Een dag is niet altijd 24 uur lang geweest. In feite begon hij slechts 4 uur te duren. De redenen voor deze extreme variatie werden uitgelegd door de planetaire wetenschapper Takanori Sasaki, van de universiteit van Kyoto, tijdens de natuurkundeworkshop van de tweede fase van de Intercontinentale Academia (ICA), op 9 maart.
Sasaki zei dat de vorming van de Aarde en de Maan, 4,5 miljard jaar geleden, en de invloed van de Maan op de planeet bepalend zijn voor de lengtevariatie van een dag en een maand in de loop van de geschiedenis van de Aarde.
Planetaire wetenschapper Takanori Sasaki
Volgens hem is de meest geaccepteerde hypothese om het ontstaan van de Maan te verklaren het optreden van een reusachtige botsing tussen een lichaam ter grootte van Mars en wat de proto-Aarde zou kunnen worden genoemd.
Maar wanneer vond deze botsing precies plaats? Sasaki legde uit dat om deze vraag te kunnen beantwoorden onderzoekers de omzetting van de isotoop hafnium-182 in de isotoop wolfraam-182 analyseren. “Hafnium is een lithofiel (rotsminnend) element en wolfraam is een siderofiel (ijzerminnend) element, respectievelijk verbonden met de mantel en de kern van een ster.”
Volgens Sasaki heeft de reusachtige inslag een magma-oceaan op de proto-aarde doen ontstaan, wat lijkt te hebben geleid tot een aanzienlijke scheiding tussen metaal en silicaten. De leeftijd van de hafnium-wolfraamscheiding (Hf-W) zou dus de leeftijd van de laatste reusachtige inslag zijn, dat wil zeggen de leeftijd van de Aarde en de Maan. “Het is mogelijk te berekenen hoeveel wolfraam de mantel heeft en zo de leeftijd van de planeet te bepalen.” Met behulp van deze methode is geconcludeerd dat de Aarde en de Maan zijn ontstaan aan het begin van het zonnestelsel, 62 miljoen jaar na het ontstaan van het stelsel, 4,5 miljard jaar geleden.
De inslag heeft een groot aantal fragmenten rond de Aarde gegenereerd, die zich vervolgens hebben gehergroepeerd waardoor de Maan is ontstaan in een baan net boven de Roche-limiet (minimale afstand van het middelpunt van de planeet die een satelliet kan omcirkelen zonder te worden vernietigd door de hevigheid van de getijdenkrachten), aldus Sasaki. Deze limiet ligt op een afstand van drie keer de straal van de Aarde, maar nu bevindt de Maan zich op een afstand van 60 keer de grootte van de straal, en zou moeten stoppen met weg te bewegen wanneer de afstand 80 keer de grootte van de straal bereikt, over een veelmiljard jaar.
Om de afstand tussen de Aarde en de Maan te meten gebruiken wetenschappers tijd: hoe lang het duurt voor een laserstraal om de Maan te bereiken, gereflecteerd te worden en de Aarde te bereiken. Het Lunar Laser Ranging Experiment maakt gebruik van deze methode en de eerste meting werd verricht in 1969. Met deze methode werd vastgesteld dat de Maan zich op 384.400 km van de Aarde bevindt. Toen ontdekte het experiment een verrassend feit: bij het analyseren van de gegevens van januari 1992 tot april 2001 stelden de onderzoekers vast dat de maan 3,8 cm per jaar van de aarde wegschuift. “Als dit klopt, dan was de Maan in het verleden veel dichterbij,” zei Sasaki.
Er is een uitwisseling van impulsmoment tussen de Maan en de Aarde. Sasaki haalde een hypothese aan die wordt genoemd in het naslagwerk op dit gebied, “Solar System Dynamics,” van Carl Murray en Stanley Dermott: “Het is zeer waarschijnlijk dat de baan van de Maan en de draaiing van de Aarde gedurende het bestaan van het zonnestelsel aanzienlijk zijn veranderd, vooral door de werking van de half-urnale getijden die door de Maan op de Aarde worden veroorzaakt.”
Dit betekent dat de Maan de massa van het water aantrekt en dit vermindert de snelheid van de draaiing van de Aarde. Tegelijkertijd trekt het door de draaiing van de Aarde verschuivende getij de Maan aan, waardoor het impulsmoment toeneemt en de afstand geleidelijk afneemt. De Maan wordt ook langzamer, waardoor de duur van de maand afneemt.
Sasaki legde uit dat volgens de 3e Wet van Kepler (het kwadraat van de omlooptijd van een planeet is recht evenredig met de kubus van de halve hoofdas van zijn omloopbaan), hoe dichter bij de Zon, hoe hoger de snelheid van een planeet, en hoe verder weg, hoe langzamer. Dit geldt ook voor het Maan-Aarde systeem.
Een poging om de variatie in maandlengte te bewijzen is gedaan door twee onderzoekers die de structuur van een bepaald type zeeschelp bestudeerden. Voor Sasaki “is dit een controversieel artikel, maar het geeft een aantal interessante aanwijzingen.” De schelpen ontwikkelen lijnen van dagelijkse groei in segmenten met maandelijkse groei. Bij het analyseren van de huidige schelpen, blijkt dat ze 30 rijen per segment hebben, wat een maand van 30 dagen betekent. “In fossiele schelpen van 400 miljoen jaar geleden zijn er slechts 9 lijnen per segment, ervan uitgaande dat de maand 9 dagen duurde. Dit wijst erop dat de Maan sneller rond de Aarde draaide en op een afstand die 40% kleiner was dan de huidige.”
Hoe lang duurde een dag immers toen de Aarde en de Maan ontstonden? “In het begin bevond de maan zich op een afstand van drie keer de straal van de aarde, onmiddellijk na de Roche-limiet. Met deze afstand en het geschatte impulsmoment kan worden gesteld dat de dag slechts 4 uur duurde. Na verloop van tijd verwijderde de maan zich en nam de lengte van de dag toe: toen de planeet en haar satelliet 30.000 jaar oud waren, duurde de dag 6 uur; toen zij 60 miljoen jaar oud waren, duurde de dag 10 uur.”
Aan het eind van zijn presentatie presenteerde Sasaki een grafiek die de ontwikkeling van het leven (“hoewel hij geen expert op dit gebied is”) in verband bracht met de lengte van de dag door de tijd heen. Volgens deze grafiek vond het eerste bewijs van leven, 3,5 miljard jaar geleden, plaats toen de dag 12 uur duurde. Het ontstaan van fotosynthese, 2,5 miljard jaar geleden, vond plaats toen de dag 18 uur duurde. 1,7 miljard jaar geleden duurde de dag 21 uur en ontstonden de eukaryote cellen. Het meercellige leven begon toen de dag 23 uur duurde, 1,2 miljard jaar geleden. De eerste menselijke voorouders ontstonden 4 miljoen jaar geleden, toen de dag al bijna 24 uur lang was.