Wstęp

Do napisania tego tekstu zainspirowało mnie znalezienie (we własnym ogrodzie) skamieniałości paleozoicznego koralowca pokazanego na ryc. 1. Jest to przedstawiciel wymarłej gromady Rugosa, która ma duże zasługi dla uzyskania odpowiedzi na następujące pytanie: Jak by wyglądał kalendarz roczny dla okresu, w którym żył ten koralowiec? Jako laik nie potrafię zidentyfikować dokładnie rodzaju ani gatunku, do którego należał, ale z tego, co wiem o Rugosa, można go w przybliżeniu datować na 450–380 mln lat temu (późny ordowik, sylur, wczesny lub środkowy dewon).¹ Jeśli zaglądają na nasz portal zawodowi paleontolodzy, chętnie przyjmę uwagi lub sprostowania. Mój koralowiec żył w świecie, w którym rok był podobnej długości jak dziś, natomiast składał się mniej więcej z 400 dni, a doba trwała około 22 godzin. Skąd wiemy, że tak było?

Stabilny rok

Orbita Ziemi jest, jak to się mówi, dynamicznie stabilna.² Jej parametry (zwłaszcza ekscentryczność, czyli miara wydłużenia jej eliptycznego kształtu) wahają się w dość wąskich granicach, ulegając wpływowi grawitacyjnemu innych planet Układu Słonecznego, ale średnia odległość Ziemi od Słońca i związana z nią długość roku zmieniły się tylko nieznacznie nawet w skali miliardów lat. Efekt ten, wynikający ze stopniowej utraty części masy przez Słońce i z oddziaływań pływowych między Słońcem a Ziemią, powoduje zwiększanie się promienia orbity Ziemi mniej więcej o 15 cm/rok. Jeżeli tempo to jest w przybliżeniu stałe, to w ciągu miliarda lat Ziemia oddala się od Słońca o około 150 tys. km. Jest to zaledwie 0,1% obecnego promienia orbity i oznacza wydłużenie roku gwiazdowego (czyli okresu pełnego obiegu Ziemi wokół Słońca względem odległych gwiazd) o około dziesięć godzin. Innymi słowy, miliard lat temu rok był nieco krótszy niż obecnie, ale o mniej, niż wynosi różnica między kalendarzowym rokiem przestępnym a zwykłym.

Zapewne ostatnim wydarzeniem, które miało zauważalny wpływ na parametry orbitalne Ziemi i długość roku, była hipotetyczna kolizja młodej Ziemi z siostrzaną planetą wielkości Marsa około 4,5 mld lat temu. Dzięki temu powstał układ Ziemia–Księżyc. Od czasu, gdy ustabilizowały się orbity planet wewnętrznych, długość ziemskiego roku prawdopodobnie nie wzrosła o więcej niż kilkadziesiąt godzin. Czy oznacza to, że rok miał wówczas nieco ponad 360 dni i stopniowo osiągnął obecną długość 365,256363 dni słonecznych (każdy o długości 24 h = 86 400 s)? Bynajmniej, ponieważ w dalekiej przeszłości „długość doby” nie wynosiła 24 h. Ani dzień słoneczny (liczony od południa do południa następnego dnia), ani rzeczywisty okres rotacji Ziemi mierzony względem odległych obiektów kosmicznych (wynoszący obecnie 23 h 56 min 4,091 s) nie są niezmienne.³

Przygody Ziemi i Księżyca

Moment pędu układu Ziemia–Księżyc jest stały, ale może być różnie rozdzielony między składniki: rotację Ziemi, ruch orbitalny obu ciał wokół wspólnego środka masy i rotację Księżyca (której obecny wkład jest pomijalny). Masa Księżyca jest co prawda znikoma w porównaniu z masą Słońca, ale Księżyc znajduje się blisko Ziemi, dlatego powoduje ponaddwukrotnie silniejszy efekt pływowy. Różne części kuli ziemskiej znajdują się w różnej odległości od Księżyca, zatem jego grawitacja działa na nie z różną siłą, wywołując deformację geometryczną: Ziemia wybrzusza się nieco po stronie skierowanej ku Księżycowi i po stronie przeciwnej.

Ziemia obraca się wokół własnej osi z prędkością kątową ponad 27 razy większą niż prędkość obiegu Księżyca po orbicie, a ponieważ skały i oceany potrzebują nieco czasu, aby się odkształcić, wybrzuszenia nie leżą dokładnie na osi Ziemia–Księżyc, ale wędrują wokół Ziemi w postaci fali pływowej podążającej z pewnym opóźnieniem „w ślad za Księżycem”.⁴ Wskutek tarcia towarzyszącego ściskaniu i rozciąganiu materii ziemskiej generowana jest energia cieplna, szczególnie w wodach oceanów, na styku wody i dna w płytkich częściach mórz, ale także wewnątrz skorupy ziemskiej.⁵ Dzieje się to kosztem energii kinetycznej obrotów Ziemi wokół własnej osi, toteż rotacja naszej planety z czasem spowalnia. Niesymetryczny (względem Księżyca) rozkład obracającej się masy Ziemi powoduje przekazanie za pośrednictwem sił grawitacyjnych momentu pędu traconego przez Ziemię. W rezultacie promień orbity Księżyca wzrasta o ok. 4 cm rocznie. Zwiększa się przez to jego orbitalny moment pędu, choć prędkość liniowa na orbicie nieco maleje.

Tuż po swoich narodzinach Księżyc znajdował się znacznie bliżej Ziemi, ta zaś wirowała czterokrotnie szybciej niż obecnie, wykonując jeden obrót mniej więcej raz na 6 godzin. Księżyc także kręcił się wokół własnej osi w czasie innym niż jego pełny okres orbitalny. Zniekształcenia pływowe i związane z nimi rozpraszanie energii dotyczyły i Ziemi, i Księżyca, ale Księżyc, jako ciało ponad osiemdziesiąt razy lżejsze niż Ziemia, w krótkim czasie⁶ osiągnął stan równowagi, synchronizując rotację wokół własnej osi z okresem obiegu wokół Ziemi. Odtąd zwrócony jest ku Ziemi zawsze tą samą stroną. Fale pływowe deformujące kształt Księżyca zatrzymały się i przestały powodować „wyciekanie” energii kinetycznej obrotów poprzez jej rozpraszanie cieplne. Wpływ Księżyca spowalnia obroty Ziemi znacznie mniej skutecznie, dlatego daleko nam jeszcze do synchronizacji obustronnej – takiej, z jaką mamy do czynienia np. w przypadku Plutona i Charona, zwróconych do siebie nawzajem zawsze tą samą stroną. Aby osiągnąć taki stan, Ziemia musiałaby spowalniać obroty jeszcze przez około 50 miliardów lat, ale nie zanosi się na to, żeby Układ Słoneczny miał istnieć tak długo.

Zmiany promienia orbity Księżyca i prędkości obrotów Ziemi były z początku bardzo szybkie, ale stawały się wolniejsze, w miarę jak oba ciała oddalały się od siebie, a działanie sił pływowych słabło. Z modeli geofizycznych, obliczeń i symulacji wynika, że 2,5 mld lat temu (czyli na przełomie archaiku i proterozoiku) odległość Księżyca od Ziemi wynosiła około 330 tys. km (o 14% mniej niż obecnie), a długość ziemskiej doby wzrosła do ok. 17 h (różne modele generują nieco rozbieżne oszacowania). Ponieważ rok trwał niemal równie długo jak dziś, musiał sobie liczyć mniej więcej 515 dni. Czy te teoretyczne przewidywania można jakoś potwierdzić, czy jest to tylko spekulacja – być może wiarygodna i zgodna z prawami fizyki, ale niesprawdzalna empirycznie?

John Wells wpada na pomysł

John W. Wells (1907–1994), profesor Uniwersytetu Cornella (USA), specjalizował się w badaniach nad biologią, ewolucją i taksonomią korali madreporowych (Scleractinia). Jest to dość młody rząd koralowców, w stanie kopalnym znany od triasu (ok. 240 mln lat temu). W ich historii bywały wzloty i upadki: skromne początki, burzliwy rozwój w jurze, kryzys spowodowany przez uderzenie planetoidy 66 mln lat temu, a następnie ponowny rozkwit i odbudowa różnorodności. Dziś madreporowce są głównymi budowniczymi raf koralowych. John Wells wiedział, że ich szkielety zewnętrzne, zbudowane z aragonitu (jednej z odmian krystalograficznych węglanu wapnia, CaCO₃), rosną w tempie od kilku milimetrów do 10 cm rocznie, a wzrost ten podlega wahaniom pod wpływem zmieniających się okresowo czynników środowiskowych. Badając powierzchnię szkieletu niektórych gatunków, Wells doszedł do wniosku, że można na niej zidentyfikować roczne pierścienie wzrostu, rozdzielone cienkimi pierścieniami przyrostów dziennych. Zliczając je u koralowców współczesnych, Wells upewnił się, że rzeczywiście między pierścieniami rocznymi mieści się średnio około 360 cieńszych pierścieni, czyli mniej więcej tyle, ile dni w roku.

W paleozoiku, od ordowiku do końca permu, jedną z dominujących grup koralowców była wspomniana na wstępie gromada Rugosa (koralowce czteropromienne), tworząca szkielety z kalcytu (inna odmiana węglanu wapnia). Były wśród nich organizmy zarówno osobnicze, jak i kolonijne. Te, które rosły pojedynczo, często osiągały duże rozmiary, od kilku centymetrów nawet do metra. Ich kalcytowe osłony przypominały kształtem róg. Na utrwalonych w stanie kopalnym epitekach (zewnętrznych warstwach szkieletu) widoczne są poprzeczne zmarszczki – pierścienie przyrostów podobne jak u współczesnych madreporowców. Wellsowi przyszło do głowy, że być może dałoby się wyróżnić wśród nich pierścienie roczne i dzienne, a zliczając te drugie w cyklu rocznym, można byłoby sprawdzić, ile dni miał rok w erze paleozoicznej.

Udało mu się faktycznie znaleźć osobniki ze środkowego dewonu (ok. 385 mln lat temu) z dobrze zachowanymi pierścieniami przyrostów o grubości ok. 50 μm (1/20 mm), widocznymi pod szkłem powiększającym. Okazało się, że jest ich 385–410 (średnio ok. 400) w cyklu. Wells powtórzył później zliczanie dla gatunków z późnego karbonu (ok. 300 mln lat temu). Tym razem pierścieni dziennych było średnio ok. 390. Wyniki swoich obserwacji Wells ogłosił w 1962 r., a opublikował rok później w czasopiśmie Nature. Używał niewyrafinowanego sprzętu technicznego: ręcznej lupy. Trzeba pamiętać, że zliczanie nie zawsze wyraźnych pierścieni jest czynnością kłopotliwą i podatną na wpływ subiektywnych oczekiwań badacza, a liczba pierścieni przyrostu tylko w przybliżeniu odpowiada liczbie dni, zatem obserwacje Wellsa trzeba traktować jako oszacowanie, a nie ścisły pomiar.

Co już wiemy?

Od tamtej pory badano różne skamieniałości – nie tylko koralowców – o szkieletach, w których zapisany jest ich rytm życiowy. Dodatkowych danych dostarczają stromatolity, także prekambryjskie, budowane warstwowo przez cyjanobakterie. Regularne cykle „kalendarzowe” zapisały się także w niektórych skałach osadowych pochodzenia niebiologicznego (tzw. rytmitach pływowych). Potwierdzają one koncepcję Wellsa: istnieją procesy biologiczne i skałotwórcze dokumentujące liczbę dni w roku lub w miesiącu księżycowym w dawnych okresach geologicznych. Porównując dane z różnych źródeł, można stwierdzić, że w ciągu paleozoiku długość doby wzrastała od 21 do 22,5 h. Na początku kambru (539 mln lat temu) rok składał się z ok. 417 dni, a pod koniec permu (252 mln lat temu) – z 389 dni. Podczas masowego wymierania na granicy kredy i paleogenu (K-Pg, 66 mln lat temu) rok obejmował około 370 dni, a doba była o 20 min krótsza niż obecnie.⁷

Geochronometria, czyli datowanie zjawisk geologicznych i biologicznych w historii Ziemi, początkowo zmagała się z trudnymi pytaniami w rodzaju: jak stara jest Ziemia albo kiedy dany okres geologiczny miał początek i koniec. Skalę wydarzeń geologicznych (tabelę stratygraficzną) umocowano w czasie głównie za pomocą datowania radiometrycznego. Metoda ta, rozwinięta w pierwszej połowie XX w., osiągnęła dojrzałość w latach sześćdziesiątych. Oczywiście nadal trwają badania nad precyzyjnym datowaniem zwłaszcza najstarszych okresów w dziejach Ziemi, które zostawiły po sobie niewiele dostępnego materiału, ale w zasadzie współczesna stratygrafia zakotwiczona jest solidnie za pomocą punktów odniesienia datowanych z dokładnością do kilku lub kilkudziesięciu tysięcy lat (okresy bliższe nam w czasie) lub od stu tysięcy do około miliona lat (bardzo daleka przeszłość). Nadal jednak dużo jest do zrobienia nie tylko, jeśli chodzi o zwiększanie precyzji metod datowania, ale i rekonstrukcję szczegółów – choćby tego, jak długo trwały w danej zamierzchłej epoce naturalne cykle takie jak doba słoneczna czy miesiąc księżycowy, albo jak wyglądało następstwo pór roku na różnych szerokościach geograficznych. Czasem pomoc przychodzi z nieoczekiwanej strony, na przykład dzięki uprzejmości skamieniałych koralowców.

Przypisy

1. Mniej więcej w tym czasie na lądzie żył Prototaxites, bohater mojego poprzedniego wpisu. ↩︎
2. W kategoriach teorii chaosu (o której pisał Wiesław Seweryn) orbity planet Układu Słonecznego są nieprzewidywalne w bardzo wielkiej skali czasu, jednak po migracjach, a nawet kolizjach planet zachodzących wskutek chaotycznych oddziaływań w najwcześniejszej historii układu, ustalił się stan względnej równowagi, utrzymujący się od miliardów lat i odporny na niewielkie zakłócenia. Z dużym prawdopodobieństwem Układ Słoneczny nie ulegnie katastrofalnym przekształceniom przez kolejny miliard lat. ↩︎
3. Dokładniej mówiąc, sekunda jako jednostka SI posiada definicję niezależną od zjawisk astronomicznych (pisał o tym Lucas Bergowsky). Jest zatem wielkością niezmienną, podobnie jak minuta (60 s) i godzina (60 min = 3600 s). Jednak definicje doby, miesiąca czy roku związane są z parametrami układu Słońce–Ziemia–Księżyc, które nie zawsze były takie jak dziś. Dzisiejszy rok, dzisiejsza doba albo dzisiejszy miesiąc księżycowy odpowiadają cyklom astronomicznym, które w dalekiej przeszłości miały inną długość. ↩︎
4. Dlatego przypływy występują dwa razy na dobę (dokładniej: co 12 godzin i 27 minut), a największe fale pływowe – dwa razy na miesiąc księżycowy: podczas nowiu i pełni Księżyca. Słońce, Ziemia i Księżyc znajdują się wtedy prawie w jednej linii i efekty oddziaływania grawitacyjnego Słońca i Księżyca na Ziemię sumują się. ↩︎
5. Woda łatwiej poddaje się działaniu sił pływowych, ale nie zawsze zdajemy sobie sprawę, że także stały ląd ulega odkształceniu, które może wynosić ok. 20–55 cm (wysokość wybrzuszenia w okolicach równika). ↩︎
6. Według modelu zakładającego impaktowe pochodzenie Księżyca czas ten szacuje się ostrożnie na kilka tysięcy lat, ale zdaniem niektórych badaczy formujący się Księżyc zsynchronizował swoją rotację z ruchem orbitalnym niemal natychmiast. ↩︎
7. Długość dnia konsekwentnie wzrastała przez 4,5 mld lat, ale tempo tego wzrostu bywało różne w zależności od dominujących w danej epoce mechanizmów rozpraszania energii rotacji Ziemi. ↩︎

Opisy ilustracji

Ilustracja w nagłówku. Diorama w Milwaukee Public Museum, przedstawiająca sylurską rafę koralową (444–419 mln lat temu) i różnych mieszkańców tego ekosystemu: liliowce, łodzikowce, ramienionogi, mszywioły, trylobity itd. Źródło: Field Museum, czyli Muzeum Historii Naturalnej w Chicago (licencja CC BY-SA 4.0).
Ryc. 1. Skamieniałość koralowca z gromady Rugosa. Na zdjęciu dolnym po lewej stronie widoczne są zgrubienia odpowiadające liniom rocznego przyrostu, jednak inne pierścienie przyrostów są całkowicie zatarte, ponieważ zewnętrzna powłoka szkieletu uległa erozji. Foto: Piotr Gąsiorowski 2025 (licencja CC BY-SA 4.0).
Ryc. 2. Artystyczna wizja zderzenia Thei (hipotetycznej planety o rozmiarach Marsa lub nieco większej) z młodą Ziemią około 4,5 mld lat temu. Część masy Thei (wraz domieszką materii ziemskiej) utworzyła chmurę wyrzuconych w przestrzeń odłamków, z których uformował się Księżyc. Proces ten trwał bardzo krótko, według niektórych symulacji tylko kilka godzin (raczej niż lat lub miesięcy). Źródło: NASA (domena publiczna).
Ryc. 3. Heliophyllum halli, dewoński koralowiec z gromady Rugosa (Michigan, USA) z idealnie zachowaną epiteką. Widoczne są roczne, miesięczne i dzienne pierścienie przyrostów. Źródło: British Geological Survey (non-commercial fair use).

Lektura dodatkowa

• Jak powstał Księżyc? Hipoteza wielkiego zderzenia: NASA i NASA.
• Synchronizacja pływowa rotacji Księżyca: NASA.
• John W. Wells i jego badania nad koralowcami: Kiera D. Crowley 2023 (Paleontological Research Institution).