黄何，马超，侯明才，王成善
一天通常被认为是地球自转一周所需的时间。你有没有想过，地球自诞生以来，每一天的时间是否都跟现在一样——是24小时？答案肯定是否定的。那么，地球自转一周的时间如何演变的呢？要回答这个问题，我们需要把目光聚焦到月球上。虽然目前科学界对月球的形成机制还存在争议，但是通过对月球年龄的测定，科学家发现月球在地球诞生后3000-5000万年后就形成了（Barboni et al., 2017）（参见沉积之声 2023年11月15日 约45亿年前——月球的诞生）。月球作为地球唯一的天然卫星，伴随了地球约45亿年，它紧密地和地球演化联系在一起。其中，最重要的影响就是为地球自转“踩刹车”。
图1 牛顿、康德、达尔文，他们对潮汐理论的发展起到了重要作用
1687年，艾萨克·牛顿在他的著作《自然哲学的数学原理》一书中，用万有引力定律来描述地球和月球的运行规律，并且用该原理解释了地球上潮汐涨落的现象，指出潮汐的强弱和地-月的相对位置有关。德国著名哲学家伊曼纽尔·康德在1754年进一步指出，月球的引力使地球的海洋和固体部分（地壳及地幔）产生潮汐隆起，当地球在这些凸起下旋转时，由于凸起的方向和引力的方向存在一个夹角，这就会使得地球自转的角动量转移到月球的运行轨道上（图2）。在过去了134年之后，1898年乔治·达尔文（查尔斯·达尔文的次子），在他的《太阳系中的潮汐现象》一书中首次从数学和物理的角度指出了地-月引力潮汐导致的地球自转减速和月球远离地球的现象。随后，美国宇航局（NASA）在1961-1972期间开启了“阿波罗登月计划”，掀起了探索太空的热潮，这项计划给我们留下了很多的科学财富。通过阿波罗计划，我们已经知道了现今的月球远离地球的速率大约为3.82厘米/年；月球的年龄约为45.1亿年（Barboni et al., 2017）。这为我们重建地-月系统过去约45亿年的潮汐历史，提供了两个最重要的约束条件（如：Webb,1982; Laskar et al., 2004; Tyler, 2021; Daher et al., 2021;Farhat et al., 2022）。此外，这两个条件也指出了现今的月球远离速率远大于地质历史时期的远离速率，这是因为我们按照现今的月球远离速率去反推月球形成的年龄时，得到月球将在过去大约15亿年的时候与地球相撞，这显然与月球的形成年龄不符合。在过去四十年来，通过数值拟合这两个边界条件，我们得到了一系列的潮汐模型（如：Webb,1982; Tyler, 2021; Daher et al., 2021; Farhat et al., 2022），但由于它们的计算方式不同，其结果表现出了较大的差异。因此，我们需要更多的地质数据来约束和验证这些模型（如：Meyers and Malinverno, 2018; Huang et al., 2020; Zhou et al., 2022; Zeeden et al., 2023; Huang et al., 2024）。
图2 达尔文潮汐模型（Laskar et al., 2024）
月球在地球上产生潮汐隆起，但由于地球在进行自转，就导致潮汐隆起略微偏离地球-月球引力方向（角度δ）。这会产生制动扭矩，减缓地球的自转，由于地月系统中的角动量守恒，月球将会远离地球。
化石、潮汐沉积、旋回地层是目前可用于计算地球自转周期、地-月距离等天文参数的地质记录（图3）。在阿波罗计划的同时期，古生物学家就提出，可利用化石钙质壳体的生长层来反映地球的自转周期（Wells, 1963; Pannella,1968），从而达到重建地质历史时期的地球自转减速历史的目的。但是，宏观大化石记录存在分布时代的局限性（显生宙以来）、生长周期解释不明确、数据误差大等的缺点（Pannella, 1972）。同样地，潮汐沉积能够记录月球绕地球的运行周期，通过对潮汐记录的计数分析，能够得到每月的天数、每年的月数以及地-月距离(Williams,1990,1997; Snoett et al., 1996; Kvale,2006)。但是，潮汐记录仍然存在较大的缺点，如潮汐记录在地质历史中保存和分布极少、容易受到沉积作用改造、周期解释存在较大不确定性等（Williams,2000; Kvale,2006）。因此，目前的研究认为，利用化石和潮汐记录重建的地-月演化天文参数存在较大的不确定性（Laskar et al., 2024）。
图3 化石、潮汐层、旋回层与天文轨道信息
旋回地层学是近40年发展起来的地层学分支学科，它通过识别地层中的天文旋回信号来赋予沉积地层连续的、高分辨率的时间标尺（Hinnov, 2000）。其中，斜率周期和岁差周期的变化与地球自转参数密切相关，由于地球自转逐渐变慢，斜率周期和岁差周期也因此变长（图4）（Laskar et al., 2004； Waltham, 2015）。
图4 过去250 Ma期间的斜率（左）、岁差（右）周期变化
因此，我们能够通过分析不同时代的旋回地层数据，利用斜率或者岁差周期的变化，来重建地球自转参数的变化（如：Huang et al., 2020; Zhong et al., 2020）。此外，旋回地层数据分布广泛、时代跨度大、数据分析方法科学，目前被认为是重建地质历史时期地球自转减速历史最佳的材料（Laskar et al., 2024）。近几年来，利用旋回地层学分析方法成功地获得了地球自转参数、地-月距离等重要信息（Meyers and Malinverno, 2018; Huang et al., 2020, 2024; Zhou et al., 2022；Lantink et al., 2022; Zeeden et al., 2024）。这些地质重建结果被证明与最新的潮汐理论模型吻合较好（Farhat et al., 2022; Huang et al., 2024）。但是，我们仍然缺乏足够多的、可靠的重建数据去验证理论模型，进而揭示地球自转减速与地球演化的关系。
针对以上的认识不足，我们联合国际著名天文学家Jacques Laskar（雅克·拉斯卡尔）团队以及德国、爱尔兰的团队，分析了大量全球范围内的地质记录，筛选出中国、捷克、克罗地亚、加拿大、瑞典、澳大利亚和南非等地区保存完好的地质记录，通过计算获得了过去7亿年前至2亿年前的地球自转周期、地球一天的时长、以及地球与月球之间的距离。通过整合该时间段已发表的数据，成功获得了分辨率较高的地球自转减速的演化轨迹（图5）。通过拟合这些数据点，得到了地球从过去7亿年至2亿年的“阶梯状”自转减速模式（图5）。研究结果揭示了7亿年前（寒武纪生命大爆发前1.5亿年）至2亿年前（恐龙登上地球舞台），地月距离增加了约2万公里，即每100年增加约4米；日长增加了约2.2小时，即每100年增加约1.58毫秒（Huang et al., 2024）。通过对比已有的潮汐模型，发现目前所有的地质数据与Farhat et al.(2022)提出的模型（F22模型）最为吻合（Huang et al., 2024）。主要的原因可能在于F22模型采用了最新的潮汐理论方程以及考虑到了地球古地理动态演化的影响（Farhat et al.,2022）。此外，地质记录和F22模型均显示了在过去大约500-350百万年期间，地球自转减速出现了停滞现象（图5）。
图5 旋回数据重建过去7亿年至2亿年的地球自转速率变化及其趋势
地球的动态椭球度变化和潮汐耗散作用是影响地球自转过程的两个主要原因。尽管在长时间尺度，潮汐耗散作用作为主导因素，使得地球自转速率一直在变慢。但是，在短时间尺度，由地球表层质量分布变化引起的动态椭球度变化，如：“板块运动、地幔对流、冰川发育”，会使得地球自转速率快速发生变化（Lourens et al., 2001）。本次研究发现在过去大约500-350百万年期间，地球自转减速基本停滞，可能的原因有以下两个：1）海洋潮汐作用很弱；2）地球动态椭球度变化引起的地球自转变化与潮汐作用引起的地球自转减速相互抵消。在500-350百万年期间，地球自转减速停滞似乎与该时期的超大陆聚合和冰川发育相吻合。此外，F22潮汐模型揭示该时期的海洋潮汐作用极其微弱。因此，为了验证该时期地球自转减速停滞的原因，我们通过数值计算来评估和对比地球动态椭球度变化与潮汐耗散作用对地球自转的影响大小。图6显示，地球表面和内部质量重新分布主导了当今动态椭圆率的变化。然而，对于自转速度更快的地球，潮汐摩擦的贡献显著增加，并且在地球自转周期小于23小时45分钟的情况下，潮汐摩擦是影响地球自转的主要因素。因此，对于古生代500-350Ma期间，较弱的潮汐作用是地球自转减速停滞的原因。但是，对于短时间尺度，冰川发育引起的地球动态椭球度变化也会影响地球自转速率。
图6 不同地质过程对地球动态椭球度变化的影响
地球的构造和气候演变影响了地球潮汐耗散和动态椭圆率的变化，最终控制了地球的自转减速演变。因此，研究人员预测地球自转与特定地质过程之间存在一定的关系，并提出了多种假说。例如，日长变化可能会影响地球光照的分布和昼夜温度梯度，从而可能影响天气系统和大气动力学。前人的研究还表明，日长的变化通过影响了地球的昼夜光照，进而影响了大氧化事件（GOE，约23亿年前）前后的净氧气产量（Klatt et al., 2021）。
图7 地球日长变化，大气氧浓度和物种丰度曲线
在我们的研究结果中，时长（LOD）的第一个快速增加区间（650-500 Ma）与新元古代氧化事件（NOE）和寒武纪生命大爆发在时间上有一定的重叠（图7）。LOD的第二个快速增加区间（350-280 Ma）与古生代氧化事件（POE）和晚石炭世至早二叠世的生物多样性事件在时间上具有一致性（图7）。因此，我们推测日长的快速变化可能在这两次氧化事件中起到触发机制作用，类似于GOE（Klatt et al., 2021）。此外，LOD的两个高斜率变化是由增强的海洋潮汐消散引起的（Farhat et al., 2022）。这意味着在这两个时期，海洋具有较强的潮汐混合条件，这将有利于形成氧化的海洋环境，并有利于海洋生态系统的生存和进化。因此，我们推测，地球自转的两个主要减速期可能为早期海洋生态系统的演化提供了必要的条件。但是，我们还需要更多的研究来支持这一假说。
本文第一作者为成都理工大学研究员，第二、三作者为成都理工大学教授，第四作者为中国地质大学（北京）教授。本文主要观点来自Huang and Ma et al. (2024) PNAS论文（He Huang, Chao Ma*, Jacques Laskar, Matthias Sinnesael, Mohammad Farhat, Nam H. Hoang, Yuan Gao, Christian Zeeden, Mingcai Hou, Chengshan Wang. 2024. Geological evidence reveals a staircase pattern in Earth’s rotational deceleration evolution. Proceedings of the National Academy of Sciences 121(33): e2317051121.）。相关问题交流、合作可通过邮箱[email protected]与本人联系。欲知更多详情，请参考以下文献。
部分参考文献
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