Для всех, кто когда-либо хотел, чтобы в сутках было больше часов, у геологов есть хорошие новости: дни на Земле становятся длиннее.
Новое исследование, реконструирующее глубокую историю связи нашей планеты с Луной, показывает, что 1,4 миллиарда лет назад день на Земле длился чуть более 18 часов. Отчасти это связано с тем, что Луна была ближе и изменила способ вращения Земли вокруг своей оси.
«По мере того, как Луна удаляется, Земля похожа на вращающегося фигуриста, который замедляется, когда вытягивает руки», - объясняет Стивен Мейерс, профессор геолого-геофизических исследований в Университете Висконсин-Мэдисон и соавтор исследования. исследование, опубликованное на этой неделе [4 июня 2018 г.] в Proceedings of the National Academy of Sciences.
В нем описывается инструмент, статистический метод, который связывает астрономическую теорию с геологическими наблюдениями (называемыми астрохронологией), чтобы оглянуться на геологическое прошлое Земли, реконструировать историю Солнечной системы и понять древние изменения климата, запечатленные в камне. запись.
«Одной из наших целей было использовать астрохронологию для определения времени в самом отдаленном прошлом, чтобы разработать очень древние геологические шкалы времени», - говорит Мейерс. «Мы хотим иметь возможность изучать горные породы возрастом в миллиарды лет способом, сравнимым с тем, как мы изучаем современные геологические процессы».
Движение Земли в космосе находится под влиянием других астрономических тел, которые воздействуют на нее, как и другие планеты и Луна. Это помогает определить изменения в вращении Земли вокруг своей оси, а также в движении Земли по орбите вокруг Солнца.
Эти вариации в совокупности известны как циклы Миланковича, и они определяют, где солнечный свет распределяется на Земле, что также означает, что они определяют климатические ритмы Земли. Такие ученые, как Мейерс, наблюдали этот климатический ритм в горных породах, охватывающий сотни миллионов лет.
Но вернуться назад, в масштабе миллиардов лет, оказалось непросто, потому что обычные геологические методы, такие как радиоизотопное датирование, не обеспечивают точности, необходимой для определения циклов. Это также осложняется отсутствием знаний об истории Луны и тем, что известно как хаос Солнечной системы, теория, выдвинутая парижским астрономом Жаком Ласкаром в 1989 году.
Солнечная система состоит из множества движущихся частей, включая другие планеты, вращающиеся вокруг Солнца. Небольшие первоначальные изменения в этих движущихся частях могут перерасти в большие изменения миллионы лет спустя; это хаос Солнечной системы, и попытка объяснить его может быть похоже на попытку проследить эффект бабочки в обратном порядке.
В прошлом году Мейерс и его коллеги взломали код хаотической Солнечной системы, изучая отложения горных пород возрастом 90 миллионов лет, которые фиксируют климатические циклы Земли. Тем не менее, чем дальше в рок-записи он и другие пытались зайти, тем менее надежными были их выводы.
Например, Луна в настоящее время удаляется от Земли со скоростью 3,82 сантиметра в год. Используя эту сегодняшнюю скорость, ученые, экстраполируя назад во времени, подсчитали, что «примерно 1,5 миллиарда лет назад Луна была бы достаточно близко, чтобы ее гравитационное взаимодействие с Землей разорвало бы Луну на части», объясняет Мейерс. Тем не менее, мы знаем, что Луне 4,5 миллиарда лет.
Итак, Мейерс искал способ лучше объяснить то, что наши планетарные соседи делали миллиарды лет назад, чтобы понять влияние, которое они оказали на Землю и ее циклы Миланковича. Это была проблема, которую он принес с собой на доклад, который он сделал в Земной обсерватории Ламонта-Доэрти Колумбийского университета во время творческого отпуска в 2016 году.
В аудитории в тот день был Альберто Малинверно, профессор исследований Ламонта в Колумбийском университете.«Я сидел там, когда сказал себе: «Кажется, я знаю, как это сделать! Давайте вместе!» - говорит Малинверно, другой соавтор исследования. «Это было захватывающе, потому что в каком-то смысле ты все время мечтаешь об этом; я был решением, ищущим проблему».
Эти двое объединились, чтобы объединить статистический метод, разработанный Мейерсом в 2015 году для работы с неопределенностью во времени, называемый TimeOpt, с астрономической теорией, геологическими данными и сложным статистическим подходом, называемым байесовской инверсией, который позволяет исследователям получить лучше справляться с неопределенностью системы обучения.
Затем они проверили подход, который они назвали TimeOptMCMC, на двух стратиграфических слоях горных пород: формации Xiamaling возрастом 1,4 миллиарда лет в Северном Китае и записи возрастом 55 миллионов лет на Уолфиш-Ридж, на юге. Атлантический океан.
При таком подходе они могли надежно оценить по слоям горных пород в геологической летописи изменения направления оси вращения Земли и формы ее орбиты как в более поздние времена, так и в глубокое время, а также преодоление неопределенности. Они также смогли определить продолжительность дня и расстояние между Землей и Луной.
«В будущем мы хотим расширить работу на другие интервалы геологического времени», - говорит Малинверно.
Исследование дополняет два других недавних исследования, которые опираются на горные записи и циклы Миланковича, чтобы лучше понять историю и поведение Земли.
Исследовательская группа из Ламонт-Доэрти использовала скальное образование в Аризоне, чтобы подтвердить замечательную регулярность колебаний орбиты Земли от почти круглой до более эллиптической в течение 405 000-летнего цикла. А другая группа в Новой Зеландии в сотрудничестве с Мейерсом изучала, как изменения орбиты Земли и вращения вокруг ее оси повлияли на циклы эволюции и вымирания морских организмов, называемых граптолоидами, на протяжении 450 миллионов лет..
«Геологические данные - это астрономическая обсерватория ранней Солнечной системы», - говорит Мейерс. «Мы смотрим на его пульсирующий ритм, сохранившийся в скале и истории жизни».
Исследование финансировалось Национальным научным фондом (EAR-1151438).