Tại sao một ngày trên Trái đất từ 19 giờ lại tăng thành 24 giờ?

Khi đó, hoạt động kiến tạo giảm sút, các quá trình địa hóa bắt đầu chậm lại và quá trình tiến hóa của sự sống ở dạng đơn giản nhất gần như giậm chân tại chỗ.

Giờ đây, nghiên cứu mới cho thấy khoảng thời gian này, còn được gọi một cách trìu mến là "tỉ năm nhàm chán", trùng với thời điểm hành tinh chúng ta như một quả cầu xoay tròn trong không gian với tốc độ chỉ mất 19 giờ để thực hiện một vòng quay (tức một ngày).

Nghiên cứu của hai nhà địa vật lý Ross Mitchell thuộc Viện Khoa học Trung Quốc và Uwe Kirscher thuộc Đại học Curtin ở Úc cho thấy hiện tượng ngày của Trái đất bị kẹt ở 19 giờ, kéo dài khoảng 1 tỉ năm và là kết quả của sự cân bằng mong manh giữa các lực đối lập trong quá khứ xa xưa của hành tinh chúng ta.

Vào thời điểm đó, Mặt trăng ở gần Trái đất hơn và lơ lửng ở một khoảng cách không đổi, cũng không trượt khỏi quỹ đạo hấp dẫn của nó. Mitchell và Kirscher giải thích: "Theo thời gian, Mặt trăng đã đánh cắp năng lượng quay của Trái đất để đẩy nó lên quỹ đạo cao hơn, xa Trái đất hơn".

Do chuyển động hướng ra ngoài của Mặt trăng, Trái đất quay chậm lại và những ngày có ánh nắng mặt trời của Trái đất kéo dài hơn một chút. Rất nhiều nghiên cứu trước đây đã khám phá cách ngày trên hành tinh của chúng ta dài ra dần. Theo một số ước tính gần đây, tốc độ đó là thêm hơn 0,000015 giây mỗi năm.

Hầu hết các mô phỏng về hoạt động quay của Trái đất trong các nghiên cứu như thế này đều dự đoán rằng độ dài của ngày trên hành tinh chúng ta đã tăng đều đặn trong vòng 3 đến 4 tỉ năm qua. Ví dụ, một nghiên cứu năm 2018 đã phát hiện ra rằng một ngày Trái đất cách đây 1,4 tỉ năm chỉ kéo dài 18 giờ.

Mặc dù vậy, cũng có một nhóm các nhà nghiên cứu khác năm 1987 đã suy đoán rằng có lẽ độ dài ngày của Trái đất sẽ đi ngang trong một thời gian dài trước khi tiếp tục tăng chậm, đều đặn cho đến 24 giờ như ngày nay.

Thế nhưng, bất kỳ dấu vết địa chất nào cho thấy sự thay đổi trong vòng quay của Trái đất đều khó có thể xảy ra. Độ dài của ngày có thể được suy ra từ sự phát triển của stromatolit* nghiêng về phía Mặt trời và từ nhịp thủy triều, các mẫu trầm tích bùn do thủy triều tạo ra và được bảo tồn trong đá. Ngoài ra thì hiếm có gì bảo tồn được dấu tích từ quá khứ xa xưa.

Trong nghiên cứu mới này, Mitchell và Kirscher đã tận dụng một loạt dữ liệu địa chất mới xuất hiện trong những năm gần đây. Dữ liệu địa tầng học là các bản ghi về nhịp thay đổi của khí hậu Trái đất do các lực thiên văn gây ra, gồm cả sự dao động và độ nghiêng của trục Trái đất. Mitchell nói "Chúng tôi nhận ra rằng cuối cùng đã đến lúc thử nghiệm một loại ý tưởng thay thế, nhưng hoàn toàn hợp lý, về sự lột xác của Trái đất".

Phân tích thống kê của họ chỉ ra rằng độ dài ngày của Trái đất là không đổi trong khoảng từ 2 đến 1 tỉ năm trước, vào giữa kỷ Nguyên sinh, mà đỉnh điểm Trái đất là "quả cầu tuyết" và trước sự bùng nổ sự sống ở kỷ Cambri. Tự hỏi điều gì có thể đã đưa Trái đất sơ khai vào thời kỳ tương đối ổn định, Mitchell và Kirscher đã xem xét các sự kiện lớn khác trong lịch sử của hành tinh chúng ta.

Nếu thời điểm của các sự kiện là chính xác, thì sự ổn định về độ dài ngày diễn ra sau những biến động đáng kể trong điều kiện khí quyển ban đầu của Trái đất: cụ thể là sự kiện Đại oxy hóa trong đó nồng độ oxy tăng lên và tạo ra tầng ozone trước khi giảm xuống trở lại.

Mitchell và Kirscher cho rằng lớp ozone được thêm vào này có thể đã hấp thụ nhiều ánh sáng mặt trời hơn hơi nước, kích thích thủy triều mặt trời trong bầu khí quyển ít được biết đến của Trái đất khi nó nóng lên vào ban ngày.

Thủy triều khí quyển Mặt trời không mạnh bằng thủy triều đại dương do lực hấp dẫn của Mặt trăng chi phối. Nhưng khi Trái đất trong quá khứ quay nhanh hơn, lực kéo của Mặt trăng sẽ yếu hơn, bằng 1/4 lực hiện tại.

Và nếu thủy triều trong khí quyển tăng tốc cùng với sự xuất hiện ozone như gợi ý của Mitchell và Kirscher, thì điều này có thể đủ để cân bằng các lực đối lập và đưa Trái đất vào một khoảng thời gian ổn định rất dài là 19 giờ mỗi ngày.

Mitchell và Kirscher giải thích "Tại điểm cộng hưởng, các mô men thủy triều trong khí quyển và đại dương sẽ cân bằng, ổn định tốc độ quay của Trái đất với độ dài ngày không đổi". Tất nhiên, cần nhiều nghiên cứu hơn nữa để "thử nghiệm thêm và xác định chính xác hơn khoảng thời gian cộng hưởng".

Mặc dù vậy, hai nhà khoa học kết luận rằng kết quả tính toán của họ phù hợp với ý tưởng rằng sự gia tăng nồng độ oxy và sự sống phức tạp trên Trái đất bị trì hoãn "cho đến khi sự cộng hưởng bị phá vỡ" do sự thay đổi khí hậu đột ngột. Họ viết: “Những ngày dài hơn sau đó có thể cung cấp cho vi khuẩn thêm thời gian quang hợp ánh sáng mặt trời để tăng mức oxy đủ cao cho hỗ trợ sự sống của giới động vật (được cho là đỉnh cao trong giới sinh vật)”.

Một số nhà nghiên cứu trong những năm gần đây đã lập luận rằng "tỉ năm nhàm chán" năng động hơn nhiều so với tên gọi của nó và nó là bệ phóng thúc đẩy sự sống hướng tới độ tiến hóa phức tạp mà chúng ta đến ngày nay vẫn rất ngạc nhiên.

*Stromatolit là cấu trúc bồi tụ hóa sinh phân tầng hình thành ở khu vực nước nông bởi hiện tượng bẫy, trói buộc và xi măng hạt trầm tích bởi màng sinh học (thảm vi khuẩn) từ vi sinh vật, đặc biệt là vi khuẩn lam. Stromatolit hóa thạch cung cấp lưu trữ cổ về sự sống trên Trái đất bởi những gì còn lại, một số trong đó có thể có niên đại từ 3,7 tỉ năm trước.

Anh Tú