成理科学家PNAS发文：7亿年来地球自转阶梯式减速

北京时间8月7日，由王成善院士指导的成都理工大学大数据沉积团队在美国国家科学院院报（PNAS）上发表题为“Geological evidence reveals a staircase pattern in Earth’s rotational deceleration evolution”（地质证据揭示地球自转减速的阶梯状演化模式）的重要研究成果。论文的第一作者和通讯作者分别为沉积地质研究院的黄何研究员和马超教授，其他作者包括侯明才教授、钟瀚霆副教授、中国地质大学（北京）高远教授。

本次研究在国家自然科学基金基础科学中心项目“大陆演化与季风系统演变”（42488201）和面上基金“深时沉积记录约束下的太阳系行星轨道基本参数和地球轨道周期研究”（42172137）共同资助下，联合法国巴黎天文台、德国莱布尼兹应用地球物理研究所、爱尔兰都柏林大学圣三一学院、中国地质大学（北京）的相关团队成员进行攻关，展开天文-地质的交叉研究，结合地质记录和天文理论计算重建了过去7亿年至2亿年地球自转减速的阶梯状演化过程。本次研究对重建地-月系统的演化历史、探究地球自转减速的气候、环境、生物演化等方面也具有重要的理论意义。

图1. 论文首页

图2. 团队联合四川省诗书画院罗婧文画家共同创作的中国画，展示了地球阶梯式自转减速影响的潮汐和地球系统的演化

近期，发表在Nature和PNAS的文章揭示了由全球变暖导致的冰川融化正在以显著的速度减缓地球自转（Duncan Carr Agnew，2024, Nature； Shahvandi et al., 2024, PNAS），其速率大约是每百年约0.3-1毫秒，但是自2000年以来，该速率增加到每百年1.33毫秒，这两项研究引起了学界和社会的广泛关注。其实，在地质历史时期，由于地月引力产生的潮汐耗散作用使得地球自转减速现象一直存在，但是地质历史时期地球自转减慢的速率是否和现今一致呢？针对以上科学问题，成都理工大学大数据沉积团队联合国际著名的天文学家Jacques Laskar团队以及德国、爱尔兰的地层学家团队经过2年的联合攻关，通过对地层记录中的天文旋回信号进行深入分析，结合蒙特卡洛贝叶斯计算，获得了过去7亿年至2亿年前的地球自转参数，通过天文理论计算，得到地球自转周期和地—月距离。这些结果能够独立验证潮汐模型的可靠性，并揭示7亿至2亿年前地球自转减速的阶梯模式。在这个时期，地月距离增加了约20000公里（每百年增加约4米），日长增加了约2.2小时（每百年增加约1.58毫秒）。此外，本次研究表明地质历史时期的超大陆聚合和冰川发育也会影响地球自转速率，但通过数值计算得出地球过去5亿年至3.5亿年自转减速停滞的原因主要归因于当时大陆-海洋结构导致的潮汐耗散减弱，而不是超大陆聚合或冰川作用导致的地球动态椭球度变化。但是，本次研究的计算结果也表明，当地球自转速度减缓到一定程度时（即：一天的时长大于23小时45分时），潮汐耗散作用将不占主导地位。通过对比同时期的生物演化数据、海洋地球化学数据等，研究还发现地球自转的两个主要减速期可能为早期海洋生态系统的演化提供了必要的条件。

图3. 地球自转减速的“阶梯状”模式

论文信息：He Huang, Chao Ma, Jacques Laskar, Matthias Sinnesael, Mohammad Farhat, Nam H. Hoang, Yuan Gao, Christian Zeeden, Hanting Zhong, Mingcai Hou, and Chengshan Wang (2024). "Geological evidence reveals a staircase pattern in Earth’s rotational deceleration evolution." Proceedings of the National Academy of Sciences 121(33): e2317051121.

论文链接:  https://doi.org/10.1073/pnas.2317051121

据悉，《美国科学院院报》（Proceedings of the National Academy of Sciences，PNAS）于1914年创立，是与《Nature》、《Science》、《Cell》齐名的，世界上被引最多的综合性、跨学科连续出版物之一。PNAS主要刊载世界尖端的研究报告、学术评论、学科回顾及前瞻、观点展示、学术论文以及美国科学院学术动态报道等，所涵盖学科领域主要为生命科学、自然科学、社会科学。