Пляжный сезон на соседней планете: существуют ли времена года за пределами Земли

Весна, лето, осень и зима – времена года на Земле меняются каждые несколько месяцев, примерно в одно и то же время. Легко принимать этот цикл как должное здесь, на Земле, но не на каждой планете можно наблюдать регулярную смену сезонов. Итак, почему на Земле есть регулярные времена года, когда на других планетах их нет?

Регулярный цикл сезонов на Земле уникален. Ось, по которой вращается Земля вдоль северного и южного полюсов, не совсем выровнена с вертикальной осью, перпендикулярной орбите Земли вокруг Солнца.

Этот небольшой наклон имеет большое значение для множества физических явлений, начиная от времен года и заканчивая таянием ледников. Величина этого наклона даже может определить, пригодна ли планета для жизни.

Времена года на Земле

Если у планеты идеальное выравнивание между осью, вокруг которой она вращается, и осью вращения, то количество света, которое она получает, фиксировано по мере ее обращения вокруг Солнца — при условии, что орбита планеты имеет форму круга. Поскольку сезоны происходят из-за изменений в количестве света, достигающего поверхности, планета, которая идеально выровнена, не имела бы времен года. Но Земля не идеально выровнена по своей оси.

Для Земли это небольшое отклонение составляет около 23 градусов от вертикали. Таким образом, северное полушарие испытывает более интенсивное солнечное излучение летом, когда солнце находится прямо над северным полушарием.

Затем, по мере того, как Земля продолжает обращаться вокруг Солнца, количество солнечного излучения, достигающего северного полушария, постепенно уменьшается, поскольку северное полушарие отклоняется от Солнца. В результате этих изменений начинается зима.

Планеты, вращающиеся на своих осях и обращающиеся вокруг Солнца, выглядят как крутящиеся "волчки" – они вращаются и раскачиваются из-за гравитационного притяжения Солнца. Когда "волчок" крутится, вы можете заметить, что он не остается совершенно вертикальным и неподвижным. Вместо этого он может начать наклоняться или немного качаться. Этот наклон — то, что астрофизики называют прецессией.

Из-за этих качаний наклон Земли не зафиксирован. Эти небольшие вариации наклона могут иметь большое влияние на климат Земли в сочетании с небольшими изменениями формы орбиты Земли.

Качание наклона и любые естественные изменения формы орбиты Земли могут изменить количество и распределение солнечного излучения, достигающего Земли. Эти небольшие изменения способствуют более серьезным изменениям температуры планеты за тысячи или сотни тысяч лет. Это, в свою очередь, может вызывать ледниковые периоды и периоды засухи.

Как наклон влияет на времена года

Как же именно вариации наклона влияют на сезоны на планете? Низкий наклон приводит к более сильному солнечному излучению на экваторе и низкому солнечному излучению у полюса, как на Земле.

С другой стороны, высокий наклон, когда ось вращения планеты направлена к Солнцу или от него — приводит к чрезвычайно жарким или холодным полюсам. В то же время экватор становится холодным, поскольку солнце не светит над экватором круглый год. Это приводит к кардинально различающимся сезонам на высоких широтах и низким температурам на экваторе.

Когда у планеты наклон больше 54 градусов, экватор этой планеты покрывается льдом, а полюс становится теплым. Это называется обратной зонацией, и это — противоположность ситуации на Земле.

В основном, если наклон имеет большие и непредсказуемые изменения, сезонные изменения на планете становятся сложными для прогнозирования. Драматические, значительные изменения наклона могут превратить всю планету в снежный ком, где все покрыто льдом.

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

Резонансы вращения по орбите могут вызвать разные вариации наклона, когда планета раскачивается на своей оси. Вспомните о том, как вы качаете ребенка на качелях. Если вы это делаете в точное время – или на резонансной частоте – качели будут подниматься все выше и выше.

Марс раскачивается на своей оси больше, чем Земля, хотя обе планеты имеют приблизительно одинаковый наклон, и это действительно связано с тем, что Луна вращается вокруг Земли. У Земли и Марса схожая частота прецессии вращения.

Но у Земли есть огромная Луна, которая тянет ось вращения Земли и заставляет ее колебаться быстрее. Эта немного более быстрая прецессия предотвращает возникновение резонанса вращения по орбите. Таким образом, Луна стабилизирует наклон Земли, и Земля не раскачивается на своей оси так сильно, как Марс.

Времена года на экзопланетах

За последние несколько десятилетий были обнаружены тысячи экзопланет, или планет вне нашей Солнечной системы. Ученые со всего мира пытаются понять, насколько пригодны для обитания эти планеты, и есть ли у этих экзопланет такие же непредсказуемые наклоны, или они имеют свои луны, которые стабилизируют их, как это происходит на Земле.

Для этого исследователи изучили Кеплер-186f, который является первой обнаруженной планетой размером с Землю в обитаемой зоне. Обитаемая зона – это область вокруг звезды, где на поверхности планеты может существовать жидкая вода, и на которой может появиться и процветать жизнь.

В отличие от Земли, Кеплер-186f находится далеко от других планет в своей солнечной системе. В результате эти другие планеты имеют только слабое воздействие на его орбиту и движение. Так что Кеплер-186f в целом имеет фиксированный наклон, аналогичный Земле. Даже без большой Луны у него нет "диких" непредсказуемых сезонов, как у Марса.