20億年前，地球自轉(zhuǎn)周期僅19個(gè)小時(shí)！科學(xué)家：為生命奠定了基礎(chǔ)

2020年，我們經(jīng)歷了多年以來地球自轉(zhuǎn)速度最快的一年。

2022年7月29日，我們經(jīng)歷了多年以來地球自轉(zhuǎn)速度最快的一天。

看到這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)，你肯定以為地球的自轉(zhuǎn)在加速。恰恰相反，從更加漫長(zhǎng)的時(shí)間尺度上來看，地球的自轉(zhuǎn)是在減速的。

地球的自轉(zhuǎn)速度受許多因素的影響，其中最重要的一個(gè)，就是月球。月球的質(zhì)量是地球的1/81，在整個(gè)太陽(yáng)系的衛(wèi)星-行星組合中是最接近的一個(gè)，對(duì)地球的影響非常大。

大約在45億年前，月球形成于地球和另外一顆行星的碰撞過程中。當(dāng)時(shí)的撞擊殘骸在距離地球不遠(yuǎn)處形成了月球，并且從此越來越遠(yuǎn)離地球。直到今天，月球仍然以每年3.8厘米的速度遠(yuǎn)離我們。

隨著月球的遠(yuǎn)離，地月系旋轉(zhuǎn)的力臂有所增加，線速度就會(huì)相應(yīng)地減少，這就是所謂的角動(dòng)量守恒，和花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員伸手、收手能影響旋轉(zhuǎn)速度是相同的原理。在月球遠(yuǎn)離的同時(shí)，地球的自轉(zhuǎn)速度仍然在穩(wěn)步地延長(zhǎng)著。根據(jù)近些年來的一些研究，地球每個(gè)白天的時(shí)長(zhǎng)都平均比前一年增加0.000015秒。

別看這個(gè)數(shù)據(jù)確實(shí)非常不起眼，如果我們把時(shí)間尺度延長(zhǎng)到幾萬、幾億年，那么這個(gè)時(shí)間的變化就十分明顯了。

比如2018年的一項(xiàng)研究表明，在距今14億年前的時(shí)候，地球自轉(zhuǎn)速度比現(xiàn)在快得多，以至于只需要18個(gè)小時(shí)就能完成一次自轉(zhuǎn)。另外還有2020年的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，4億年前的泥盆紀(jì)時(shí)期，地球的一年有差不多42天。一直到距今7000萬年前，恐龍的一天也只有23.5個(gè)小時(shí)。

這個(gè)理論和數(shù)據(jù)看起來已經(jīng)比較清晰了，但科學(xué)家們對(duì)這段歷史的細(xì)節(jié)仍然有一些爭(zhēng)論。

有人認(rèn)為，地球的自轉(zhuǎn)經(jīng)歷了一個(gè)平穩(wěn)減速的過程，逐漸減速到今天的狀態(tài)，并且繼續(xù)減速下去；另一部分科學(xué)家認(rèn)為，地球的自轉(zhuǎn)減速過程存在著不同的階段，它先減速了一段時(shí)間，一晝夜的時(shí)間延長(zhǎng)到19個(gè)小時(shí)，然后以這樣的狀態(tài)穩(wěn)定了長(zhǎng)達(dá)10億年的時(shí)間，然后又開始了新的一輪減速過程。

導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)減速暫停的原因，在于那一段時(shí)期內(nèi)，月球和地球的距離也暫時(shí)穩(wěn)定了下來。力矩不變，地月系的自轉(zhuǎn)速度自然就不會(huì)改變。有人甚至給那段時(shí)期起了一個(gè)名字——枯燥的十億年（boring billion）。

解決科學(xué)爭(zhēng)論的唯一手段，就是通過研究找到更多的證據(jù)乃至答案。遺憾的是，科學(xué)家們很難找到地質(zhì)學(xué)的現(xiàn)象作為參考數(shù)據(jù)。

理論上來說，朝向太陽(yáng)的疊層石的生長(zhǎng)可以記錄白天的長(zhǎng)度，或者根據(jù)潮汐形成的韻律層理也可以推測(cè)出一天的長(zhǎng)度。但這些現(xiàn)象都很難保存太長(zhǎng)時(shí)間，不足以讓科學(xué)家們追溯到那么遙遠(yuǎn)的歷史，這就給相關(guān)研究帶來了許多麻煩。

最近，來自中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的地球物理學(xué)家Ross Mitchell以及澳大利亞科廷大學(xué)的Uwe Kirscher最近在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature Geoscience上發(fā)表了他們的最新成果，他們的研究支持了第二種理論。

在本次研究中，兩位研究人員用了另一種方法，那就是旋回地層學(xué)。簡(jiǎn)單來說，太陽(yáng)、月球等天體，乃至地球自身的轉(zhuǎn)軸傾角等因素，都能影響地球的自轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而體現(xiàn)在地球的巖石中。利用韻律沉積層，他們可以探測(cè)天文“米蘭科維奇”旋回，這些就旋回反映了地球軌道和自轉(zhuǎn)的變化如何影響氣候，如上圖所示。

之所以前人沒有從這個(gè)角度進(jìn)行研究，是因?yàn)楸敬窝芯坎捎玫墓糯鷶?shù)據(jù)中有一大半都是最近7年才出現(xiàn)的。Mitchell介紹說：“我們意識(shí)到，終于到了測(cè)試一種關(guān)于地球古自轉(zhuǎn)的邊緣但完全合理的觀點(diǎn)的時(shí)候了。”

研究人員解釋：地球的潮汐不僅受到月球引力的影響，還受到另一方面的影響，那就是太陽(yáng)。太陽(yáng)也不僅會(huì)通過引力影響地球的潮汐，還可以通過照射的方式，給地球大氣升溫，從而改變地球的潮汐。

這種太陽(yáng)大氣潮汐和月球海洋潮汐相比要弱得多，但也無法完全忽視。它和月球的引力恰好相反，前者可以延緩地球的自轉(zhuǎn)，它卻可以推動(dòng)地球加速自轉(zhuǎn)。一旦二者達(dá)到平衡，那么地球就會(huì)進(jìn)入潮汐共振的狀態(tài)，自轉(zhuǎn)速度變化也就要平穩(wěn)下來了。

他們經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)在距今20億到10億年前期間，地球的日長(zhǎng)確實(shí)停止了增長(zhǎng)。在這“枯燥的十億年”內(nèi)，地球的日長(zhǎng)穩(wěn)定在19小時(shí)左右，其變化歷程如上圖所示。

最有趣的是，地球自轉(zhuǎn)速度保持穩(wěn)定的這十億年，幾乎恰好處在地球兩次氧氣含量大幅增加的事件之間。地球一共經(jīng)歷了兩次“大氧化事件”，第一次在距今約23.2億年前，第二次出現(xiàn)于距今約6億年前。

在幾十億年前，當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)速度比現(xiàn)在快得多的時(shí)候，月球?qū)Τ毕�的影響也僅有今天的1/4左右。而臭氧的增加比水蒸氣能吸收更多陽(yáng)光，從而提高太陽(yáng)大氣潮汐的效果，這就是二者能夠達(dá)成平衡的關(guān)鍵。

氧氣含量的大幅增加不僅給生物的呼吸提供了原料，還形成了臭氧層來保護(hù)生物不受太陽(yáng)紫外線的傷害，為今天繁榮的生態(tài)系統(tǒng)創(chuàng)造了契機(jī)。在第二次大氧化事件后不久，地球就迎來了寒武紀(jì)生命大爆發(fā)，從此進(jìn)入到繁榮的生命世界。

這也印證了另一個(gè)觀點(diǎn)，那就是地球的氧氣含量上升與復(fù)雜生命大規(guī)模爆發(fā)存在著延遲。一直到月球和太陽(yáng)產(chǎn)生的潮汐平衡被打破，地球再次減緩自轉(zhuǎn)速度，光合細(xì)菌每天才能產(chǎn)生足夠多的氧氣。

美國(guó)加州大學(xué)河濱分校的Timothy Lyons沒有參與這項(xiàng)研究，但在看到這項(xiàng)研究后不禁感嘆：“地球自轉(zhuǎn)的演變可能影響了大氣成分的演變，這一想法令人著迷。”

關(guān)于“枯燥的十億年”，科學(xué)家們?nèi)匀挥性S多需要尋找的證據(jù)去探索。但我們現(xiàn)在可以肯定，這十億年絕不是真的枯燥。正是在這十億年的時(shí)間里，地球的生機(jī)在暗中涌動(dòng)。如果沒有這十億年，地球或許不會(huì)有今天這樣繁榮的生物圈。