Il risultato getta nuova luce su come il cambiamento climatico influenzerà la durata del giorno e la validità degli strumenti di modellazione climatica

Mostrano che da circa due miliardi di anni fa fino a 600 milioni di anni fa, una marea atmosferica guidata dal sole ha contrastato l’effetto della luna, mantenendo costante la velocità di rotazione della Terra e la durata del giorno a 19,5 ore costanti.

Senza questa pausa di un miliardo di anni nel rallentamento della rotazione del nostro pianeta, la nostra attuale giornata di 24 ore si estenderebbe a oltre 60 ore.

Lo studio che descrive il risultato, ‘Perché il giorno dura 24 ore; la storia della marea termica atmosferica, della composizione e della temperatura media della Terra’, è stata pubblicata oggi sulla rivista I progressi della scienza. Attingendo a prove geologiche e utilizzando strumenti di ricerca atmosferica, gli scienziati mostrano che lo stallo di marea tra il sole e la luna è il risultato del legame accidentale ma enormemente consequenziale tra la temperatura dell’atmosfera e la velocità di rotazione della Terra.

Gli autori del documento includono Norman Murray, un astrofisico teorico del Canadian Institute for Theoretical Astrophysics (CITA) di U of T; studente laureato Hanbo Wu, CITA e Dipartimento di Fisica, U of T; Kristen Menou, David A. Dunlap Dipartimento di Astronomia e Astrofisica e Dipartimento di Scienze Fisiche e Ambientali, Università di Toronto Scarborough; Jeremy Laconte, Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux ed ex borsista postdottorato CITA; e Christopher Lee, Dipartimento di Fisica, U of T.

Quando la luna si è formata per la prima volta circa 4,5 miliardi di anni fa, il giorno durava meno di 10 ore. Ma da allora, l’attrazione gravitazionale della luna sulla Terra ha rallentato la rotazione del nostro pianeta, risultando in una giornata sempre più lunga. Oggi continua ad allungarsi a una velocità di circa 1,7 millisecondi ogni secolo.

La luna rallenta la rotazione del pianeta attirando gli oceani della Terra, creando rigonfiamenti di marea sui lati opposti del pianeta che sperimentiamo come alte e basse maree. L’attrazione gravitazionale della luna su quei rigonfiamenti, oltre all’attrito tra le maree e il fondo dell’oceano, agisce come un freno sul nostro pianeta rotante.

“La luce solare produce anche una marea atmosferica con lo stesso tipo di rigonfiamenti”, afferma Murray. “La gravità del sole attira questi rigonfiamenti atmosferici, producendo una coppia sulla Terra. Ma invece di rallentare la rotazione terrestre come la luna, la accelera”.

Per la maggior parte della storia geologica della Terra, le maree lunari hanno sopraffatto le maree solari di circa un fattore dieci; quindi, il rallentamento della velocità di rotazione della Terra e l’allungamento dei giorni.

Ma circa due miliardi di anni fa, i rigonfiamenti atmosferici erano più grandi perché l’atmosfera era più calda e perché la sua risonanza naturale – la frequenza con cui le onde si muovono attraverso di essa – corrispondeva alla lunghezza del giorno.

L’atmosfera, come una campana, risuona a una frequenza determinata da vari fattori, tra cui la temperatura. In altre parole, le onde – come quelle generate dall’enorme eruzione del vulcano Krakatoa in Indonesia nel 1883 – lo attraversano a una velocità determinata dalla sua temperatura. Lo stesso principio spiega perché una campana produce sempre la stessa nota se la sua temperatura è costante.

Durante la maggior parte della storia della Terra, la risonanza atmosferica non è stata sincronizzata con la velocità di rotazione del pianeta. Oggi ciascuna delle due “alte maree” atmosferiche impiega 22,8 ore per fare il giro del mondo; poiché quella risonanza e il periodo di rotazione terrestre di 24 ore non sono sincronizzati, la marea atmosferica è relativamente piccola.

Ma durante il periodo di miliardi di anni in esame, l’atmosfera era più calda e risuonò con un periodo di circa 10 ore. Inoltre, all’avvento di quell’epoca, la rotazione terrestre, rallentata dalla luna, raggiunse le 20 ore.

Quando la risonanza atmosferica e la lunghezza del giorno sono diventate fattori pari – dieci e 20 – la marea atmosferica è stata rafforzata, i rigonfiamenti sono diventati più grandi e l’attrazione della marea del sole è diventata abbastanza forte da contrastare la marea lunare.

“È come spingere un bambino su un’altalena”, dice Murray. “Se la tua spinta e il periodo dell’oscillazione non sono sincronizzati, non andrà molto in alto. Ma, se sono sincronizzati e stai spingendo proprio mentre l’oscillazione si ferma a un’estremità della sua corsa, la spinta si aggiungerà allo slancio dell’oscillazione e andrà sempre più in alto. Questo è quello che è successo con la risonanza atmosferica e la marea “.

Insieme alle prove geologiche, Murray ei suoi colleghi hanno raggiunto il loro risultato utilizzando modelli di circolazione atmosferica globale (GCM) per prevedere la temperatura dell’atmosfera durante questo periodo. I GCM sono gli stessi modelli usati dai climatologi per studiare il riscaldamento globale. Secondo Murray, il fatto che abbiano lavorato così bene nella ricerca del team è una lezione opportuna.

“Ho parlato con persone scettiche sui cambiamenti climatici che non credono nei modelli di circolazione globale che ci dicono che siamo in una crisi climatica”, afferma Murray. “E dico loro: abbiamo usato questi modelli di circolazione globale nella nostra ricerca, e hanno capito bene. Funzionano”.

Nonostante la sua lontananza nella storia geologica, il risultato aggiunge ulteriore prospettiva alla crisi climatica. Poiché la risonanza atmosferica cambia con la temperatura, Murray sottolinea che la nostra attuale atmosfera di riscaldamento potrebbe avere conseguenze in questo squilibrio di marea.

“Mentre aumentiamo la temperatura della Terra con il riscaldamento globale, stiamo anche facendo alzare la frequenza di risonanza – stiamo spostando la nostra atmosfera più lontano dalla risonanza. Di conseguenza, c’è meno coppia dal sole e quindi, la durata del giorno diventerà più lungo, prima di quanto sarebbe altrimenti.”