Voor iedereen die ooit wenste dat er meer uren in een dag zaten, geowetenschappers hebben goed nieuws:de dagen op aarde worden langer.

Een nieuwe studie die de diepe geschiedenis van de relatie van onze planeet met de maan reconstrueert, toont aan dat 1,4 miljard jaar geleden, een dag op aarde duurde iets meer dan 18 uur. Dit komt in ieder geval gedeeltelijk omdat de maan dichterbij was en de manier veranderde waarop de aarde om haar as draaide.

"Terwijl de maan wegtrekt, de aarde is als een draaiende kunstschaatsster die langzamer gaat terwijl ze hun armen uitstrekken, " legt Stephen Meyers uit, hoogleraar geowetenschappen aan de Universiteit van Wisconsin-Madison en co-auteur van de studie die deze week werd gepubliceerd [4 juni, 2018] in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Het beschrijft een hulpmiddel, een statistische methode, die astronomische theorie koppelt aan geologische observatie (astrochronologie genoemd) om terug te kijken op het geologische verleden van de aarde, reconstrueer de geschiedenis van het zonnestelsel en begrijp de oude klimaatverandering zoals vastgelegd in het gesteente.

"Een van onze ambities was om astrochronologie te gebruiken om de tijd in het meest verre verleden te vertellen, om zeer oude geologische tijdschalen te ontwikkelen, ", zegt Meyers. "We willen gesteenten van miljarden jaren oud kunnen bestuderen op een manier die vergelijkbaar is met hoe we moderne geologische processen bestuderen."

De beweging van de aarde in de ruimte wordt beïnvloed door de andere astronomische lichamen die er kracht op uitoefenen, zoals andere planeten en de maan. Dit helpt bij het bepalen van variaties in de rotatie van de aarde rond en wiebelen op zijn as, en in de baan trekt de aarde rond de zon.

Deze variaties zijn gezamenlijk bekend als Milankovitch-cycli en ze bepalen waar het zonlicht op aarde wordt verspreid, wat ook betekent dat ze de klimaatritmes van de aarde bepalen. Wetenschappers zoals Meyers hebben dit klimaatritme waargenomen in de rotsplaat, honderden miljoenen jaren omspannen.

Maar verder teruggaan, op de schaal van miljarden jaren, is een uitdaging gebleken omdat typische geologische middelen, zoals radio-isotopendatering, bieden niet de precisie die nodig is om de cycli te identificeren. Het wordt ook gecompliceerd door een gebrek aan kennis van de geschiedenis van de maan, en door wat bekend staat als chaos in het zonnestelsel, een theorie van de Parijse astronoom Jacques Laskar in 1989.

Het zonnestelsel heeft veel bewegende delen, inclusief de andere planeten die om de zon draaien. Klein, initiële variaties in deze bewegende delen kunnen miljoenen jaren later tot grote veranderingen leiden; dit is chaos in het zonnestelsel, en proberen er rekening mee te houden, kan hetzelfde zijn als proberen het vlindereffect in omgekeerde volgorde te volgen.

Vorig jaar, Meyers en collega's kraakten de code op het chaotische zonnestelsel in een studie van sedimenten van een 90 miljoen jaar oude rotsformatie die de klimaatcycli van de aarde vastlegde. Nog altijd, hoe verder terug in de rockplaat hij en anderen hebben geprobeerd te gaan, hoe minder betrouwbaar hun conclusies.

Bijvoorbeeld, de maan beweegt zich momenteel van de aarde af met een snelheid van 3,82 centimeter per jaar. Met behulp van dit huidige tarief, wetenschappers die terug in de tijd extrapoleren, berekenden dat "meer dan ongeveer 1,5 miljard jaar geleden, de maan zou dichtbij genoeg zijn geweest dat de zwaartekrachtinteracties met de aarde de maan uit elkaar zouden hebben gescheurd, " legt Meyers uit. Toch we weten dat de maan 4,5 miljard jaar oud is.

Dus, Meyers zocht naar een manier om beter te verklaren wat onze planetaire buren miljarden jaren geleden deden om het effect te begrijpen dat ze hadden op de aarde en haar Milankovitch-cycli. Dit was het probleem dat hij meebracht naar een lezing die hij gaf aan de Lamont-Doherty Earth Observatory van Columbia University tijdens een sabbatical in 2016.

In het publiek die dag was Alberto Malinverno, Lamont onderzoekshoogleraar aan Columbia. "Ik zat daar toen ik tegen mezelf zei:'Ik denk dat ik weet hoe het moet! Laten we samenkomen!'" zegt Malinverno, de andere co-auteur van het onderzoek. "Het was spannend, want op een manier, je droomt hier de hele tijd van; Ik was een oplossing op zoek naar een probleem."

De twee werkten samen om een ​​statistische methode die Meyers in 2015 ontwikkelde om om te gaan met onzekerheid in de tijd, TimeOpt genaamd, te combineren met astronomische theorie. geologische gegevens en een geavanceerde statistische benadering, Bayesiaanse inversie genaamd, waarmee de onderzoekers de onzekerheid van een studiesysteem beter kunnen beheersen.

Vervolgens testten ze de aanpak, die ze TimeOptMCMC noemen, op twee stratigrafische rotslagen:de 1,4 miljard jaar oude Xiamaling Formation uit Noord-China en een 55 miljoen jaar oude plaat uit Walvis Ridge, in de zuidelijke Atlantische Oceaan.

Met de aanpak, ze konden op betrouwbare wijze de variaties in de richting van de rotatie-as van de aarde en de vorm van haar baan zowel in recentere tijd als in diepe tijd uit rotslagen in het geologische record beoordelen, terwijl ook onzekerheid wordt aangepakt. Ze waren ook in staat om de lengte van de dag en de afstand tussen de aarde en de maan te bepalen.

"In de toekomst, we willen het werk uitbreiden naar verschillende intervallen van geologische tijd, ' zegt Malinverno.

De studie vormt een aanvulling op twee andere recente onderzoeken die gebaseerd zijn op het rotsrecord en Milankovitch-cycli om de geschiedenis en het gedrag van de aarde beter te begrijpen.

Een onderzoeksteam in Lamont-Doherty gebruikte een rotsformatie in Arizona om de opmerkelijke regelmaat te bevestigen van de baanfluctuaties van de aarde van bijna cirkelvormig naar meer elliptisch op een 405, 000 jaar cyclus. En een ander team in Nieuw-Zeeland, in samenwerking met Meijers, gekeken naar hoe veranderingen in de baan van de aarde en de rotatie om haar as de evolutiecyclus en het uitsterven van mariene organismen, graptoloïden genaamd, hebben beïnvloed, 450 miljoen jaar terug in de tijd.

"Het geologische record is een astronomisch observatorium voor het vroege zonnestelsel, " zegt Meyers. "We kijken naar het pulserende ritme, bewaard in de rots en de geschiedenis van het leven."