Resonerende oscillaties van de atmosfeer van een planeet, veroorzaakt door gravitatiegetijden en verwarming van de ster, kunnen voorkomen dat de rotatie van een planeet in de loop van de tijd gestaag vertraagt, volgens nieuw onderzoek van Caleb Scharf, die de directeur van Astrobiologie is aan de Columbia University. Zijn bevindingen suggereren dat het effect wordt versterkt voor een planeet met een atmosfeer die is geoxygeneerd door leven, en de resulterende 'atmosferische getijden' zouden zelfs als een biosignatuur kunnen fungeren.

Getijden kunnen de massa van een planeet vervormen, die op zijn beurt de rotatie ervan beïnvloedt. We zijn het meest bekend met zwaartekrachtgetijden, die we op aarde voelen door de zwaartekracht van de maan en de zon. Deze zwaartekrachtgetijden creëren uitstulpingen terwijl de aarde draait, en de maan en de zon trekken aan die uitstulpingen, het draaien vertragen.

Daarentegen, atmosferische getijden, soms thermische of zonnegetijden genoemd, optreden wanneer zonlicht het oppervlak en de lucht aan de dagzijde van de aarde verwarmt. Die verwarming verschuift de massa van de atmosfeer van het heetste punt naar koelere punten op de planeet. Net als bij zwaartekrachtgetijden, atmosferische getijden veroorzaken uitstulpingen die kwetsbaar zijn voor zwaartekracht. Die uitstulpingen veranderen op subtiele wijze de vorm van de aardatmosfeer, het uitrekken van een bol naar iets dat iets minder symmetrisch en meer elliptisch is. Scharf stelt voor om je een 'handvat' op aarde voor te stellen, en dat krachten die aan de atmosferische hendel trekken, de rotatie van de planeet kunnen versnellen of vertragen.

Resonantiefrequenties

Gebruikelijk, de effecten van deze thermische getijdenkrachten zijn relatief klein, maar de effecten kunnen onder bepaalde omstandigheden worden versterkt, zoals in resonanties. Dit zijn natuurlijke trillingsfrequenties die de golvende beweging van bruggen in de wind beschrijven, of hoger en hoger worden geduwd op een schommel. Atmosferische herverdeling wordt versterkt wanneer de rotatiesnelheid van de planeet overeenkomt met de natuurlijke frequentie van de oscillatie van de atmosfeer.

Scharf gebruikt een andere metafoor om resonantie uit te leggen:"Het is alsof je viool speelt, " hij vertelt Tijdschrift voor Astrobiologie . "De atmosfeer is een vioolsnaar die om de planeet is gewikkeld. Als je de strijkstok met de juiste snelheid over de snaar trekt, je krijgt de juiste noot en het luidste geluid."

Wetenschappers geloven dat resonantie plaatsvond met de aarde toen haar dagen ongeveer 21 uur lang waren. Die daglengte zou een piek in de atmosferische beweging hebben veroorzaakt, wat betekent dat het de sterkste vloedgolven van de zon en de maan zou hebben gevoeld, het creëren van een bijzonder grote 'handgreep' en maximaal koppel. Bij die resonantie, de invloed van een ster op de atmosfeer van een planeet is het grootst, net als de effecten op de rotatie van de planeet. Een fenomeen dat 'resonante trapping' wordt genoemd, kan optreden wanneer de tegengestelde krachten die op de atmosferische handgreep worden uitgeoefend, en door de gebruikelijke zwaartekrachtgetijden van de planeet, evenwicht bereiken, het vergrendelen van de rotatiesnelheid van de planeet.

Uit de val komen

Volgens Scherf, onderzoek suggereert dat de aarde mogelijk gedurende "honderden miljoenen jaren resonant vastzit op de daglengte van 21 uur, " misschien in het Precambrium meer dan 500 miljoen jaar geleden. De effecten van resonante trapping zijn op zichzelf moeilijk te meten, maar in het algemeen merkt Scharf op dat planeten met snellere rotaties warmere evenaars en koelere polen hebben. Resonant gevangen zitten kan het klimaat op aarde hebben beïnvloed, maar belangrijker is de rol van resonante trapping in klimaatevolutie.

Resonantie kan (en zou in het geval van de aarde noodzakelijkerwijs zijn) worden verbroken door temperatuurschommelingen, zoals een snelle opwarming na een diepe bevriezing, die de toename van de daglengte over miljoenen jaren opnieuw zou initiëren naarmate de rotatie van een planeet weer langzamer gaat draaien.

Bijvoorbeeld, het is mogelijk dat 3 tot 4 miljard jaar geleden, De aarde had een dag van 12 uur, en dat na verloop van tijd verlengd tot 24 uur. Ergens in de verre toekomst, een aardse dag kan langer zijn dan 24 uur.

Een veel voorkomend fenomeen

Aangezien de meeste planeten zwaartekrachtgetijden ervaren die hun rotatie kunnen beïnvloeden, Scharf gelooft dat andere rotsachtige planeten uiteindelijk resonante vangst zullen ervaren, wat resulteert in een daglengte die gedurende lange tijd constant wordt gehouden.

Rory Barnes, een professor aan het NASA Virtual Planetary Laboratory van de Universiteit van Washington, is het ermee eens dat dit proces wijdverbreid kan zijn.

"Terwijl Scharf eerdere resultaten voor de aarde reproduceerde, zijn model van dit gecompliceerde fenomeen is eenvoudig en elegant, "zegt hij. "Echter, het is moeilijk om afdoende te zeggen wat de effecten op een specifieke planeet kunnen zijn, gezien de complicerende invloed van klimaten, atmosferische omstandigheden, maat, enz. Maar de eerste-orde-poging van Scharf om deze factoren te ontwarren, biedt ideeën voor verdere verfijning."

Een bijzonder interessante implicatie van het werk van Scharf is de mogelijkheid dat biologische activiteit ook de rotatie van een planeet zou kunnen beïnvloeden. Moleculen zoals ozon maken de atmosfeer warmer, wat de thermische getijden sterker maakt en de resonantie verschuift naar kortere daglengtes. Als het leven op een planeet zuurstof produceert, de planeet zou eerder in de geschiedenis van een planeet ozon ophopen dat resonantievangst bevordert. Dergelijke mogelijkheden "hangen allemaal af van de volgorde van gebeurtenissen, " zegt Scharf. Als de aarde in het midden van een resonantie was, ozontoenames zouden het kunnen breken; als de aarde al resonantie had ervaren, het zou die toestand opnieuw kunnen betreden.

Een positieve feedback voor het leven?

De vraag van een miljoen dollar is of de rotatieveranderingen die worden veroorzaakt door oxygenatie of ozon bevorderlijk zijn voor het leven. Is dit een positief feedbackproces dat het leven helpt zijn planetaire omgeving zodanig te beïnvloeden dat het dat leven helpt verspreiden? Scharf zegt dat het te vroeg is om met zekerheid te zeggen, maar als biologische activiteit kan helpen de resonantietoestand vast te houden, de aanwezigheid van leven zou een feedbackloop kunnen genereren.

Als wetenschappers meer gegevens zouden kunnen verkrijgen over de evolutie van de rotatie van de aarde in de afgelopen vier miljard jaar, ze zouden het kunnen vergelijken met onze gegevens over atmosferische oxygenatie en zoeken naar correlaties die de effecten van oxygenatie op resonante trapping zouden kunnen suggereren - wat behoorlijk verbluffend zou zijn, maar heel goed mogelijk " zegt Scharf. Barnes is het daarmee eens, noemde dit een "provocerend idee dat verdere studie verdient."

Een ander idee voor toekomstig onderzoek is of planetaire rotatiesnelheden indirecte ondersteuning kunnen bieden voor de potentiële bewoonbaarheid van een planeet.

"Het detecteren van de rotatiesnelheden van planeten is ongelooflijk moeilijk, " zegt Scherf, "maar gezien de vooruitgang in exoplanetaire wetenschappen, misschien is er een manier om het te doen."

Zelfs als wetenschappers zouden kunnen uitvinden hoe ze de rotatiesnelheid van rotsachtige planeten kunnen meten, Scharf betwijfelt of ze een 'rokend pistool' zouden vinden dat causaal verband houdt met de aanwezigheid van biologisch leven. Echter, berekeningen van de rotatiesnelheid kunnen een van de vele hulpmiddelen zijn die astrobiologen gebruiken om te zoeken naar planeten die leven ondersteunen. Barnes zou graag zien "een experiment dat de rol van biologie op de rotatiesnelheid en potentiële bewoonbaarheid van een planeet isoleert, " maar ondertussen, hij zal waarnemingen van rotatiesnelheid toevoegen aan zijn buitenaardse checklist.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NASA's Astrobiology Magazine. Verken de aarde en daarbuiten op www.astrobio.net.