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

Эта статья изначально была размещена на Разговор.

Весна, лето, осень и зима — времена года на Земле меняются каждые несколько месяцев, примерно в одно и то же время каждый год. 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 который изучает движение планет и причины смены времен года. В ходе своих исследований я обнаружил, что регулярная смена времен года на Земле уникальна. ось вращения, вокруг которой вращается Землявдоль Северного и Южного полюсов, не совсем выровнено 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, предполагая, 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 перекосом, 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, похожи на волчки — они вращаются и колеблются 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 спиновая прецессия.

Из-за этих колебаний наклон Земли не фиксируется идеально. Эти небольшие изменения наклона могут иметь 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 приводят к ледниковым периодам и периодам тепла.

Перевод наклона в времена года

Так как же изменения наклона влияют на времена года на планете? Низкий наклон, что означает, что ось вращения совпадает с ориентацией планеты, когда она вращается вокруг Солнца. приводит к более сильный солнечный свет на экваторе и слабый солнечный свет возле полюса, как на Земле.

С другой стороны, большой наклон, означающий, что ось вращения планеты направлена ​​к Солнцу или от него,приводит к очень горячие или холодные полюса. При этом на экваторе становится холодно, так как Солнце не светит над экватором 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 и полюс становится теплым. Это называется обратная зональностьи 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. где все покрыто 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 подпрыгивает вверх и вниз, происходит нечто, называемое возникает спин-орбитальный резонанс.

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 больше, чем Земля, хотя обе они наклонены примерно одинаково, и на самом деле это связано с вращением Луны вокруг Земли. У Земли и Марса есть аналогичная частота прецессии спиначто соответствует орбитальному колебанию – ингредиенту спин-орбитального резонанса.

Но у Земли есть массивная Луна, которая притягивает ось вращения Земли и заставляет ее быстрее прецессировать. 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

Тысячи экзопланет, или планеты за пределами нашей Солнечной системы, были открыты за последние несколько десятилетий. 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 расследование по вариации оси вращения экзопланет.

Мы исследовали Кеплер-186fкоторая 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 где может возникнуть и процветать жизнь.

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, Кеплер-186f в целом имеет фиксированный наклон, похожий на Землю. 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.

Отказ от ответственности: Гунцзе Ли получает финансирование от НАСА.