Full Moon, Full Earth: Astronomy Picture of the Day del 7 agosto 2015. Immagine della Deep Space Climate Observatory (Dscovr) spacecraft’s Earth Polychromatic Imaging Camera (Epic), che si trovava oltre l’orbita della Luna, dietro alla Luna, tra la Luna e il Sole. Credit: Nasa, Noaa / Dscovr
Per tutti quelli che desiderano giornate più lunghe di 24 ore, i geologi hanno buone notizie: i giorni sulla Terra si stanno allungando. Un nuovo studio ricostruisce la storia della relazione del nostro pianeta con la Luna e mostra che, 1.4 miliardi di anni fa, un giorno sulla Terra durava poco più di 18 ore. Questo, almeno in parte, è dovuto al fatto che la Luna era più vicina e ha cambiato il modo in cui la Terra ruotava attorno al suo asse.
Il sistema Terra-Luna può essere paragonato a una pattinatrice che esegue una trottola, la cui velocità di rotazione cambia allontanando o avvicinando le braccia al corpo. «Mentre la Luna si allontana, la Terra si comporta come una pattinatrice che sta girando su se stessa e che rallenta la sua rotazione allargando le braccia», spiega Stephen Meyers, professore di geoscienza presso la University of Wisconsin-Madison e coautore dello studio appena pubblicato nei Proceedings of the National Academy of Sciences.
Lo studio descrive un metodo statistico che collega teoria astronomica con osservazione geologica (in quella disciplina che viene chiamata astrocronologia) per guardare indietro nel tempo, nel passato geologico della Terra, al fine di ricostruire la storia del Sistema solare e comprendere gli antichi cambiamenti climatici impressi nei sedimenti.
«Una delle nostre ambizioni è usare l’astrocronologia per raccontare il tempo nel passato più remoto, per sviluppare scale temporali geologiche molto antiche» dice Meyers. «Vogliamo essere in grado di studiare rocce che sono vecchie miliardi di anni così come studiamo i moderni processi geologici».
Il movimento della Terra nello spazio è influenzato dagli altri corpi celesti, come gli altri pianeti e la Luna, che esercitano una forza sul nostro pianeta che determina le variazioni della rotazione e l’oscillazione della Terra intorno al suo asse, nonché dell’orbita della Terra intorno al Sole. Le variazioni dei parametri orbitali della Terra sono conosciute come cicli di Milankovitch, che determinano il modo in cui la luce del Sole si distribuisce sulla Terra e determinano i ritmi climatici sulla Terra stessa. Scienziati come Meyers hanno trovato riscontro di questi ritmi climatici nei sedimenti, riuscendo ad andare indietro nel tempo di centinaia di milioni di anni.
Tuttavia, andare ancora più indietro, su una scala di miliardi di anni, si è rivelato difficile perché i tipici mezzi usati dai geologi, come ad esempio la datazione con radioisotopi, non forniscono la precisione necessaria per identificare i cicli. A complicare la situazione si aggiunge la scarsa conoscenza della storia della Luna, nonché il presunto caos nelle dinamiche dell’intero Sistema solare, almeno secondo una teoria proposta dall’astronomo parigino Jacques Laskar nel 1989. Per caos non si intende disordine o anarchia dei corpi celesti che fanno parte del Sistema solare, bensì il fatto che una minima variazione nelle condizioni iniziali possa portare a grandi cambiamenti milioni di anni dopo. Cercare di tenere conto di questo caos è un po’ come cercare di ripercorrere l’effetto farfalla al contrario, cercandone l’origine.
La conformazione rocciosa nei pressi di Big Bend, Texas, mostra strati alternati di scisto e calcare caratteristica della roccia sedimentata sul fondo marino durante il tardo Cretaceo. Le analisi condotte sulla roccia hanno dimostrato che le orbite dei pianeti del Sistema solare non hanno un comportamento regolare, quasi periodico, tendendo piuttosto alla caoticità. Crediti: Bradley Sageman, Northwestern University
L’anno scorso, Meyers e colleghi hanno trovato in alcuni sedimenti rocciosi del Nord America la prima prova inequivocabile dell’instabilità orbitale del Sistema solare. In questi sedimenti, presenti in una formazione rocciosa di 90 milioni di anni, sono rimasti impressi i cicli climatici della Terra. Tuttavia, analizzando la roccia, le loro conclusioni si sono rivelate sempre meno affidabili andando indietro nel tempo. Per esempio, attualmente la Luna si sta allontanando dalla Terra a una velocità di 3,82 centimetri all’anno. A questa velocità, gli scienziati hanno provato a estrapolare la distanza Terra-Luna indietro nel tempo. «Prima di 1,5 miliardi di anni fa, la Luna sarebbe dovuta essere così vicina alla Terra che le interazioni gravitazionali avrebbero dovuto distruggerla», spiega Meyers. Ma sappiamo che l’età della Luna è di circa 4,5 miliardi di anni.
Meyers ha quindi cercato un modo migliore per tenere conto delle interazioni con i pianeti vicini avvenute miliardi di anni fa, per capire l’effetto che hanno avuto sulla Terra e sui suoi cicli di Milankovitch. Ha presentato questo problema in un discorso tenuto alla Lamont-Doherty Earth Observatory della Columbia University mentre era in anno sabbatico, nel 2016. Quel giorno tra gli spettatori era presente Alberto Malinverno, professore alla Lamont, che ha intuito come risolvere il problema di Meyers. I due ricercatori hanno iniziato una proficua collaborazione per combinare un metodo statistico sviluppato da Meyers nel 2015 per affrontare l’incertezza nel corso del tempo – chiamato TimeOpt – con teoria astronomica, dati geologici e un sofisticato approccio statistico chiamato inversione bayesiana, che consente ai ricercatori di ottenere una migliore gestione dell’incertezza del sistema che si sta studiando.
Xiamaling Formation in China. Crediti: Don Canfield
Hanno quindi testato l’approccio, chiamato TimeOptMcmc, su due strati stratigrafici: uno proveniente dalla formazione Xiamaling nel nord della Cina, di 1.4 miliardi di anni, e l’altro proveniente dal Walvis Ridge, nell’Oceano Atlantico meridionale, risalente a circa 55 milioni di anni. Con il loro sistema sono stati in grado di valutare la direzione dell’asse di rotazione terrestre e la forma della sua orbita, sia in tempi recenti che più lontano nel tempo, quantificandone anche l’incertezza. Inoltre, sono riusciti determinare la lunghezza del giorno e il distanza tra la Terra e la Luna.
Per chiarire meglio le modalità e l’obiettivo dello studio pubblicato, Media Inaf ha intervistato Malinverno.
Professor Malinverno, può riassumerci i risultati del vostro studio?
«L’orbita e la rotazione della Terra oscillano in cicli causati dagli effetti gravitazionali di altri pianeti e della Luna che durano da decine a centinaia di migliaia di anni. Questi cicli astronomici, noti come cicli di Milankovitch, provocano cambiamenti nella quantità di radiazione solare che raggiunge la Terra, influenzando il clima globale. I risultanti cicli climatici sono registrati in sequenze di sedimenti antichi; per esempio, l’alternanza di climi umidi o secchi genera sedimenti che contengono quantità maggiori o minori di materiale eroso dai continenti e che si depositano sul fondo del mare.
I cicli di Milankovitch sono stati usati per datare sedimenti e studiare la storia dei cambiamenti climatici negli ultimi 50 milioni di anni, ma estendere queste analisi nel tempo più remoto è stato difficile a causa delle incertezze nell’estrapolare i periodi dei cicli di Milankovitch. Nel nostro lavoro abbiamo applicato i più recenti metodi di analisi di sedimenti ciclici e rigorose tecniche di quantificazione dell’incertezza a una sequenza sedimentaria che ha 1,4 miliardi di anni. Gli antichi cicli di Milankovitch che abbiamo osservato sono coerenti con un più rapido tasso di rotazione della Terra e una distanza Terra-Luna più corta: i giorni della Terra duravano circa 18,7 ore e la Luna era a circa 341mila km dalla Terra (l’11 per cento in meno rispetto all’attuale distanza Terra-Luna di 385mila km). I nostri risultati confermano che l’analisi dei cicli di Milankovitch può essere estesa ad intervalli di tempo molto più antichi di quelli esplorati finora e permetterà di ricostruire nel tempo profondo le caratteristiche fondamentali del sistema Terra-Luna e delle orbite di altri pianeti nel Sistema Solare».
Alberto Malinverno, nato a Milano, è un geofisico marino e professore presso il Dipartimento di scienze della Terra e dell’ambiente della Columbia University, dove insegna metodi quantitativi di analisi dei dati. Ha la passione di applicare metodi quantitativi a problemi geologici e ha recentemente pubblicato su Pnas, insieme a Stephen Meyers, lo studio “Proterozoic Milankovitch cycles and the history of the solar system”
La Luna si sta allontanando da noi di circa 3.8 cm all’anno. Tra altri 4.5 miliardi di anni, prima che il Sole ci spazzi via, quanto sarà lungo il giorno sulla Terra e dove sarà arrivata la Luna?
«A causa dell’attrito generato dalle maree, la rotazione della Terra continuerà a rallentare finché la Terra e la Luna saranno in rotazione sincrona, cioè un giorno terrestre sarà uguale al periodo di rotazione della Luna e la Luna sarà in una posizione fissa nel cielo visto dalla Terra. Le stime riportate nell’articolo Fact or Fiction: The Days (and Nights) Are Getting Longer sono che la rotazione sincrona sarebbe raggiunta tra 50 miliardi di anni e che un giorno terrestre durerà più di 1000 ore. Comunque a quel punto il Sole sarà già diventato una gigante rossa [ndr: lo sarà diventato decine di miliardi di anni prima, e avrà dunque già inghiottito da tempo Terra e Luna]. In futuro, vogliamo espandere il lavoro in intervalli diversi di tempo geologico», conclude Malinverno.
Il lavoro di Meyers e Malinverno si unisce ad altri due studi recenti che si basano su sedimenti e sui cicli di Milankovitch per capire meglio la storia e il comportamento della Terra. Un gruppo di ricerca di Lamont-Doherty ha usato una formazione rocciosa in Arizona per confermare la notevole regolarità delle fluttuazioni orbitali della Terra, da un’orbita quasi circolare a una più ellittica, su un ciclo di 405mila anni. Un altro team in Nuova Zelanda, in collaborazione con Meyers, ha esaminato il modo in cui i cambiamenti nell’orbita e nella rotazione della Terra attorno al suo asse abbiano influenzato i cicli evolutivi e l’estinzione di organismi marini chiamati “graptoloidi”, che risalgono a 450 milioni di anni fa.
«I sedimenti costituiscono un osservatorio astronomico per il Sistema solare primordiale», dice Meyers. «Quello che stiamo guardando è il suo battito, impresso nella roccia e nella storia della vita».
Per saperne di più:
- Leggi su Proceedings of the National Academy of Sciences l’articolo “Proterozoic Milankovitch cycles and the history of the solar system” di Stephen R. Meyers, Alberto Malinverno.
Correzione del 6.6.2018: all’interno dell’intervista, nella frase sul destino da gigante rossa del Sole abbiamo esplicitato, per evitare fraintendimenti, che ciò avverrà decine di miliardi di anni prima del tempo richiesto per raggiungere un’ipotetica rotazione sincrona.