Patrząc na księżyc na nocnym niebie, nigdy bym nie pomyślał, że powoli oddala się on od Ziemi. W 1969 roku misje Apollo NASA zainstalowały na Księżycu panele odblaskowe. Pokazali, że Księżyc oddala się obecnie od Ziemi o 3,8 cm rocznie. Jeśli weźmiemy obecne tempo recesji Księżyca i cofniemy je w czasie, dojdziemy do kolizji Ziemi z Księżycem około 1,5 miliarda lat temu. Jednak Księżyc powstał około 4,5 miliarda lat temu, co oznacza, że obecne tempo recesji jest słabym punktem odniesienia dla przeszłości.

Badacze z Uniwersytetu w Utrechcie i Uniwersytetu Genewskiego użyli kombinacji metod, aby spróbować uzyskać informacje o odległej przeszłości naszego Układu Słonecznego. Niedawno odkryto idealną lokalizację, aby odsłonić długą historię naszego oddalającego się księżyca. I nie wynika to z badania samego Księżyca, ale z odczytywania sygnałów w starożytnych warstwach skalnych na Ziemi. Informacja o badaniach na ten temat zostały opublikowane w Proceedings of the National Academy of Sciences.

W pięknym Parku Narodowym Karijini w Australii Zachodniej kilka wąwozów przecina rytmicznie warstwowe osady o wieku 2,5 miliarda lat. Te osady to pasmowe formacje żelaza, składające się z charakterystycznych warstw minerałów bogatych w żelazo i krzemionkę, które niegdyś były szeroko osadzone na dnie oceanicznym, a obecnie znajdują się w najstarszych częściach skorupy ziemskiej. Wychodnie skalne w Joffre Falls pokazują, jak warstwy czerwono-brązowej formacji żelaza o grubości nieco poniżej metra przeplatają się w regularnych odstępach z ciemniejszymi, cieńszymi horyzontami.

Ciemniejsze interwały składają się z bardziej miękkich skał, bardziej podatnych na erozję. Bliższe przyjrzenie się wychodniom ujawnia obecność dodatkowej regularnej zmienności na mniejszą skalę. Powierzchnie skalne, wypolerowane przez sezonową wodę rzeczną przepływającą przez wąwóz, odsłaniają wzór naprzemiennie białych, czerwonawych i niebieskawo-szarych warstw. W 1972 roku australijski geolog A.F. Trendall podniósł kwestię pochodzenia różnych skal cyklicznych powtarzających się wzorów widocznych w tych starożytnych warstwach skalnych. Zasugerował, że wzorce mogą być związane z przeszłymi zmianami klimatycznymi spowodowanymi przez tak zwane „cykle Milankovitcha”.

Cykle Milankovitcha opisują, jak niewielkie okresowe zmiany kształtu orbity Ziemi i orientacji jej osi wpływają na rozkład światła słonecznego odbieranego przez Ziemię na przestrzeni kilku lat. Obecnie dominujące cykle Milankovitcha zmieniają się co 400 tys. lat, 100 tys. lat, 41 tys. lat i 21 tys. lat. Zmiany te mają silny wpływ na nasz klimat przez długi czas. Kluczowymi przykładami wpływów Milankovitcha na klimat w przeszłości są ekstremalnie zimne lub ciepłe okresy oraz bardziej wilgotne lub suche klimaty regionalne.

Te zmiany klimatyczne znacząco zmieniły warunki na powierzchni Ziemi, takie jak wielkość jezior. Wyjaśniają okresowe zazielenienie Sahary i niski poziom tlenu w głębokim oceanie. Cykle Milankovitcha wpłynęły również na migrację i ewolucję flory i fauny, w tym naszego gatunku, a ślady tych zmian można odczytać w cyklicznych zmianach w skałach osadowych.

Odległość między Ziemią a Księżycem jest bezpośrednio związana z częstotliwością jednego z cykli Milankovitcha, cyklu precesji klimatycznej. Cykl ten występuje z powodu ruchu precesyjnego (kołysania) lub zmiany orientacji osi obrotu Ziemi w czasie. Cykl ten trwa obecnie ~21 tys. lat, ale okres ten byłby krótszy w przeszłości, gdy Księżyc znajdował się bliżej Ziemi. Oznacza to, że jeśli najpierw znajdziemy cykle Milankovitcha w starych osadach, a następnie sygnał chybotania Ziemi i wyznaczymy jego okres, możemy oszacować odległość między Ziemią a Księżycem w momencie sedymentacji. Poprzednie badania wykazały, że cykle Milankovitcha mogą utrzymywać się w starożytnej formacji żelaza wstęgowego w Afryce Południowej, co potwierdza teorię Trendalla.

Żelazne formacje pasmowe w Australii prawdopodobnie osadzały się w tym samym oceanie, co skały południowoafrykańskie około 2,5 miliarda lat temu. Jednak cykliczna zmienność u ras australijskich jest lepiej wykrywana, co pozwala badać zmienność w znacznie wyższej rozdzielczości. Analiza australijskiej formacji pasm żelaza wykazała, że skały zawierają kilka skal cykli, które w przybliżeniu powtarzają się w odstępach od 10 do 85 cm. Porównując te grubości z szybkością osadzania, odkryto, że te cykliczne zmiany zachodziły w przybliżeniu co 11 tys. lat i 100 tys. lat.

Tak więc analiza wykazała, że 11 tys. cykl obserwowany w skałach jest prawdopodobnie związany z cyklem precesji klimatycznej, która ma znacznie krótszy okres niż obecne ~21tys. lat. Następnie wykorzystano ten sygnał precesji do obliczenia odległości między Ziemią i Księżycem 2,46 miliarda lat temu. Odkryto, że Księżyc był wtedy około 60 tys. kilometrów bliżej Ziemi (odległość ta jest około 1,5 raza większa od obwodu Ziemi). To sprawiłoby, że długość dnia byłaby znacznie krótsza niż obecnie, około 17 godzin zamiast obecnych 24 godzin.

Badania astronomiczne dostarczyły modeli do powstawania naszego Układu Słonecznego i obserwacji aktualnych warunków. Badanie i kilka innych testów stanowią jedną z niewielu metod uzyskiwania rzeczywistych danych na temat ewolucji naszego Układu Słonecznego i będą miały kluczowe znaczenie dla przyszłych modeli układu Ziemia - Księżyc.

Co zaskakujące, przeszłą dynamikę Układu Słonecznego można określić na podstawie niewielkich zmian w dawnych skałach osadowych. Jednak jeden ważny punkt danych nie daje pełnego zrozumienia ewolucji układu Ziemia - Księżyc. Teraz potrzebujemy innych wiarygodnych danych i nowych podejść do modelowania, aby śledzić ewolucję Księżyca w czasie. Zespół badawczy już poszukuje kolejnej grupy skał, które mogą pomóc odkryć więcej wskazówek dotyczących historii Układu Słonecznego.