Le oscillazioni risonanti dell'atmosfera di un pianeta causate dalle maree gravitazionali e dal riscaldamento della sua stella potrebbero impedire alla rotazione di un pianeta di rallentare costantemente nel tempo, secondo una nuova ricerca di Caleb Scharf, chi è il direttore di astrobiologia alla Columbia University. Le sue scoperte suggeriscono che l'effetto è potenziato per un pianeta con un'atmosfera che è stata ossigenata dalla vita, e le risultanti "maree atmosferiche" potrebbero persino fungere da biofirma.

Le maree possono distorcere la massa di un pianeta, che a sua volta influenza la sua rotazione. Abbiamo più familiarità con le maree gravitazionali, che sulla Terra sentiamo dalla gravità della Luna e del Sole. Queste maree gravitazionali creano rigonfiamenti mentre la Terra gira, e la Luna e il Sole tirano quei rigonfiamenti, rallentando la rotazione.

Al contrario, maree atmosferiche, a volte chiamate maree termiche o solari, si verificano quando la luce solare riscalda la superficie e l'aria sul lato diurno della Terra. Quel riscaldamento sposta la massa dell'atmosfera dal punto più caldo ai punti più freddi del pianeta. Come per le maree gravitazionali, le maree atmosferiche causano rigonfiamenti vulnerabili alle forze gravitazionali. Quei rigonfiamenti cambiano sottilmente la forma dell'atmosfera terrestre, allungandolo da una sfera a qualcosa di leggermente meno simmetrico e più ellittico. Scharf suggerisce di immaginare una "maniglia" sulla Terra, e che le forze che tirano la maniglia atmosferica possono quindi aiutare ad accelerare o rallentare la rotazione del pianeta.

Frequenze di risonanza

Generalmente, gli effetti prodotti da queste forze di marea termica sono relativamente piccoli, ma gli effetti possono essere aumentati in determinate circostanze, come nelle risonanze. Queste sono frequenze vibrazionali naturali che descrivono il movimento ondulatorio dei ponti nel vento, o essere spinto sempre più in alto su un'altalena. La ridistribuzione atmosferica viene amplificata quando la velocità di rotazione del pianeta corrisponde alla frequenza naturale dell'oscillazione dell'atmosfera.

Scharf usa un'altra metafora per spiegare la risonanza:"È come suonare un violino, " lui dice Rivista di astrobiologia . "L'atmosfera è una corda di violino avvolta intorno al pianeta. Se si tira l'arco alla giusta velocità attraverso la corda, ottieni la nota giusta e il suono più forte."

Gli scienziati ritengono che la risonanza si sia verificata con la Terra quando i suoi giorni duravano circa 21 ore. Quella lunghezza del giorno avrebbe creato un picco nel movimento atmosferico, il che significa che avrebbe sentito le più forti spinte di marea dal Sole e dalla Luna, creando una "maniglia" particolarmente grande e una coppia massima. A quella risonanza, l'influenza di una stella sull'atmosfera di un pianeta è massima, così come gli effetti sulla rotazione del pianeta. Un fenomeno chiamato "intrappolamento risonante" può verificarsi quando le forze opposte esercitate sulla maniglia atmosferica, e dalle solite maree gravitazionali del pianeta, raggiungere l'equilibrio, bloccando la velocità di rotazione del pianeta.

Uscire dalla trappola

Secondo Scharf, la ricerca suggerisce che la Terra potrebbe essere stata intrappolata in modo risonante alla durata del giorno di 21 ore per "centinaia di milioni di anni, " forse nell'era Precambriana oltre 500 milioni di anni fa. Gli effetti della cattura risonante sono difficili da misurare da soli, ma in generale Scharf nota che i pianeti con rotazioni più veloci hanno equatori più caldi e poli più freddi. Essere intrappolati in modo risonante potrebbe aver influenzato il clima della Terra, ma più importante è il ruolo dell'intrappolamento risonante nell'evoluzione del clima.

La risonanza può essere (e nel caso della Terra sarebbe stata necessariamente) interrotta da fluttuazioni di temperatura, come un rapido riscaldamento dopo un congelamento profondo, che riavvierebbe l'aumento della durata del giorno per milioni di anni quando la rotazione di un pianeta riprende a rallentare.

Ad esempio, è possibile che 3-4 miliardi di anni fa, La Terra aveva una giornata di 12 ore, e che nel tempo si è allungato a 24 ore. Ad un certo punto in un lontano futuro, un giorno terrestre potrebbe durare più di 24 ore.

Un fenomeno comune

Poiché la maggior parte dei pianeti sperimenta maree gravitazionali che potrebbero influenzare la loro rotazione, Scharf crede che altri pianeti rocciosi alla fine sperimenterebbero una trappola risonante, con conseguente durata del giorno mantenuta costante per lunghi periodi di tempo.

Rory Barnes, un professore presso il Laboratorio Planetario Virtuale della NASA dell'Università di Washington, concorda sul fatto che questo processo può essere diffuso.

"Mentre Scharf riproduceva i risultati passati per la Terra, il suo modello di questo complicato fenomeno è semplice ed elegante, "dice. "Tuttavia, è difficile dire in modo definitivo quali potrebbero essere gli effetti su un pianeta specifico, data la complicazione dell'influenza dei climi, condizioni atmosferiche, dimensione, ecc. Ma il tentativo di prim'ordine di Scharf di districare questi fattori fornisce idee per un ulteriore perfezionamento".

Un'implicazione particolarmente interessante del lavoro di Scharf è la possibilità che l'attività biologica possa influenzare anche la rotazione di un pianeta. Molecole come l'ozono rendono l'atmosfera più calda, che rende le maree termiche più forti e sposta la risonanza su lunghezze del giorno più brevi. Se la vita su un pianeta produce ossigeno, il pianeta accumulerebbe l'ozono che promuove l'intrappolamento risonante prima nella storia di un pianeta. Tali possibilità «dipendono tutte dalla sequenza degli eventi, " dice Scharf. Se la Terra fosse nel mezzo di una risonanza, l'aumento dell'ozono potrebbe romperlo; se la Terra avesse già sperimentato la risonanza, potrebbe entrare di nuovo in quello stato.

Un feedback positivo per la vita?

La domanda da un milione di dollari è se le alterazioni rotazionali prodotte dall'ossigenazione o dall'ozono sarebbero favorevoli alla vita. È questo un processo di feedback positivo che aiuta la vita a influenzare il suo ambiente planetario in modo tale da aiutare a propagare quella vita? Scharf dice che è troppo presto per dirlo con certezza, ma se l'attività biologica può aiutare a bloccare lo stato risonante, la presenza della vita potrebbe generare un ciclo di feedback.

Se gli scienziati potessero ottenere più dati sull'evoluzione della rotazione terrestre negli ultimi quattro miliardi di anni, potrebbero "confrontarlo con i nostri dati sull'ossigenazione atmosferica e cercare correlazioni che potrebbero suggerire gli effetti dell'ossigenazione sulla cattura risonante - il che sarebbe piuttosto sconcertante, ma del tutto possibile, "dice Scharf. Barnes è d'accordo, definendola una "idea provocatoria che merita ulteriori studi".

Un'altra idea per un esame futuro è se i tassi di rotazione planetaria potrebbero fornire un supporto circostanziale per la potenziale abitabilità di un pianeta.

"Rilevare i tassi di rotazione dei pianeti è incredibilmente difficile, "dice Scharf, "ma visti i progressi nelle scienze esoplanetarie, forse c'è un modo per farlo".

Anche se gli scienziati riuscissero a capire come misurare la velocità di rotazione dei pianeti rocciosi, Scharf dubita che troverebbero una "pistola fumante" che si collega causalmente alla presenza della vita biologica. Però, i calcoli della velocità di rotazione potrebbero essere uno dei tanti strumenti utilizzati dagli astrobiologi per cercare pianeti che supportano la vita. A Barnes piacerebbe vedere "un esperimento che isoli il ruolo della biologia sulla velocità di rotazione di un pianeta e sulla potenziale abitabilità, " ma nel frattempo, aggiungerà osservazioni sulla velocità di rotazione alla sua lista di controllo extraterrestre.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione dell'Astrobiology Magazine della NASA. Esplora la Terra e oltre su www.astrobio.net.