20亿年前，地球自转周期仅19个小时！科学家：为生命奠定了基础

2020年，我们经历了多年以来地球自转速度最快的一年。

2022年7月29日，我们经历了多年以来地球自转速度最快的一天。

看到这两项数据，你肯定以为地球的自转在加速。恰恰相反，从更加漫长的时间尺度上来看，地球的自转是在减速的。

地球的自转速度受许多因素的影响，其中最重要的一个，就是月球。月球的质量是地球的1/81，在整个太阳系的卫星-行星组合中是最接近的一个，对地球的影响非常大。

大约在45亿年前，月球形成于地球和另外一颗行星的碰撞过程中。当时的撞击残骸在距离地球不远处形成了月球，并且从此越来越远离地球。直到今天，月球仍然以每年3.8厘米的速度远离我们。

随着月球的远离，地月系旋转的力臂有所增加，线速度就会相应地减少，这就是所谓的角动量守恒，和花样滑冰运动员伸手、收手能影响旋转速度是相同的原理。在月球远离的同时，地球的自转速度仍然在稳步地延长着。根据近些年来的一些研究，地球每个白天的时长都平均比前一年增加0.000015秒。

别看这个数据确实非常不起眼，如果我们把时间尺度延长到几万、几亿年，那么这个时间的变化就十分明显了。

比如2018年的一项研究表明，在距今14亿年前的时候，地球自转速度比现在快得多，以至于只需要18个小时就能完成一次自转。另外还有2020年的一项研究发现，4亿年前的泥盆纪时期，地球的一年有差不多42天。一直到距今7000万年前，恐龙的一天也只有23.5个小时。

这个理论和数据看起来已经比较清晰了，但科学家们对这段历史的细节仍然有一些争论。

有人认为，地球的自转经历了一个平稳减速的过程，逐渐减速到今天的状态，并且继续减速下去；另一部分科学家认为，地球的自转减速过程存在着不同的阶段，它先减速了一段时间，一昼夜的时间延长到19个小时，然后以这样的状态稳定了长达10亿年的时间，然后又开始了新的一轮减速过程。

导致地球自转减速暂停的原因，在于那一段时期内，月球和地球的距离也暂时稳定了下来。力矩不变，地月系的自转速度自然就不会改变。有人甚至给那段时期起了一个名字——枯燥的十亿年（boring billion）。

解决科学争论的唯一手段，就是通过研究找到更多的证据乃至答案。遗憾的是，科学家们很难找到地质学的现象作为参考数据。

理论上来说，朝向太阳的叠层石的生长可以记录白天的长度，或者根据潮汐形成的韵律层理也可以推测出一天的长度。但这些现象都很难保存太长时间，不足以让科学家们追溯到那么遥远的历史，这就给相关研究带来了许多麻烦。

最近，来自中国科学院地质与地球物理研究所的地球物理学家Ross Mitchell以及澳大利亚科廷大学的Uwe Kirscher最近在国际学术期刊Nature Geoscience上发表了他们的最新成果，他们的研究支持了第二种理论。

在本次研究中，两位研究人员用了另一种方法，那就是旋回地层学。简单来说，太阳、月球等天体，乃至地球自身的转轴倾角等因素，都能影响地球的自转速度，进而体现在地球的岩石中。利用韵律沉积层，他们可以探测天文“米兰科维奇”旋回，这些就旋回反映了地球轨道和自转的变化如何影响气候，如上图所示。

之所以前人没有从这个角度进行研究，是因为本次研究采用的古代数据中有一大半都是最近7年才出现的。Mitchell介绍说：“我们意识到，终于到了测试一种关于地球古自转的边缘但完全合理的观点的时候了。”

研究人员解释：地球的潮汐不仅受到月球引力的影响，还受到另一方面的影响，那就是太阳。太阳也不仅会通过引力影响地球的潮汐，还可以通过照射的方式，给地球大气升温，从而改变地球的潮汐。

这种太阳大气潮汐和月球海洋潮汐相比要弱得多，但也无法完全忽视。它和月球的引力恰好相反，前者可以延缓地球的自转，它却可以推动地球加速自转。一旦二者达到平衡，那么地球就会进入潮汐共振的状态，自转速度变化也就要平稳下来了。

他们经过大量的数据分析，发现在距今20亿到10亿年前期间，地球的日长确实停止了增长。在这“枯燥的十亿年”内，地球的日长稳定在19小时左右，其变化历程如上图所示。

最有趣的是，地球自转速度保持稳定的这十亿年，几乎恰好处在地球两次氧气含量大幅增加的事件之间。地球一共经历了两次“大氧化事件”，第一次在距今约23.2亿年前，第二次出现于距今约6亿年前。

在几十亿年前，当地球自转速度比现在快得多的时候，月球对潮汐的影响也仅有今天的1/4左右。而臭氧的增加比水蒸气能吸收更多阳光，从而提高太阳大气潮汐的效果，这就是二者能够达成平衡的关键。

氧气含量的大幅增加不仅给生物的呼吸提供了原料，还形成了臭氧层来保护生物不受太阳紫外线的伤害，为今天繁荣的生态系统创造了契机。在第二次大氧化事件后不久，地球就迎来了寒武纪生命大爆发，从此进入到繁荣的生命世界。

这也印证了另一个观点，那就是地球的氧气含量上升与复杂生命大规模爆发存在着延迟。一直到月球和太阳产生的潮汐平衡被打破，地球再次减缓自转速度，光合细菌每天才能产生足够多的氧气。

美国加州大学河滨分校的Timothy Lyons没有参与这项研究，但在看到这项研究后不禁感叹：“地球自转的演变可能影响了大气成分的演变，这一想法令人着迷。”

关于“枯燥的十亿年”，科学家们仍然有许多需要寻找的证据去探索。但我们现在可以肯定，这十亿年绝不是真的枯燥。正是在这十亿年的时间里，地球的生机在暗中涌动。如果没有这十亿年，地球或许不会有今天这样繁荣的生物圈。