Resonerande svängningar i en planets atmosfär orsakade av gravitationell tidvatten och uppvärmning från dess stjärna kan förhindra en planets rotation från att stadigt sakta ner över tiden, enligt ny forskning av Caleb Scharf, som är chef för astrobiologi vid Columbia University. Hans resultat tyder på att effekten förstärks för en planet med en atmosfär som har syresatts av liv, och de resulterande "atmosfäriska tidvattnen" kan till och med fungera som en biosignatur.

Tidvatten kan förvränga en planets massa, vilket i sin tur påverkar dess rotation. Vi är mest bekanta med gravitationell tidvatten, som vi på jorden känner från månens och solens gravitation. Dessa gravitationella tidvatten skapar utbuktningar när jorden snurrar, och månen och solen drar på sig dessa utbuktningar, saktar ner spinnet.

Däremot atmosfäriska tidvatten, kallas ibland termiska eller solvatten, uppstår när solljus värmer ytan och luften på jordens dagtid. Den uppvärmningen flyttar atmosfärens massa från den hetaste punkten till svalare punkter på planeten. Precis som med gravitationella tidvatten, atmosfäriska tidvatten orsakar utbuktningar som är sårbara för dragkraft. Dessa utbuktningar ändrar subtilt formen på jordens atmosfär, sträcker den från en sfär till något lite mindre symmetriskt och mer elliptiskt. Scharf föreslår att man föreställer sig ett "handtag" på jorden, och att krafter som drar i det atmosfäriska handtaget sedan kan hjälpa till att påskynda eller sakta ner planetens rotation.

Resonansfrekvenser

Vanligtvis, effekterna av dessa termiska tidvattenkrafter är relativt små, men effekterna kan öka under vissa omständigheter, som i resonanser. Detta är naturliga vibrationsfrekvenser som beskriver broarnas böljande rörelse i vinden, eller att skjutas högre och högre på en gunga. Atmosfärisk omfördelning förstärks när planetens rotationshastighet matchar den naturliga frekvensen av atmosfärens svängningar.

Scharf använder en annan metafor för att förklara resonans:"Det är som att spela en fiol, " han berättar Astrobiologi Magazine . "Atmosfären är en fiolsträng lindad runt planeten. Om du drar stråken med rätt hastighet över strängen, du får rätt ton och det högsta ljudet."

Forskare tror att resonans uppstod med jorden när dess dagar var cirka 21 timmar långa. Den dagslängden skulle ha skapat en topp i den atmosfäriska rörelsen, vilket betyder att det skulle ha känt de starkaste tidvattendragen från solen och månen, skapar ett särskilt stort "handtag" och maximalt vridmoment. I den resonansen, en stjärnas inflytande över en planets atmosfär är som störst, liksom effekterna på planetens rotation. Ett fenomen som kallas "resonansfångning" kan uppstå när de motsatta krafterna som utövas på det atmosfäriska handtaget, och av planetens vanliga gravitationstidvatten, nå jämvikt, låsa in planetens rotationshastighet.

Att bryta sig ur fällan

Enligt Scharf, forskning tyder på att jorden kan ha varit instängd i resonans vid 21 timmars dygnslängd i "hundratals miljoner år, " kanske under den prekambriska eran för över 500 miljoner år sedan. Effekterna av resonansfångning är svåra att mäta själva, men generellt noterar Scharf att planeter med snabbare rotationer har hetare ekvatorer och kallare poler. Att vara instängd i resonans kan ha påverkat jordens klimat, men viktigare är resonansfångningens roll i klimatutvecklingen.

Resonans kan (och i fallet med jorden med nödvändighet ha brutits) av temperaturfluktuationer, såsom en snabb uppvärmning efter en djupfrysning, vilket skulle återuppta ökningen av dagslängden under miljontals år när en planets rotation återupptas avta.

Till exempel, det är möjligt att för 3 till 4 miljarder år sedan, Jorden hade en 12-timmars dag, och att det med tiden förlängdes till 24 timmar. Någon gång i en avlägsen framtid, ett jorddygn kan vara längre än 24 timmar.

Ett vanligt fenomen

Eftersom de flesta planeter upplever gravitationsvatten som kan påverka deras rotation, Scharf tror att andra steniga planeter så småningom skulle uppleva resonansfångning, vilket resulterar i att en dagslängd hålls konstant under långa tidsperioder.

Rory Barnes, en professor vid University of Washingtons NASA Virtual Planetary Laboratory, håller med om att denna process kan vara utbredd.

"Medan Scharf återgav tidigare resultat för jorden, hans modell av detta komplicerade fenomen är enkel och elegant, " säger han. "Men, det är svårt att definitivt säga vilka effekterna på någon specifik planet kan vara, med tanke på klimatets komplicerande inverkan, atmosfäriska förhållanden, storlek, etc. Men Scharfs första ordningens försök att reda ut dessa faktorer ger idéer för ytterligare förfining."

En särskilt intressant implikation av Scharfs arbete är möjligheten att biologisk aktivitet också kan påverka en planets rotation. Molekyler som ozon gör atmosfären varmare, vilket gör termiska tidvatten starkare och flyttar resonansen till kortare dagslängder. Om livet på en planet producerar syre, planeten skulle ackumulera ozon som främjar resonansfångning tidigare i en planets historia. Sådana möjligheter "beror alla på händelseförloppet, " säger Scharf. Om jorden var mitt i en resonans, ozonökningar kan bryta det; om jorden redan hade upplevt resonans, den kan komma in i det tillståndet igen.

En positiv feedback för livet?

Miljonfrågan är om de rotationsförändringar som produceras av syresättning eller ozon skulle vara gynnsamma för liv. Är detta en positiv feedbackprocess som hjälper livet att påverka sin planetariska miljö på ett sådant sätt som hjälper till att sprida det livet? Scharf säger att det är för tidigt att säga säkert, men om biologisk aktivitet kan hjälpa till att låsa in det resonanta tillståndet, närvaron av liv kan generera en återkopplingsslinga.

Om forskare kunde få mer data om utvecklingen av jordens rotation under de senaste fyra miljarderna åren, de skulle kunna "jämföra det med våra data om atmosfärisk syresättning och leta efter korrelationer som kan tyda på effekterna av syresättning på resonansfångning - vilket skulle vara ganska häpnadsväckande, men fullt möjligt, säger Scharf. Barnes håller med, kallar detta en "provokativ idé som förtjänar ytterligare studier."

En annan idé för framtida undersökningar är om planetariska rotationshastigheter skulle kunna ge omständigt stöd för en planets möjliga beboelse.

"Att upptäcka planeternas rotationshastigheter är otroligt svårt, säger Scharf, "men med tanke på framstegen inom exoplanetära vetenskaper, det kanske finns ett sätt att göra det. "

Även om forskare kunde ta reda på hur man mäter rotationshastigheten för steniga planeter, Scharf tvivlar på att de skulle hitta en "rykande pistol" som kausalt kopplar till förekomsten av biologiskt liv. Dock, Rotationshastighetsberäkningar kan vara ett av de många verktyg astrobiologer använder för att söka efter planeter som stöder liv. Barnes skulle älska att se "ett experiment som isolerar biologins roll på en planets rotationshastighet och potentiella beboelighet, "men under tiden, han kommer att lägga till observationer av rotationshastighet till sin utomjordiska checklista.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av NASAs Astrobiology Magazine. Utforska jorden och bortom på www.astrobio.net.