Dzień nie zawsze miał 24 godziny. W rzeczywistości zaczynał trwać tylko 4 godziny. Przyczyny tej ekstremalnej zmienności wyjaśnił planetolog Takanori Sasaki z Uniwersytetu w Kioto podczas warsztatów fizycznych drugiej fazy Intercontinental Academia (ICA), 9 marca.
Sasaki powiedział, że formowanie się Ziemi i Księżyca, 4,5 miliarda lat temu, oraz wpływ Księżyca na planetę są czynnikami determinującymi zmienność długości dnia i miesiąca w całej historii Ziemi.
Planetarysta Takanori Sasaki
Według niego, najbardziej akceptowaną hipotezą wyjaśniającą pochodzenie Księżyca jest wystąpienie gigantycznego zderzenia pomiędzy ciałem wielkości Marsa a tym, co można nazwać proto-Ziemią.
Ale kiedy dokładnie doszło do tego zderzenia? Sasaki wyjaśnił, że aby mieć to pytanie odpowiedzi naukowcy analizują transformację izotopu hafnu-182 do izotopu wolframu-182. „Hafn jest lithophile (rock-loving) element i wolfram jest siderophile (żelazo kochający) element, odpowiednio związane z płaszcza i jądra gwiazdy.
Według Sasaki, gigantyczny wpływ wyprodukował ocean magmy na proto-Ziemi, która wydaje się prowadzić do znacznej separacji między metalu i krzemianów. Zatem wiek separacji hafnu i wolframu (Hf-W) byłby wiekiem ostatniego gigantycznego uderzenia, czyli wiekiem Ziemi i Księżyca. „Można obliczyć, ile wolframu ma płaszcz i w ten sposób określić wiek planety”. Używając tej metody, stwierdzono, że Ziemia i Księżyc pojawiły się na początku Układu Słonecznego, 62 miliony lat po powstaniu układu, 4,5 miliarda lat temu.
Zderzenie wygenerowało dużą liczbę fragmentów wokół Ziemi, które następnie przegrupowały się dając początek Księżycowi na orbicie tuż powyżej granicy Roche’a (minimalna odległość od środka planety, w jakiej satelita może orbitować bez zniszczenia przez nasilenie sił pływowych), powiedział Sasaki. Ta granica znajduje się w odległości trzy razy większej od promienia Ziemi, ale teraz Księżyc znajduje się w odległości 60 razy większej od promienia i powinien przestać się oddalać, gdy odległość osiągnie 80 razy większą od promienia, za wiele miliardów lat.
Aby zmierzyć odległość między Ziemią a Księżycem naukowcy używają czasu: jak długo trwa dotarcie wiązki laserowej do Księżyca, jej odbicie i dotarcie do Ziemi. Eksperyment Lunar Laser Ranging wykorzystuje tę metodę, a pierwszego pomiaru dokonano w 1969 roku. Dzięki tej metodzie ustalono, że Księżyc znajduje się w odległości 384 400 km od Ziemi. Następnie Eksperyment odkrył zaskakujący fakt: analizując dane od stycznia 1992 roku do kwietnia 2001 roku, naukowcy stwierdzili, że Księżyc oddala się o 3,8 cm rocznie. „Jeśli to prawda, to Księżyc był znacznie bliżej w przeszłości” – powiedział Sasaki.
Istnieje wymiana momentu pędu między Księżycem a Ziemią. Sasaki przytoczył hipotezę, o której wspomina podręcznik z tej dziedziny, „Solar System Dynamics” Carla Murraya i Stanleya Dermotta: „Jest wysoce prawdopodobne, że orbita Księżyca i obrót Ziemi uległy znacznym zmianom w czasie istnienia Układu Słonecznego, szczególnie z powodu działania pływów półtorawieczornych powodowanych przez Księżyc w stosunku do Ziemi.”
To oznacza, że Księżyc przyciąga masę wody, a to zmniejsza prędkość obrotu Ziemi. W tym samym czasie pływy przesuwające się w wyniku obrotu Ziemi przyciągają Księżyc, zyskując moment pędu i stopniowo oddalając się. Księżyc również staje się wolniejszy, skracając czas trwania miesiąca.
Sasaki wyjaśnił, że zgodnie z III prawem Keplera (kwadrat okresu orbitalnego planety jest wprost proporcjonalny do sześcianu połowy osi głównej jej orbity), im bliżej Słońca, tym większa prędkość planety, a im dalej, tym wolniej. Dotyczy to również układu Księżyc-Ziemia.
Próba udowodnienia zmienności długości miesięcy została podjęta przez dwóch naukowców, którzy badali strukturę pewnego rodzaju muszli morskiej. Dla Sasakiego „jest to kontrowersyjny artykuł, ale dostarcza kilku interesujących kierunków”. Muszle rozwijają linie dziennego wzrostu w segmentach z miesięcznym wzrostem. Analizując muszle dzisiaj, okazuje się, że mają one 30 rzędów na segment, co oznacza 30-dniowy miesiąc. „W skamieniałych muszlach sprzed 400 milionów lat jest tylko 9 wierszy na segment, zakładając, że miesiąc trwał 9 dni. Wskazuje to, że Księżyc obracał się szybciej wokół Ziemi i w odległości o 40% mniejszej niż obecnie.”
W końcu jak długo trwał dzień, gdy powstała Ziemia i Księżyc? „Na początku Księżyc znajdował się w odległości trzykrotnego promienia Ziemi, zaraz za granicą Roche’a. Przy tej odległości i oszacowanym momencie pędu można powiedzieć, że dzień trwał tylko 4 godziny. Z czasem Księżyc oddalił się i długość dnia wzrosła: gdy planeta i jej satelita miały 30 000 lat, dzień trwał 6 godzin; gdy miały 60 milionów lat, dzień trwał 10 godzin.”
Na koniec swojej prezentacji Sasaki przedstawił wykres odnoszący rozwój życia („choć nie jest ekspertem w tej kwestii”) do długości dnia w czasie. Zgodnie z nim, pierwsze dowody na istnienie życia, 3,5 miliarda lat temu, miały miejsce, gdy dzień trwał 12 godzin. Pojawienie się fotosyntezy, 2,5 miliarda lat temu, miało miejsce, gdy dzień trwał 18 godzin. 1,7 miliarda lat temu dzień miał 21 godzin i pojawiły się komórki eukariotyczne. Życie wielokomórkowe rozpoczęło się, gdy dzień trwał 23 godziny, 1,2 miliarda lat temu. Pierwsi przodkowie człowieka powstali 4 miliony lat temu, kiedy dzień był już bardzo bliski 24 godzinom.