Земята не е единствената планета, на която има сезони

Пролет, лято, есен и зима – сезоните на Земята се сменят на всеки няколко месеца, приблизително по кажи-речи едно и също време всяка година. Лесно е да приемем този цикъл за даденост тук – но не на всяка планета той е такъв.

Защо обаче Земята има редовни сезони, а другите планети – не?

Гунджи Ли от Техническия институт в Грузия е астрофизик, който изучава тази материя – движението на планетите и причините за появата на сезоните. По време на изследванията си установява, че редовната смяна на сезоните на Земята е уникална. Оста, по която се върти Земята, по протежение на Северния и Южния полюс, не съвпада съвсем с вертикалната ос, перпендикулярна на земната орбита около Слънцето, и този лек наклон има голямо значение за цялата работа – от сезоните до циклите на ледниците. Големината на този наклон може дори да определи дали една планета е подходяща за живот.

Сезони на Земята

Когато планетата има перфектно съответствие между оста на орбитата ѝ и оста, около която се върти тя самата, количеството слънчева светлина, което получава, е фиксирано, докато обикаля около своята звезда – ако приемем, че формата на орбитата ѝ е окръжност. Тъй като сезоните произтичат от вариациите в това количеството слънчева светлина, планета, която е идеално подравнена по този начин, не би имала сезони. Но Земята не е в това положение.

Това малко разминаване в осите, наречено осева инклинация, е около 23 градуса от вертикалата за Земята. Затова Северното полукълбо изпитва по-интензивна слънчева светлина през лятото, когато Слънцето е разположено по-пряко над него.

След това, докато Земята продължава да обикаля около Слънцето, количеството светлина, което получава Северното полукълбо, постепенно намалява, тъй като то се отклонява от Слънцето. Това води до зимата.

Планетите, които се въртят около осите си и обикалят около Слънцето, приличат на пумпали – те се въртят и поклащат заради гравитационното привличане от звездата. Когато един пумпал се върти, може да забележите, че той не остава идеално вертикален, а се накланя. Това накланяне астрофизиците наричат прецесия на въртенето.

Прецесия на жироскоп

Поради тези колебания инклинацията на Земята не е напълно фиксирана. Тези малки колебания в в нея могат да имат голямо въздействие върху климата, когато се комбинират с малки промени във формата на земната орбита.

Колебливият наклон и всички естествени вариации на формата на земната орбита могат да променят количеството и разпределението на слънчевата светлина, която достига до планетата. Тези малки промени допринасят за по-големите температурни разлики в продължение на хиляди до стотици хиляди години. Това от своя страна може да доведе до ледникови периоди и периоди на затопляне.

Превръщане на инклинацията в сезони

Как промените в наклона влияят на сезоните на планетата? Ниската инклинация – което означава, че оста на въртене е изравнена с ориентацията на планетата при обикалянето ѝ около Слънцето – води до по-силна слънчева светлина на екватора и слаба слънчева светлина в близост до полюса, както е на Земята.

От друга страна, високата инклинация – което означава, че оста на въртене на планетата е наклонена към или от Слънцето – води до изключително горещи или студени полюси. В същото време екваторът става студен, тъй като Слънцето не грее над екватора през цялата година. Това води до драстично променящи се сезони във високите географски ширини и ниски температури на екватора.

Когато една планета е наклонена повече от 54 градуса, екваторът ѝ става леден, а полюсът – топъл. Това се нарича обърната зоналност и е обратното на това, което се случва на Земята.

Ако пък инклинацията има големи и непредсказуеми колебания, сезонните вариации на планетата стават безумни и трудни за прогнозиране. Една драматична, голяма вариация в наклона може да превърне цялата планета в снежна топка.

Резонанси в орбитата

Повечето планети не са единствените в своите слънчеви системи. Така те могат да нарушават взаимно орбитите си, което може да доведе до вариации във формата на тази орбити и съответно техния орбитален наклон.

Така докато обикалят, планетите изглеждат нещо като пумпали, които се въртят на покрива на кола, която заобикаля дупки по пътя, където колата представлява орбиталната равнина. Когато скоростта – или честотата, както я наричат учените – с която върховете се въртят, съвпада с честотата, с която колата заобикаля, се получава нещо, наречено спин-орбитален резонанс.

Спин-орбиталните резонанси могат да причинят тези промени в наклона, когато планетата се колебае около оста си. Все едно бутате дете на люлка – когато го правите в точния момент, то ще се люлее все по-високо и по-високо.

Марс се колебае повече около оста си, отколкото Земята, въпреки че двете планети са наклонени приблизително еднакво, и това всъщност е свързано с обикалянето на Луната около Земята. Земята и Марс имат сходна честота на прецесия на въртенето, която съвпада с орбиталните колебания – съставките за спин-орбитален резонанс.

Но Земята има огромна Луна, която дърпа оста ѝ на въртене с гравитацията си и я кара да се движи по-бързо. Тази малко по-бърза прецесия пречи на планетата ни да изпитва резонанси на орбитата. Така Луната стабилизира наклона на Земята и тя не се клати около оста си толкова силно, колкото Марс.

Пътят на Марс опколо Слънцето

Сезони на екзопланетите

През последните няколко десетилетия са открити хиляди екзопланети, тоест планети извън нашата Слънчева система. Но колко от тях са обитаеми и дали имат някакви безумни наклони, или луни, които да ги стабилизират, както Земята.

За да проучи това, групата на Гунджи Ли проведе първото изследване на вариациите на оста на въртене на екзопланетите.

Те изследват Kepler-186f, която е първата открита планета с размер на Земята в обитаемата зона около звездата си (областта, която позволява на повърхността на планетата да има течна вода).

За разлика от Земята, Кеплер се намира далеч от другите планети в слънчевата си система и в резултат на това тези други планети оказват слабо влияние върху нейната орбита и движение. Така че като цяло има фиксиран наклон, подобно на Земята. Дори и без голям спътник около себе си, планетата няма диво променящи се или непредсказуеми сезони като Марс.

В перспектива по-нататъшните изследвания на екзопланетите ще помогнат на учените да разберат как изглеждат сезоните в огромното разнообразие от планети във Вселената.