Miten lasketaan vuorokausi?

23.12.2009

Kuinka pitkä maan vuorokausi oli silloin, kun elämä alkoi maapallolla? Jos teoria siitä, että Kuu on irronnut maapallosta pitää paikkansa niin kuinka paljon (montako minuuttia) maan vuorokausi piteni tuon tapahtuman seurauksena? Nimimerkki: Timo Partonen

Nimimerkille vastaa dosentti Harry Lehto, Tuorlan observatoriosta:

Erittäin vaikeita kysymyksiä, sillä elämän syntymisen ajankohtaa maapallolla ei tiedetä tarkasti, eikä myöskään sitä, mikä oli tuolloin vuorokauden pituus. Arvioita voidaan kuitenkin esittää. Aihepiiri on yksi poikkitieteellisen astrobiologian kiinnostuksen kohteista. Näiden kysymysten selvittäminen hyödyntää geologian, biologian, kemian, fysiikan ja tähtitieteen tutkimusmenetelmiä.

Aurinkokunta on 4,567 miljardia vuotta vanha, mutta alkuaikoina olosuhteet olivat liian rauhattomat ja kuumat elämän syntymiselle maapallolla. Tilanne rauhoittui noin 3,8 miljardia vuotta sitten. Ensimmäiset, tosin epävarmat, elämään viittaavat merkit on löydetty Länsi-Grönlannista 3,9 miljardin vuoden ikäisestä kallioperästä. Seuraavat löydöt ovat 3,5 miljardia vuotta vanhoja fossiililöytöjä Etelä-Afrikasta. Ne ovat fossiloituneita stromatoliitteja eli syanobakterien yhdyskuntia, jotka edustavat jo varsin kehittynyttä elämää.

Elämä olisi siis alkanut noin 3,5 - 3,9 miljardia vuotta sitten. Vuorokauden pituuden arvioiminen tähän aikaan on erittäin vaikeaa, mutta onni on meille myötäinen, koska noissa Etelä-Afrikan Barbertonin kivissä löytyy myös vuorovesien aiheuttamia puiden vuosirenkaiden kaltaisia kuvioita. Näistä voidaan mitata vuorovesien rytmejä ja kuukauden pituudet. Käyttäen lisäksi tietoa sedimenttikerrostumista 2,4 miljardin vuoden takaa voidaan arvioida, että vuorokauden pituus oli 3,5 miljardia vuotta sitten noin 14 tuntia parin tunnin virhemarginaalilla.

Vuorokauden pituutta voidaan arvioida myös teoreettisilla laskuilla, mutta nämä ovat vaikeita koska monia tekijöitä ei tunneta tarkkaan. Muutamia mainitakseni on otettava huomioon Kuun etääntyminen, joka on vaihdellut vuosimiljoonien kuluessa sekä etääntyvän kuun aiheuttamat vuorovesivoimat kuten myös Maan mantereiden ja merten sijainnit ja laajuudet ynnä Maan vaipan tila.

Teoria siitä, että Kuu olisi irronnut maasta, on peräisin 1870-luvulta. Charles Darwinin poika George Darwin ehdotti teoriaa ja tavoitteena oli löytää selitys Atlantin valtameren ja Tyynen valtameren synnylle. Teoria esiintyi kirjoissa vielä 1960-luvulla, vaikka se osoitettiin hyvin nopeasti mahdottomaksi. Maa-Kuu järjestelmälle voidaan laskea niin sanottu kokonaisimpulssimomentti, jossa huomioidaan kappaleiden suhteelliset etäisyydet ja kiertoajat sekä kunkin kappaleen oma pyöriminen. Ellei Maa-Kuu järjestelmästä lennä mitään pois tulisi tämän suureen säilyä aikojen saatossa. Esikuun irtoaminen sulasta esimaasta olisi kuitenkin vaatinut kolme kertaa nopeamman pyörimisen kuin nykyään havaitulla impulssimomentilla olisi mahdollista. Tämä on vakava ongelma tämän teorian kannalta.

Toinen ongelma on, että Kuun kokoinen, irronnut, sula kappale ei olisi pysynyt kasassa, koska vuorovesivoimat olisivat rikkoneet sen. Maan ympärille olisi muodostunut kuun sijaan samantapaiset renkaat kuin Saturnuksella.

Joissakin tämän mallin versioissa maasta irtoaisi noin kymmenesosa alkumaasta. Maan olisi pitänyt pyörähtää silloin noin 10 kertaa nykyistä nopeammin. Kuun irtoaminen olisi vaikuttanut jollain tavalla maan pyörähdysaikaan, mutta sen tarkka selvittäminen vaatisi yksityiskohtaisempia laskuja, sillä Maa ja siitä irronnut Kuu olisivat olleet silloin sulia.

Nykyisin vallalla oleva käsitys Kuun synnystä ei sekään ole aukoton, mutta parempi. Kuu olisi syntynyt maapallon muodostumisen loppuvaiheessa, kun Marsin kokoinen kappale, Theia, olisi hipaissut Maata. Hipaisutörmäys olisi ollut niin voimakas, että se olisi sulattanut osittain jo jähmettyneen Maan uudestaan sulaksi. Theian ja alkumaan ytimet yhtyivät, mistä syntyi nykyinen Maan rautanikkeliydin. Muista roiskeista ei syntynyt renkaita, koska törmäyksessä irronneen materiaalin joukossa oli isompia kappaleita. Niihin alkoi kertyä enemmän ainetta, jolloin kuu muodostui.

Vuorokauden pituuden arvellaan olleen viitisen tuntia heti tuon törmäyksen jälkeen. Törmäys saattaa myös olla syynä siihen, miksi maapallon akseli on kallellaan ratatasoon nähden.