Земля — не единственная планета, на которой есть времена года, но в других мирах они могут выглядеть совершенно по-другому.

Весна, лето, осень и зима — времена года на Земле меняются каждые несколько месяцев, каждый год примерно в одно и то же время. Здесь, на Земле, легко принять этот цикл как нечто само собой разумеющееся, но не на каждой планете наблюдается регулярная смена времен года. Так почему же на Земле есть регулярные времена года, а на других планетах их нет?

Я астрофизик, изучающий движение планет и причины смены времен года. В ходе своих исследований я обнаружил, что регулярная смена времен года на Земле уникальна. Ось вращения Земли вдоль Северного и Южного полюсов не совсем совмещена с вертикальной осью, перпендикулярной орбите Земли вокруг Солнца.

Этот небольшой наклон имеет серьезные последствия для всего: от времен года до ледниковых циклов. Величина этого наклона может даже определить, пригодна ли жизнь на планете.

Времена года на Земле

Когда планета имеет идеальное выравнивание между осью, по которой она вращается, и осью вращения, количество солнечного света, которое она получает, фиксировано во время ее обращения вокруг Солнца — при условии, что ее орбитальная форма представляет собой круг. Поскольку сезоны возникают из-за различий в том, сколько солнечного света достигает поверхности планеты, на идеально выровненной планете не будет времен года. Но Земля не идеально выровнена по своей оси.

Это небольшое отклонение, называемое наклоном, составляет около 23 градусов от вертикали Земли. Таким образом, Северное полушарие испытывает более интенсивный солнечный свет летом, когда солнце расположено более непосредственно над Северным полушарием.

Затем, поскольку Земля продолжает вращаться вокруг Солнца, количество солнечного света, получаемого Северным полушарием, постепенно уменьшается по мере того, как Северное полушарие отклоняется от Солнца. Это вызывает зиму.

Планеты, вращающиеся вокруг своих осей и вращающиеся вокруг Солнца, выглядят как волчки — они вращаются и раскачиваются под действием гравитационного притяжения Солнца. Когда волчок вращается, вы можете заметить, что он не просто остается совершенно вертикальным и неподвижным. Вместо этого он может начать слегка наклоняться или раскачиваться. Этот наклон астрофизики называют прецессией спина.

Из-за этих колебаний наклон Земли не фиксируется идеально. Эти небольшие изменения наклона могут оказать большое влияние на климат Земли в сочетании с небольшими изменениями формы орбиты Земли.

Колеблющийся наклон и любые естественные изменения формы земной орбиты могут изменить количество и распределение солнечного света, достигающего Земли. Эти небольшие изменения способствуют более значительным изменениям температуры на планете на протяжении тысяч и сотен тысяч лет. Это, в свою очередь, может привести к ледниковым периодам и периодам тепла.

Перевод наклона в времена года

Так как же изменения наклона влияют на времена года на планете? Низкий наклон, означающий, что ось вращения совпадает с ориентацией планеты, когда она вращается вокруг Солнца, приводит к более сильному солнечному свету на экваторе и низкому солнечному свету возле полюса, как на Земле.

С другой стороны, большой наклон — то есть ось вращения планеты направлена ​​к Солнцу или от него — приводит к появлению чрезвычайно горячих или холодных полюсов. При этом на экваторе становится холодно, так как солнце над экватором не светит круглый год. Это приводит к резкому изменению времен года в высоких широтах и ​​низким температурам на экваторе.

Когда наклон планеты превышает 54 градуса, экватор этой планеты покрывается льдом, а полюс становится теплым. Это называется обратной зональностью, и это противоположно тому, что есть на Земле.

По сути, если наклон имеет большие и непредсказуемые изменения, сезонные колебания на планете становятся дикими и их трудно предсказать. Резкое и сильное изменение угла наклона может превратить всю планету в снежный ком, покрытый льдом.

Спин-орбитальные резонансы

Большинство планет — не единственные планеты в своих солнечных системах. Их планетарные братья и сестры могут нарушать орбиту друг друга, что может привести к изменениям формы их орбит и наклона их орбит.

Итак, планеты на орбите выглядят как волчки, вращающиеся на крыше автомобиля, который трясется по дороге, где автомобиль представляет собой орбитальную плоскость. Когда скорость — или частота, как это называют ученые, — с которой волчки прецессируют или вращаются, совпадает с частотой, с которой автомобиль трясется вверх и вниз, происходит то, что называется спин-орбитальным резонансом.

Спин-орбитальные резонансы могут вызывать такие изменения наклона, когда планета колеблется вокруг своей оси. Представьте себе, что вы катаете ребенка на качелях. Если вы нажмете в нужное время или на резонансной частоте, они будут качаться все выше и выше.

Марс колеблется вокруг своей оси сильнее, чем Земля, хотя обе они наклонены примерно одинаково, и на самом деле это связано с вращением Луны вокруг Земли. Земля и Марс имеют одинаковую частоту прецессии вращения, которая соответствует орбитальным колебаниям — ингредиентам спин-орбитального резонанса.

Но у Земли есть массивная луна, которая притягивает ось вращения Земли и заставляет ее прецессировать быстрее. Эта немного более быстрая прецессия не позволяет ему испытывать спин-орбитальные резонансы. Таким образом, Луна стабилизирует наклон Земли, и Земля не колеблется вокруг своей оси так сильно, как Марс.

Сезоны экзопланет

За последние несколько десятилетий были открыты тысячи экзопланет или планет за пределами нашей солнечной системы. Моя исследовательская группа хотела понять, насколько обитаемы эти планеты, и есть ли у этих экзопланет резкий наклон или есть ли у них спутники для стабилизации, как у Земли.

Чтобы выяснить это, моя группа провела первое исследование изменений оси вращения экзопланет.

Мы исследовали Kepler-186f, первую обнаруженную планету размером с Землю, находящуюся в обитаемой зоне. Обитаемая зона — это область вокруг звезды, где на поверхности планеты может существовать жидкая вода, а жизнь может возникать и процветать.

В отличие от Земли, Kepler-186f расположена далеко от других планет Солнечной системы. В результате эти другие планеты оказывают лишь слабое влияние на ее орбиту и движение. Итак, Kepler-186f вообще имеет фиксированный наклон, как и Земля. Даже без большой луны здесь нет резко меняющихся или непредсказуемых времен года, как на Марсе.

В будущем дополнительные исследования экзопланет помогут ученым понять, как выглядят времена года на огромном разнообразии планет во Вселенной.

Информация от: Разговором