میلیاردها سال پیش، شبانهروز زمین ۲۴ ساعت طول نمیکشید. پژوهشهای جدید نشان میدهد که برای حدود یک میلیارد سال، طول هر روز روی زمین تقریباً ثابت و برابر با ۱۹ ساعت بوده است. دلیل این پدیده، تعادلی پیچیده میان اقیانوسها، جو زمین و نیروی کششی ماه بوده است.
بهطور معمول، چرخش زمین بهآرامی و در بازههای زمانی بسیار طولانی کندتر میشود. این اتفاق بهدلیل جزر و مدهایی رخ میدهد که ماه ایجاد میکند و بخشی از انرژی چرخشی زمین را میگیرد. در نتیجه، طول شبانهروز بهتدریج افزایش مییابد.
بر اساس برآوردهای ناسا، این فرآیند باعث میشود طول هر روز تقریباً به اندازه دو هزارم ثانیه در هر قرن افزایش پیدا کند.
چرخش زمین و تغییر طول شبانهروز
چرخش زمین همواره تحت تأثیر نیروهای مختلفی قرار دارد که مهمترین آنها جزر و مدهای اقیانوسی هستند. این جزر و مدها نوعی اصطکاک کشندی ایجاد میکنند؛ کششی آهسته که در اثر حرکت آب شکل میگیرد و بخشی از سرعت چرخش سیاره را کاهش میدهد.
در مقیاسهای زمانی بسیار طولانی، انتظار میرود این اصطکاک باعث شود طول شبانهروز بهطور پیوسته بیشتر شود، درست مانند یک چرخ طیار که بهتدریج از سرعت آن کاسته میشود.
این پژوهش به رهبری راس میچل، ژئوفیزیکدان مؤسسه زمینشناسی و ژئوفیزیک آکادمی علوم چین انجام شده است. تمرکز اصلی تحقیقات او بررسی این موضوع است که چگونه چرخش زمین و چرخههای مداری آن که در سنگها ثبت شدهاند، تاریخ اقلیمی بلندمدت سیاره را شکل دادهاند.
برای بررسی این فرض که آیا طول شبانهروز واقعاً بهصورت یکنواخت تغییر کرده است، میچل و یکی از همکارانش مجموعهای جهانی از دهها برآورد طول شبانهروز باستانی را گردآوری کردند. این دادهها از سنگهای رسوبی بهدست آمدهاند و بازهای حدود ۲٫۵ میلیارد سال از تاریخ زمین را پوشش میدهند.
بسیاری از این سنگها الگوهایی را حفظ کردهاند که به روشی به نام سیکلوستراتیگرافی مرتبط است؛ روشی برای خواندن لایههای تکرارشونده سنگ که بازتابی از تغییرات منظم در مدار و چرخش زمین هستند.
این الگوها نشان دادند که تاریخ چرخش زمین بسیار پیچیدهتر از یک کاهش یکنواخت است. بهجای یک روند ساده، دادهها دورههای طولانیای را نشان میدهند که در آنها طول شبانهروز تقریباً بدون تغییر باقی مانده است.
این دورههای سکون با بازههایی جدا میشوند که در آنها طول روز با سرعت بیشتری افزایش یافته است. این موضوع به وجود دورههایی از «رزونانس کشندی» اشاره دارد؛ حالتی ویژه که در آن نیروهای مختلف کشندی یکدیگر را خنثی میکنند و سرعت چرخش زمین متوقف میشود.
توقف در ۱۹ ساعت
یکی از این دورههای سکون در دادههای جدید بیش از همه جلب توجه میکند. بین حدود دو میلیارد تا یک میلیارد سال پیش، بسیاری از سوابق سنگی مستقل نشان میدهند که طول شبانهروز زمین در حدود ۱۹ ساعت ثابت مانده است. در حالی که سنگهای قدیمیتر و جدیدتر به مقادیر کاملاً متفاوتی اشاره دارند.
«بهنظر میرسد افزایش بلندمدت طول شبانهروز زمین در بازهای حدود دو تا یک میلیارد سال پیش متوقف شده و در حدود ۱۹ ساعت ثابت مانده است.»
توضیح این پدیده در رقابت میان کشش ماه و اثر خورشید نهفته است. علاوه بر جزر و مدهای اقیانوسی، نور خورشید هر روز بخش بالایی جو را گرم میکند و جزر و مدهای جوی ایجاد میشود. این جزر و مدها موجهای فشاری سراسری در هوا هستند که میتوانند بهجای کند کردن، اندکی سرعت چرخش سیاره را افزایش دهند.
در زمانی که زمین آنقدر سریع میچرخید که زمانبندی این جزر و مدهای جوی دقیقاً با یک روز ۱۹ ساعته هماهنگ میشد، نیروی آنها میتوانست اثر ترمزی ماه را جبران کند.
در این نقطه رزونانسی، گشتاورهای مخالف تقریباً یکدیگر را خنثی کردند و فرآیند معمول افزایش طول شبانهروز برای مدتی بسیار طولانی متوقف شد.
میکروبها و افزایش اکسیژن
در همان دوره زمانی، بخش عمده اکسیژن زمین توسط میکروبهای فتوسنتزکننده تولید میشد. این موجودات در قالب لایههایی از سیانوباکتریها روی بسترهای کمعمق دریا زندگی میکردند و در طول روز اکسیژن آزاد میکردند و در شب آن را مصرف مینمودند.
تعادل میان میزان اکسیژنی که آزاد میشد و مقداری که مصرف میگردید، بهطور مستقیم به طول مدت روشنایی روز وابسته بود.
در آزمایشها و مدلسازیهای آزمایشگاهی، جودیت کلات و همکارانش بررسی کردند که طولهای مختلف شبانهروز چه تأثیری بر آزادسازی اکسیژن از زیستلایههای میکروبی امروزی دارد؛ زیستلایههایی که نماینده اکوسیستمهای باستانی کف دریا هستند.
نتایج نشان داد زمانی که طول شبانهروز کمتر از حدود ۱۶ ساعت باشد، این لایهها در مجموع اکسیژن بیشتری مصرف میکنند تا تولید. اما با طولانیتر شدن روزها، میزان اکسیژن آزادشده به آب اطراف افزایش مییابد.
اگر طول شبانهروز برای یک میلیارد سال در حدود ۱۹ ساعت قفل شده باشد، این وضعیت میتوانسته مقدار اکسیژن اضافی تولیدشده را محدود کند. این موضوع توضیح میدهد که چرا سطح اکسیژن جهانی در بخش بزرگی از این بازه زمانی در حد متوسط باقی مانده است.
پس از خروج زمین از این حالت رزونانسی و افزایش تدریجی طول روز به سمت ۲۴ ساعت، نور روز بیشتر به جوامع فتوسنتزکننده فرصت داد تا اکسیژن بیشتری وارد اقیانوسها و جو کنند. این شرایط زمینهساز جهشهای بعدی در شکلگیری حیات پیچیده شد.
نوسانهای هسته زمین و تغییرات امروزی شبانهروز
دوره ۱۹ ساعته شبانهروز مربوط به مقیاسهای میلیاردساله است، اما چرخش زمین هنوز هم در مقیاس زمانی انسانی دچار تغییرات جزئی میشود.
ساعتهای اتمی نشان میدهند که طول یک روز مدرن میتواند از سالی به سال دیگر به اندازه چند هزارم ثانیه تغییر کند. این تغییرات ناشی از جابهجایی تکانه زاویهای میان بادها، جریانهای اقیانوسی و بخشهای عمیق درون زمین است.
در یک مطالعه پیشین، اندازهگیریهای دقیق چرخش زمین بین سالهای ۱۹۶۲ تا ۲۰۱۲ بررسی شد. سپس اثرات جو و اقیانوسها از دادهها حذف گردید تا آنچه باقی میماند تحلیل شود.
سیگنال بهدستآمده نشان داد که تغییرات طول شبانهروز با دورههای بیش از یک سال، عمدتاً با دو ویژگی قابل توضیح است.
این مدل، نوسانهای آشنا در بازههای چند دهساله را نشان میدهد و همچنین تغییراتی را آشکار میکند که در دورههای یک تا ده ساله رخ میدهند.
این پژوهش همچنین یک نوسان منظم ۵٫۹ ساله و جهشهای ناگهانی را شناسایی کرد که همزمان با تغییرات شدید در میدان مغناطیسی زمین اتفاق میافتند. ژئوفیزیکدانان به این رویدادها «جهشهای ژئومغناطیسی» میگویند؛ تغییرات کوتاهمدتی که بر اثر جریانهای فلز مذاب در هسته بیرونی زمین ایجاد میشوند.
چرخش زمین و ضربان پنهان سیاره
این ارتباطها نشان میدهند که جریانهای آهسته فلز مذاب در اعماق زمین میتوانند اندکی سرعت چرخش زمین را افزایش یا کاهش دهند و طول شبانهروز را در حد کسری از میلیثانیه تغییر دهند.
این مطالعه بهعنوان پژوهشی توصیف شده است که درک دانشمندان از پویاییهای کوتاهدورهای در هسته سیال زمین را بهطور بنیادی تغییر داده است.
همچنین این نتایج نشان میدهد که گوشته پایینی جامد زمین رسانایی الکتریکی ضعیفی دارد. این ویژگی، تعامل میان هسته متحرک و گوشته را محدود میکند و دیدگاههای تازهای درباره ساختار درونی سیاره ارائه میدهد.
همان سیارهای که زمانی یک میلیارد سال را با شبانهروزهای ۱۹ ساعته سپری کرده است، هنوز هم آن تاریخ را در سنگها و میکروبهایش حفظ کرده است. ضربان امروزی زمین نیز در نوسانهای میلیثانیهای ثبت میشود که از هسته آن سرچشمه میگیرند.
اگر به شگفتیهای علمی زمین و تاریخ پنهان سیاره علاقهمند هستید، مقالات علمی مرتبط را مطالعه کنید و دیدگاه خود را در بخش نظرات با ما به اشتراک بگذارید.
