Пролет, лято, есен и зима – сезоните на Земята се

Пролет, лято, есен и зима – сезоните на Земята се сменят на всеки няколко месеца, почти по горе-долу едно и също време всяка година. Лесно е да приемем този цикъл за даденост тук – само че не на всяка планета той е подобен.

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

Гунджи Ли от Техническия институт в Грузия е астрофизик, който учи тази материя – придвижването на планетите и аргументите за появяването на сезоните. По време на проучванията си открива, че постоянната промяна на сезоните на Земята е неповторима. Оста, по която се върти Земята, по продължение на Северния и Южния полюс, не съответствува напълно с отвесната ос, перпендикулярна на земната орбита към Слънцето, и този лек надолнище има огромно значение за цялата работа – от сезоните до циклите на ледниците. Големината на този надолнище може даже да дефинира дали една планета е подобаваща за живот.

Когато планетата има съвършено сходство сред оста на орбитата ѝ и оста, към която се върти тя самата, количеството слънчева светлина, което получава, е закрепено, до момента в който обикаля към своята звезда – в случай че 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 метод, не би имала сезони. Но Земята не е в това състояние.

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

След това, до момента в който Земята продължава да обикаля към Слънцето, количеството светлина, което получава Северното полукълбо, последователно понижава, защото то се отклонява от Слънцето. Това води до зимата.

Планетите, които се въртят към осите си и обикалят към Слънцето, наподобяват на пумпали – те се въртят и поклащат поради гравитационното привличане от звездата. Когато един пумпал се върти, може да забележите, че той не остава идеално отвесен, а се накланя. Това наклоняване астрофизиците назовават прецесия на въртенето.

Прецесия на жироскоп

Поради тези съмнения инклинацията на Земята не е изцяло закрепена. Тези дребни съмнения в в нея могат да имат огромно влияние върху климата, когато се комбинират с дребни промени във формата на земната орбита.

Колебливият надолнище и всички естествени вариации на формата на земната орбита могат да трансформират количеството и разпределението на слънчевата светлина, която доближава до планетата. Тези дребни промени способстват за по-големите температурни разлики в продължение на хиляди до стотици хиляди години. Това от своя страна може да докара до ледникови интервали и интервали на стопляне.

Как измененията в наклона въздействат на сезоните на планетата? Ниската инклинация – което значи, че оста на въртене е изравнена с ориентацията на планетата при обикалянето ѝ към Слънцето – води до по-силна слънчева светлина на екватора и слаба слънчева светлина наоколо до полюса, както е на Земята.

От друга страна, високата инклинация – което значи, че оста на въртене на планетата е наклонена към или от Слънцето – води до извънредно горещи или студени полюси. В същото време екваторът става леден, защото Слънцето не грее над екватора през цялата година. Това води до фрапантно изменящи се сезони във високите географски ширини и ниски температури на екватора.

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

Ако пък инклинацията има огромни и непредсказуеми съмнения, сезонните вариации на планетата стават безумни и сложни за прогнозиране. Една трагична, огромна разновидност в наклона може да трансформира цялата планета в снежна топка.

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

Така до момента в който обикалят, планетите наподобяват нещо като пумпали, които се въртят на покрива на кола, която заобикаля дупки по пътя, където колата съставлява орбиталната низина. Когато скоростта – или честотата, както я назовават учените – с която върховете се въртят, съответствува 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 към оста си. Все едно бутате дете на люлка – когато го вършиме в точния миг, то ще се люлее все по-високо и по-високо.

Марс се колебае повече към оста си, в сравнение с Земята, макар че двете планети са наклонени почти еднообразно, и това в действителност е обвързвано с обикалянето на Луната към Земята. Земята и Марс имат сходна периодичност на прецесия на въртенето, която съответствува с орбиталните съмнения – съставките за спин-орбитален резонанс.

Но Земята има голяма 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 към оста си толкоз мощно, колкото Марс.

Пътят на Марс опколо Слънцето

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

За да изследва това, групата на Гунджи Ли организира първото проучване на вариациите на оста на въртене на екзопланетите.

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

За разлика от Земята, Кеплер се намира надалеч от другите планети в слънчевата си система и вследствие на това тези други планети оказват едва въздействие върху нейната орбита и придвижване. Така че като цяло има закрепен надолнище, сходно на Земята. Дори и без огромен сателит към себе си, планетата няма диво изменящи се или непредсказуеми сезони като Марс.

В вероятност по-нататъшните проучвания на екзопланетите ще оказват помощ на учените да схванат по какъв начин наподобяват сезоните в голямото многообразие от планети във Вселената.