan is dit misschien niet altijd het geval geweest. Toen de Aarde in het verleden sneller draaide, zou de invloed van de zwaartekracht van de Maan veel zwakker zijn geweest. Toen Mitchell en Kirscher de gegevensverzameling bestudeerden merkten ze op dat tussen twee en een miljard jaar geleden de daglengte op Aarde de langdurige toename lijkt te hebben gestopt en stopte bij ongeveer 19 uur. Volgens Mitchell wordt deze periode afwisselend het “miljard jaar” of het “saaie jaar” genoemd.

Wat vooral intrigerend is aan het nieuwe resultaat, is hoe de “saaie miljard” plaatsvond tussen de twee grootste stijgingen van het zuurstofgehalte van de atmosfeer. Dit waren de “Grote Oxidatie gebeurtenis”, waar fotosynthetische bacteriën de hoeveelheid zuurstof in de atmosfeer dramatisch verhoogden, en de Cryogene periode (ook bekend als “sneeuwbal Aarde”) – een ijstijd waarin het hele oppervlak (of nagenoeg) bedekt was met ijs. Indien bevestigd, geven deze resultaten aan dat de evolutie van de rotatie van de Aarde verband houdt met de samenstelling van de atmosfeer.

Het onderzoek ondersteunt ook het idee dat er langere dagen nodig waren voordat fotosynthetiserende bacteriën voldoende zuurstof konden produceren om de moderne atmosferische niveaus te bereiken. De belangrijkste implicatie van dit onderzoek is echter hoe het de waarnemingen van astronomen van de rotatie van de Aarde in het verleden (of “paleorotatie”) verandert. Er is lange tijd getheoretiseerd dat de Maan geleidelijk de rotatie-energie van de Aarde absorbeerde, waardoor de planeet vertraagde, de maan in een hogere baan werd gebracht en een dag van 24 uur ontstond. Maar deze resultaten geven aan dat er een breuk was in dat proces tussen 2 miljard en 1 miljard jaar geleden.

Zoals de onderzoekers het samenvatten: “De meeste modellen van de rotatie van de Aarde voorspellen dat de daglengte in de tijd steeds korter werd Twee Milankovitch-cycli, precessie en obliquiteit, houden verband met de schommeling en kanteling van de draaiingsas van de Aarde in de ruimte. De snellere rotatie van de vroege Aarde kan daarom worden gedetecteerd in kortere precessie- en obliquiteitscycli in het verleden.”

Obliquiteit, ashelling of axiale variatie is de hellingshoek of inclinatie van de evenaar ten opzichte van het omloopvlak van de aarde in de baan om de zon. Het omloopvlak van de aarde en van de andere planeten om de zon is steeds ten naaste bij hetzelfde. De obliquiteit is voor de andere planeten op dezelfde manier gedefinieerd. Een planeet met een rotatieas loodrecht op het omloopvlak heeft een axiale variatie van 0°. Een planeet waarvan de rotatieas in het omloopvlak ligt, heeft een axiale variatie van 90°.

De obliquiteit is, naast de precessie en de excentriciteit, een van de Milankovitch-parameters en is op aarde van invloed op het ritme van het ontstaan van de ijstijden en interglacialen. De snelheid waarmee de precessie van een planeet draait is van invloed op de variatie van de obliquiteit van die planeet.

Meer lezen: Phys.org, Nature Geoscience

Eerste publicatie: 26 juni 2023
Bron: UniverseToday