10 октября 2022 года.
Глядя на Луну в ночном небе, вы никогда не подумаете, что она медленно удаляется от Земли. Но мы знаем обратное. В 1969 году в рамках миссии НАСА «Аполлон» на Луне были установлены отражающие панели. Они показали, что в настоящее время Луна удаляется от Земли на 3,8 см в год.
Если взять текущую скорость удаления Луны и спроецировать ее в прошлое, то получится, что Земля и Луна столкнулись около 1,5 миллиарда лет назад. Однако Луна сформировалась около 4,5 миллиарда лет назад, а это значит, что текущая скорость рецессии — плохой ориентир для прошлого.
Вместе с нашими коллегами из Утрехтского университета и Женевского университета мы использовали комбинацию методов, чтобы получить информацию о далеком прошлом нашей Солнечной системы.
Недавно мы обнаружили идеальное место для изучения долгосрочной истории нашей удаляющейся Луны. И это не изучение самой Луны, а считывание сигналов в древних слоях горных пород на Земле.
Чтение между слоями
В прекрасном Национальном парке Кариджини на западе Австралии некоторые ущелья прорезаны ритмично слоистыми отложениями возрастом 2,5 миллиарда лет. Эти отложения представляют собой полосчатые железные формации, состоящие из характерных слоев минералов, богатых железом и кремнеземом, которые когда-то широко откладывались на дне океана, а теперь встречаются на самых древних участках земной коры.
На обнажениях скал у водопада Жоффре видно, как слои красновато-коричневого железа толщиной чуть менее метра чередуются через равные промежутки с более темными и тонкими горизонтами.
Более темные участки состоят из более мягкой породы, которая в большей степени подвержена эрозии. При более внимательном рассмотрении обнажений обнаруживается наличие дополнительных регулярных, более мелких вариаций. Поверхности скал, отполированные сезонными речными водами, протекающими через ущелье, открывают картину чередования белых, красноватых и голубовато-серых слоев.
В 1972 году австралийский геолог А.Ф. Трендалл поднял вопрос о происхождении различных масштабов циклических, повторяющихся узоров, видимых в этих древних слоях горных пород. Он предположил, что эти узоры могут быть связаны с прошлыми изменениями климата, вызванными так называемыми «циклами Миланковича».
Циклические изменения климата
Циклы Миланковича описывают, как небольшие периодические изменения в форме орбиты Земли и ориентации ее оси влияют на распределение солнечного света, получаемого Землей в течение нескольких лет.
В настоящее время доминирующие циклы Миланковича сменяются каждые 400 000 лет, 100 000 лет, 41 000 лет и 21 000 лет. Эти колебания оказывают сильное влияние на наш климат в течение длительных периодов времени.
Ключевыми примерами влияния циклов Миланковича на климат в прошлом являются экстремально холодные или теплые периоды, а также более влажные или более сухие региональные климатические условия.
Эти климатические изменения существенно меняли условия на поверхности Земли, например, размеры озер. Они объясняют периодическое озеленение пустыни Сахары и низкий уровень кислорода в океанских глубинах. Циклы Миланковича также повлияли на миграцию и эволюцию флоры и фауны, включая наш собственный вид.
И сигнатуры этих изменений можно прочитать по циклическим изменениям в осадочных породах.
Зафиксированные колебания
Расстояние между Землей и Луной напрямую связано с частотой одного из циклов Миланковича — климатического цикла прецессии. Этот цикл возникает из-за прецессионного движения (колебания) или изменения ориентации оси вращения Земли с течением времени. В настоящее время продолжительность этого цикла составляет ~21 000 лет, но в прошлом, когда Луна была ближе к Земле, этот период был короче.
Это означает, что если нам удастся сначала найти циклы Миланковича в старых отложениях, а затем обнаружить сигнал о колебании Земли и установить его период, то мы сможем оценить расстояние между Землей и Луной в то время, когда отложения были отложены.
Наше предыдущее исследование показало, что циклы Миланковича могут сохраняться в древних образованиях полосчатого железа в Южной Африке, что подтверждает теорию Трендалла.
Полосчатые железные образования в Австралии, вероятно, были отложены в том же океане, что и южноафриканские породы, около 2,5 миллиарда лет назад. Однако циклические вариации в австралийских породах лучше видны, что позволяет изучать их с гораздо большим разрешением.
Наш анализ австралийской формации полосчатого железа показал, что породы содержат множество шкал циклических вариаций, которые примерно повторяются с интервалом 10 и 85 см. Объединив эти толщины со скоростью отложения осадков, мы обнаружили, что эти циклические изменения происходят примерно каждые 11 000 лет и 100 000 лет.
Таким образом, наш анализ позволил предположить, что наблюдаемый в породах цикл в 11 000 лет, скорее всего, связан с климатическим циклом прецессии, имеющим гораздо более короткий период, чем современный ~21 000 лет. Затем мы использовали этот сигнал прецессии для расчета расстояния между Землей и Луной 2,46 миллиарда лет назад.
Мы обнаружили, что тогда Луна была ближе к Земле примерно на 60 000 километров (это расстояние примерно в 1,5 раза больше окружности Земли). В этом случае продолжительность дня была бы намного короче, чем сейчас: примерно 17 часов, а не 24 часа, как сейчас.
Понимание динамики Солнечной системы
Исследования в области астрономии позволили создать модели формирования нашей Солнечной системы и наблюдать за текущими условиями.
Наше исследование и некоторые исследования других ученых представляют собой один из единственных методов получения реальных данных об эволюции нашей Солнечной системы и будут иметь решающее значение для будущих моделей системы Земля-Луна.
Удивительно, что динамика Солнечной системы в прошлом может быть определена по небольшим изменениям в древних осадочных породах. Однако одна важная точка данных не дает нам полного понимания эволюции системы Земля-Луна.
Теперь нам нужны другие надежные данные и новые подходы к моделированию, чтобы проследить эволюцию Луны во времени. И наша исследовательская группа уже начала поиски следующего набора камней, которые помогут нам раскрыть больше ключей к истории Солнечной системы.
Авторы: Джошуа Дэвис, профессор наук о земле и атмосфере, Университет Квебека в Монреале (UQAM), и Маргрит Лантинк, постдокторский научный сотрудник, факультет геонаук, Университет Висконсин-Мэдисон.
