Hvordan livet kunne hjælpe atmosfæriske tidevand med at bremse planetenes rotation

Resonerende svingninger af en planets atmosfære forårsaget af tyngdekrafts tidevand og opvarmning fra dens stjerne kan forhindre en planets rotation i at aftage støt over tid, ifølge ny forskning af Caleb Scharf, som er direktør for astrobiologi ved Columbia University. Hans fund tyder på, at effekten forstærkes for en planet med en atmosfære, der er blevet iltet af liv, og de resulterende 'atmosfæriske tidevand' kunne endda fungere som en biosignatur.

Tidevand kan fordreje en planets masse, hvilket igen påvirker dens rotation. Vi er mest bekendt med gravitationelle tidevand, som vi på Jorden føler fra tyngdekraften af ​​Månen og Solen. Disse gravitationelle tidevand skaber buler, når jorden spinder, og månen og solen trækker på de buler, bremse spindet.

Derimod atmosfæriske tidevand, nogle gange kaldet termisk eller solar tidevand, opstår, når sollys opvarmer overfladen og luften på Jordens dagside. Denne opvarmning flytter atmosfærens masse fra det varmeste punkt til de køligere punkter på planeten. Som med gravitationelle tidevand, atmosfæriske tidevand forårsager buler, der er sårbare over for tyngdekraften. Disse buler ændrer subtilt formen på Jordens atmosfære, strække den fra en kugle til noget lidt mindre symmetrisk og mere elliptisk. Scharf foreslår at forestille sig et 'håndtag' på jorden, og de kræfter, der trækker i det atmosfæriske håndtag, kan derefter hjælpe med at fremskynde eller bremse planetens rotation.

Resonansfrekvenser

Som regel, virkningerne af disse termiske tidevandskræfter er relativt små, men virkningerne kan øges under visse omstændigheder, såsom i resonanser. Disse er naturlige vibrationsfrekvenser, der beskriver broernes bevægelse i vinden, eller blive skubbet højere og højere på en gynge. Atmosfærisk omfordeling forstærkes, når planetens rotationshastighed matcher den naturlige frekvens af atmosfærens svingning.

Scharf bruger en anden metafor til at forklare resonans:"Det er som at spille en violin, " han fortæller Magasinet Astrobiologi . "Atmosfæren er en violinstreng viklet rundt om planeten. Hvis du trækker stævnen med den korrekte hastighed hen over strengen, du får den rigtige tone og den højeste lyd."

Forskere mener, at resonans opstod med Jorden, da dens dage var omkring 21 timer lange. Den dagslængde ville have skabt et højdepunkt i den atmosfæriske bevægelse, hvilket betyder, at det ville have følt de stærkeste tidevands træk fra solen og månen, skaber et særligt stort 'håndtag' og maksimalt drejningsmoment. Ved den resonans, en stjernes indflydelse på planetens atmosfære er størst, ligesom virkningerne på planetens rotation. Et fænomen kaldet 'resonant fangst' kan forekomme, når de modsatrettede kræfter, der udøves på det atmosfæriske håndtag, og ved planetens sædvanlige tyngdekraftsvande, nå ligevægt, fastlåsning af planetens rotationshastighed.

At bryde ud af fælden

Ifølge Scharf, forskning tyder på, at Jorden kan have været fanget i resonans ved en 21-timers daglængde i "hundreder af millioner af år, " måske i den prækambriske æra for over 500 millioner år siden. Virkningerne af resonansfangst er svære at måle af sig selv, men generelt bemærker Scharf, at planeter med hurtigere rotationer har varmere ækvatorer og køligere poler. At være resonant fanget kan have påvirket Jordens klima, men vigtigere er den rolle, som resonansfangst spiller i klimaudviklingen.

Resonans kan (og i tilfældet med Jorden med nød ville være blevet brudt) af temperatursvingninger, såsom en hurtig opvarmning efter en dybfrysning, som ville genstarte stigningen i daglængden over millioner af år, efterhånden som en planets rotation fortsætter med at aftage.

For eksempel, det er muligt for 3 til 4 milliarder år siden, Jorden havde en 12-timers dag, og at det med tiden forlængede til 24 timer. På et tidspunkt i en fjern fremtid, en jorddag kan være længere end 24 timer.

Et almindeligt fænomen

Da de fleste planeter oplever tyngdekrafts tidevand, der kan påvirke deres rotation, Scharf mener, at andre stenede planeter i sidste ende ville opleve resonant fangst, hvilket resulterer i, at en dagslængde holdes konstant i lang tid.

Rory Barnes, en professor ved University of Washingtons NASA Virtual Planetary Laboratory, er enig i, at denne proces kan være udbredt.

"Mens Scharf gengav tidligere resultater for Jorden, hans model af dette komplicerede fænomen er enkel og elegant, "siger han." Dog, det er svært at sige endegyldigt, hvad virkningerne på en bestemt planet kan være, på grund af klimaets komplicerede indflydelse, atmosfæriske forhold, størrelse, osv. Men Scharfs første ordens forsøg på at adskille disse faktorer giver ideer til yderligere forfining. "

En særlig interessant implikation af Scharfs arbejde er muligheden for, at biologisk aktivitet også kan påvirke en planets rotation. Molekyler som ozon gør atmosfæren varmere, hvilket gør termisk tidevand stærkere og flytter resonansen til kortere dagslængder. Hvis livet på en planet producerer ilt, planeten ville akkumulere ozon, der fremmer resonantfangst tidligere i en planets historie. Sådanne muligheder "afhænger alle af hændelsesforløbet, "siger Scharf. Hvis Jorden var midt i en resonans, ozonstigninger kan bryde det; hvis Jorden allerede havde oplevet resonans, den kunne komme ind i den tilstand igen.

En positiv feedback for livet?

Million-dollar-spørgsmålet er, om rotationsændringerne produceret af iltning eller ozon ville være befordrende for liv. Er dette en positiv feedback -proces, der hjælper livet med at påvirke dets planetmiljø på en sådan måde, at det hjælper med at udbrede det liv? Scharf siger, at det er for tidligt at sige med sikkerhed, men hvis biologisk aktivitet kan hjælpe med at låse resonansstilstanden fast, tilstedeværelsen af ​​liv kunne generere en feedback-loop.

Hvis videnskabsmænd kunne få flere data om udviklingen af ​​Jordens rotation i løbet af de sidste fire milliarder år, de kunne "sammenligne det med vores data om atmosfærisk iltning og lede efter korrelationer, der kan tyde på iltningens virkninger på resonantfangst - hvilket ville være temmelig svimlende, men ganske muligt, "siger Scharf. Barnes er enig, kalder dette en "provokerende idé, der fortjener yderligere undersøgelser."

En anden idé til fremtidig undersøgelse er, om planetariske rotationshastigheder kunne yde omstændig støtte til den potentielle beboelighed på en planet.

"Det er utroligt svært at opdage planeternes rotationshastigheder, siger Scharf, "men i betragtning af fremskridtene inden for exoplanetariske videnskaber, måske er der en måde at gøre det på. "

Selv hvis videnskabsmænd kunne finde ud af, hvordan man måler rotationshastigheden af ​​klippeplaneter, Scharf tvivler på, at de ville finde en 'rygende pistol', der kausalt forbinder tilstedeværelsen af ​​biologisk liv. Imidlertid, rotationshastighedsberegninger kunne være et af de mange værktøjer, astrobiologer bruger til at søge efter planeter, der understøtter liv. Barnes ville elske at se "et eksperiment, der isolerer biologiens rolle for en planets rotationshastighed og potentielle beboelighed, "men i mellemtiden, han vil tilføje rotationshastighedsobservationer til sin udenjordiske tjekliste.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NASAs Astrobiology Magazine. Udforsk Jorden og videre på www.astrobio.net.