Ziemia nie jest jedyną planetą z porami roku, ale na innych mogą one wyglądać zupełnie inaczej

Zdjęcie: Mark Garlick/Science Photo Library via Getty Images

Jestem astrofizykiem, badam ruch planet i przyczyny pór roku. W trakcie moich badań odkryłam, że regularny cykl pór roku na Ziemi jest wyjątkowy. Oś obrotu, wokół której obraca się Ziemia, nie jest dokładnie wyrównana z osią pionową prostopadłą do orbity Ziemi wokół Słońca.

To niewielkie niesie za sobą duże konsekwencje dla wszystkiego, począwszy od pór roku po cykle lodowcowe. Wielkość tego nachylenia może nawet determinować, czy planeta jest zamieszkana przez życie.

Pory roku Ziemi

Gdy planeta ma idealne wyrównanie między osią, wokół której się obraca, a osią obrotu, ilość światła słonecznego, jakie otrzymuje, jest stała podczas krążenia wokół Słońca - zakładając, że jej orbita ma kształt koła. Ponieważ pory roku wynikają z różnic w ilości docierającego światła słonecznego do powierzchni planety, planeta idealnie wyrównana nie miałaby pór roku. Jednak Ziemia nie jest idealnie wyrównana na swojej osi.

To niewielkie nieprawidłowe wyrównanie, zwane nachyleniem, wynosi około 23 stopnie od pionu dla Ziemi. W związku z tym półkula północna doświadcza intensywniejszego światła słonecznego latem, gdy Słońce jest bardziej bezpośrednio nad nią umieszczone.

Następnie, gdy Ziemia kontynuuje krążenie wokół Słońca, ilość światła słonecznego docierającego do półkuli północnej stopniowo maleje, gdy półkula północna odchyla się od Słońca. To powoduje nadejście zimy.

Planety obracające się wokół swoich osi i krążące wokół Słońca przypominają trochę wirujące zabawki – obracają się i chwieją pod wpływem grawitacyjnego przyciągania ze strony Słońca. Kiedy zabawka się kręci, zauważysz, że nie pozostaje idealnie wyprostowana i nieruchoma. Zamiast tego może zacząć się lekko przechylać lub chwiać. To przechylenie to to, co astrofizycy nazywają precesją obrotową.

Z powodu tych chwiejności, nachylenie Ziemi nie jest idealnie stałe. Te niewielkie zmiany mogą mieć duże skutki dla klimatu, gdy połączone są z niewielkimi zmianami kształtu orbity.

Chwiejność nachylenia i ewentualne naturalne zmiany kształtu orbity mogą zmieniać ilość i rozkład światła słonecznego docierającego do Ziemi. Te niewielkie zmiany przyczyniają się do większych przesunięć temperatury na planecie przez tysiące do setek tysięcy lat. To z kolei może prowadzić do epok lodowcowych i okresów ciepła.

Przekładając nachylenie na pory roku

Jak zatem zmiany nachylenia wpływają na pory roku na planecie? Niskie nachylenie, oznaczające, że oś obrotu jest wyrównana z orientacją planety podczas krążenia wokół Słońca, prowadzi do intensywnego nasłonecznienia na równiku i niewielkiego nasłonecznienia w okolicach bieguna, podobnie jak na Ziemi.

Z kolei wysokie nachylenie, oznaczające, że oś obrotu planety skierowana jest w kierunku lub z dala od Słońca, prowadzi do skrajnie wysokich lub niskich temperatur na biegunach. Jednocześnie równik staje się zimny, ponieważ Słońce nie świeci nad nim przez cały rok. To powoduje drastycznie zmienne pory roku na wysokich szerokościach geograficznych i niskie temperatury w okolicach równika.

Gdy planeta ma nachylenie większe niż 54 stopnie, równik na tej planecie staje się lodowaty, a biegun staje się ciepły. Nazywa się to odwróconą strefą, i jest to przeciwieństwo tego, co ma Ziemia.

W zasadzie, jeśli nachylenie ma duże i nieprzewidywalne zmiany, to pory roku na planecie stają się dzikie i trudne do przewidzenia. Dramatyczna, duża zmiana nachylenia może zamienić całą planetę w kulę śnieżną, gdzie wszystko jest pokryte lodem.

Rezonans orbitalny

Większość planet nie jest jedynymi planetami w swoich układach słonecznych. Ich planetarne rodzeństwo może zakłócać nawzajem swoje orbity, co może prowadzić do zmian kształtu ich orbit i ich nachylenia orbitalnego.

Zatem planety na orbicie przypominają trochę wirujące zabawki na dachu samochodu, który porusza się po nierównej drodze, gdzie samochód reprezentuje płaszczyznę orbity. Gdy częstotliwość, czyli częstość, z jaką zabawki procesują, czyli się obracają, jest zgodna z częstotliwością, z jaką samochód porusza się w górę i w dół, dochodzi do zjawiska nazywanego rezonansem orbitalnym.

Rezonanse obrotu i orbity mogą powodować te zmiany nachylenia, czyli kiedy planeta chwieje się na swojej osi. Pomyśl o tym jak o pchaniu dziecka na huśtawce. Gdy pchasz w odpowiednim czasie - czyli przy rezonansowej częstotliwości - zacznie się huśtać coraz wyżej.

Mars chwieje się silniej na swojej osi niż Ziemia, chociaż obie planety mają podobne nachylenie, co właściwie ma związek z Księżycem krążącym wokół Ziemi. Ziemia i Mars mają podobną częstotliwość precesji obrotowej, która pasuje do oscylacji orbitalnej - składniki rezonansu orbitalnego.

Ale Ziemia ma ogromny Księżyc, który ciągnie oś obrotu Ziemi i sprawia, że precesja zachodzi szybciej. Ta czynność zapobiega wystąpieniu rezonansów obrotu i orbity. Dlatego Księżyc stabilizuje nachylenie osi obrotu Ziemi, i Ziemia nie chwieje się na swojej osi tak bardzo jak Mars.

Pory roku na planecie pozasłonecznej

Tysiące egzoplanet, czyli planet spoza naszego układu słonecznego, zostało odkrytych w ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci. Moja grupa badawcza chciała zrozumieć, jakie są warunki do życia na tych planetach, oraz czy egzoplanety również charakteryzują się dzikimi nachyleniami osi obrotu, czy też posiadają księżyce stabilizujące je, podobnie jak Ziemia.

Aby to zbadać, moja grupa przeprowadziła pierwsze badania dotyczące zmienności osi obrotu egzoplanet.

Zbadaliśmy Kepler-186f, który jest pierwszą odkrytą planetą o rozmiarze zbliżonym do Ziemi w strefie zamieszkanej. Strefa zamieszkana to obszar wokół gwiazdy, gdzie na powierzchni planety może istnieć ciekła woda, a życie może się pojawić i rozwijać.

W przeciwieństwie do Ziemi, Kepler-186f znajduje się daleko od innych planet w swoim układzie słonecznym. W rezultacie te inne planety mają tylko słaby wpływ na jego orbitę i ruch. Dlatego Kepler-186f generalnie ma ustalone nachylenie, podobne do Ziemi. Nawet bez dużego księżyca nie ma dziko zmiennych ani nieprzewidywalnych pór roku, jak Mars.

Patrząc w przyszłość, kolejne badania egzoplanet pomogą naukowcom zrozumieć, jakie są pory roku na przestrzeni ogromnego zróżnicowania planet we wszechświecie.