Nous présentons une analyse statistique d'une compilation de contraintes observationnelles sur la longueur du jour au Précambrien et constatons que la longueur du jour s'est arrêtée à environ 19 heures pendant environ 1 milliard d'années au milieu du Protérozoïque. Nous suggérons que le couple accélérateur des marées thermiques atmosphériques provenant de l'énergie solaire a contrebalancé le couple décélérateur des marées océaniques lunaires, stabilisant temporairement la rotation de la Terre. Cette stabilisation coïncide avec une période d'évolution biologique relativement limitée connue sous le nom de "milliard ennuyeux".

Sur Terre, une journée ne durait autrefois que 19 heures

Sur Terre, un jour solaire dure 24 heures. C'est le temps qu'il faut au Soleil pour revenir à la même place dans le ciel que la veille. La Lune, le seul satellite naturel de la Terre, met environ 27 jours pour effectuer un seul tour autour de notre planète, à une distance moyenne de 384 399 km (~238 854,5 mi). Depuis des temps immémoriaux, l'homme suit l'évolution du Soleil et de la Lune, ainsi que leurs périodes sidérales et synodiques. Pour autant que nous le sachions, les mécanismes orbitaux qui régissent le système Terre-Lune sont toujours les mêmes et nous les considérons comme acquis.

Mais il fut un temps où l'orbite de la Lune était nettement plus proche de la Terre et où le jour moyen était beaucoup plus court qu'aujourd'hui. Selon une étude récente menée par deux chercheurs chinois et allemands, une journée moyenne a duré environ 19 heures pendant un milliard d'années au cours de l'ère protérozoïque, une période géologique du Précambrien qui a duré de 2,5 milliards d'années à 541 millions d'années. Cela démontre que la durée d'une journée sur Terre n'a pas augmenté progressivement au fil du temps (comme on le pensait auparavant), mais qu'elle est restée constante pendant une longue période.

L'étude a été menée par Ross N. Mitchell, professeur de géosciences au CAS State Key Laboratory of Lithospheric Evolution à l'Institut de géologie et de géophysique et au College of Earth and Planetary Sciences de l'Université de l'Académie chinoise des sciences, et Uwe Kirscher, anciennement à l'Université de Tübingen, en Allemagne, et actuellement chercheur à l'Institute for Geoscience Research de l'Université Curtin, en Australie. L'article qui détaille leur recherche, intitulé "Mid-Proterozoic day length stalled by tidal resonance", a récemment été publié dans Nature Geosciences.

Au cours des dernières décennies, les géologues ont examiné un type particulier de roche sédimentaire contenant des couches préservées provenant de vasières. En comptant le nombre de couches sédimentaires causées par les fluctuations des marées, ils ont pu déterminer le nombre d'heures par jour au cours des périodes géologiques précédentes. Mais de tels relevés sont rares et ceux qui ont été examinés ont souvent été contestés quant à leur âge. Il existe cependant une autre méthode pour estimer la durée du jour, connue sous le nom de cyclostratigraphie, que Mitchell et Kircher ont utilisée pour leur étude.

Cette méthode géologique consiste à examiner les couches sédimentaires rythmiques pour détecter les cycles de Milankovitch, qui décrivent comment les changements d'excentricité et d'obliquité de l'orbite terrestre affectent le climat de la Terre au fil du temps. Ces dernières années, le nombre d'enregistrements de Milankovitch concernant le passé ancien a augmenté. En fait, plus de la moitié des données concernant les périodes géologiques anciennes ont été obtenues au cours des sept dernières années seulement. Mitchell et Kircher ont ainsi pu tester une théorie qui n'avait pas été prouvée auparavant. Comme l'explique Kirscher dans un récent communiqué de presse du CAS :

"Deux cycles de Milankovitch, la précession et l'obliquité, sont liés à l'oscillation et à l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre dans l'espace. La rotation plus rapide de la Terre primitive peut donc être détectée dans des cycles de précession et d'obliquité plus courts dans le passé. C'est pourquoi, si ces deux forces opposées étaient devenues égales dans le passé, une telle résonance de marée aurait fait que la longueur du jour sur Terre aurait cessé de changer et serait restée constante pendant un certain temps".

En bref, cette théorie postule que la longueur du jour a pu rester constante dans le passé pendant de longues périodes au lieu de s'allonger progressivement. Les "marées atmosphériques solaires", où la "poussée" des particules solaires chargées provenant du Soleil (alias le vent solaire) est liée au réchauffement de notre atmosphère pendant la journée, constituent un facteur clé à cet égard. Ce phénomène est similaire à celui des marées lunaires, causées par l'attraction de la gravité de la Lune, qui sont liées à la montée et à la descente du niveau des océans. Mais alors que la gravité de la Lune a lentement ralenti la rotation de la Terre, c'est le Soleil qui l'a accélérée.

Si les marées solaires ne sont pas aussi fortes que les marées lunaires aujourd'hui, il n'en a pas toujours été ainsi. Lorsque la Terre tournait plus vite dans le passé, l'influence de l'attraction gravitationnelle de la Lune aurait été beaucoup plus faible. Lorsque Mitchell et Kirscher ont examiné la compilation des données, ils ont remarqué qu'il y a entre deux et un milliard d'années, la durée du jour sur Terre semble avoir cessé d'augmenter à long terme et s'est arrêtée à environ 19 heures. Selon Mitchell, cette période est alternativement appelée "le milliard d'années" ou "le milliard ennuyeux".

Ce qui intrigue particulièrement dans ce nouveau résultat, c'est que le "milliard ennuyeux" s'est produit entre les deux plus grandes augmentations de la teneur en oxygène de notre atmosphère. Il s'agit de la grande oxydation, au cours de laquelle des bactéries photosynthétiques ont considérablement augmenté la quantité d'oxygène dans l'atmosphère, et de la période cryogénienne (alias "Terre boule de neige"), une période glaciaire au cours de laquelle toute la surface (ou presque) était recouverte de glace. S'ils sont confirmés, ces résultats indiquent que l'évolution de la rotation de la Terre est liée à la composition de son atmosphère.

L'étude soutient également l'idée qu'il fallait des jours plus longs pour que les bactéries photosynthétiques puissent produire suffisamment d'oxygène pour atteindre les niveaux atmosphériques modernes (24 %). Cependant, la principale implication de cette étude est la façon dont elle modifie la perception qu'ont les astronomes de la rotation de la Terre dans le passé (ou "paléorotation"). On a longtemps pensé que la Lune avait progressivement absorbé l'énergie de rotation de la Terre, ralentissant la planète, propulsant la Lune sur une orbite plus élevée et créant une journée de 24 heures. Mais ces résultats indiquent qu'il y a eu une rupture dans ce processus entre 2 milliards et 1 milliard d'années. Comme le résume Kirscher :

"La plupart des modèles de rotation de la Terre prédisent que la durée du jour était de plus en plus courte en remontant dans le temps. Deux cycles de Milankovitch, la précession et l'obliquité, sont liés à l'oscillation et à l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre dans l'espace. La rotation plus rapide de la Terre primitive peut donc être détectée par des cycles de précession et d'obliquité plus courts dans le passé".

Pour en savoir plus : Phys.org, Nature Geoscience

https://phys.org/news/2023-06-billion-years-earth-history-days.html
https://www.nature.com/articles/s41561-023-01202-6