Вторая часть рассказа о том, как может происходить смена сезонов на экзопланетах. Это может зависеть от множества факторов: расстояния до звезды, количества солнц и характеристик самой планеты. Они создают почти нескончаемое количество вариантов.
Зона обитаемости
Все, что написано в первой части, является лишь некоторыми факторами, которые могут влиять на смену сезонов на экзопланетах. Ведь там могут существовать ситуации, которых нет в Солнечной системе.
Пример Марса напоминает нам, что для того, чтобы смена времен года происходила привычным образом, необходимо, чтобы диапазон температур хотя бы иногда обеспечивал условия, при которых вода переходит из одного состояния в другое.
Если на планете слишком жарко, то вода и другие летучие соединения будут находиться в газообразном состоянии при любых изменениях освещения. Если же на ней слишком холодно, то даже летом вода будет оставаться в твердом состоянии, так что никаких изменений с нашей точки зрения не произойдет.
Диапазон расстояний от звезды, в котором планета получает столько энергии, чтобы вода на ее поверхности оставалась в жидком состоянии, называется зоной обитаемости. Для разных светил она неодинакова и зависит от мощности их излучения.
Попадание в зону обитаемости вовсе не означает, что времена года на планете обязательно будут меняться. Примером здесь может служить Венера, которая находится у внутренней границы этой зоны в Солнечной системе, но ее атмосфера чрезвычайно плотная и горячая, так что на самом деле ничего похожего на смену сезонов на ней не происходит.
Кроме того, вполне вероятны случаи, когда орбита планеты имеет высокий эксцентриситет и частично попадает в зону обитаемости. Она может даже проходить ее насквозь таким образом, что перигелий будет находиться там, где вода уже закипает, а афелий там, где она вся превращается в лед.
Во всех этих случаях будет наблюдаться смена времен года. Но как именно — зависит от огромного количества параметров. С уверенностью можно сказать только, что лето и зима в этом случае будут иметь место сразу на всей планете.
Продолжительность года и сезоны
Еще один фактор, сильно влияющий на смену времен года — тепловая инерция. Тепло обладает свойством аккумулироваться. То есть, когда какую-то местность нагревает Солнце, количество энергии там постепенно увеличивается.
С холодом ситуация похожая, однако надо помнить, что он — лишь недостаток энергии, и со временем не количество «энергии холода» увеличивается, а просто запасы энергии становятся все меньше.
Атмосфера и гидросфера планеты обладают большой тепловой инерцией. Чтобы прогреть их на десятки градусов, даже при достаточно большом количестве солнечного света, необходим не один десяток суток. Вспомните, как медленно земля прогревается весной.
На практике все это означает, что во многих случаях суровость зимы и летний зной зависят от времени, в течение которого планета получает определенное количество энергии. Следовательно, продолжительность года также сильно влияет на то, как выглядит смена сезонов на планете.
Дело в том, что большинство открытых экзопланет обращается вокруг красных и оранжевых карликов. Орбита в зоне обитаемости для таких звезд соответствует периоду вращения от 15 до нескольких десятков земных суток. Многие из них просто не успевают достаточно сильно прогреться или остыть, независимо от того, вызвана смена сезона наклоном экватора к плоскости орбиты или ее эксцентриситетом.
Чем меньше продолжительность года, тем меньше, по одинаковости других факторов, должны быть годовые колебания температуры. Для планет с большим орбитальным периодом теоретически должна наблюдаться противоположная картина: сезоны должны быть не только длинными, но и ярко выраженными.
Смена сезонов на экзолунах
Отдельно следует рассказать о том, что может происходить на потенциально пригодных для жизни спутниках экзопланет — так называемых землеподобных экзолунах. Пандора из фильма «Аватар» представляет собой яркий пример такого небесного тела.
Достаточно большой спутник планеты-гиганта, вращающийся вблизи зоны обитаемости звезды, действительно может быть пригоден к жизни, хотя предвидеть его климат очень сложно, поскольку факторов, влияющих на смену сезонов, становится еще больше.
С зоной обитаемости, эксцентриситетом орбиты и продолжительностью года все остается так же, как в случае с обычной планетой. Но вместо влияния наклона экватора к орбитальной плоскости придется учитывать сразу два фактора: наклон экватора луны к плоскости ее орбиты и угол между этой плоскостью и орбитой планеты.
Следует помнить, что положение оси обращения экзолуны остается неизменным относительно плоскости ее собственной орбиты, которая сама по себе наклонена к орбите планеты. Поэтому в течение ее вращения вокруг гиганта, которое может длиться несколько суток или недель, освещенность ее полушарий будет меняться. Фактически это приводит к тому, что на таком небесном теле каждый месяц могут наблюдаться изменения, аналогичные наступлению лета или зимы.
И уже на эту периодичность будет накладываться годовая, связанная с тем фактом, что наклон орбиты спутника к орбите планеты тоже остается неизменным. Поэтому маленький «лунный» цикл смены сезонов в разные времена «большого года» может быть разным.
Также следует упомянуть возможность того, что орбита спутника будет лежать точно в плоскости орбиты планеты. Тогда газовый гигант регулярно будет устраивать затмения местного солнца в несколько суток.
Особенно сильно они могут влиять на смену сезонов, если ее основной причиной является эксцентриситет орбиты и лето наступает в тот момент, когда планета проходит перигелий. Если в этот момент ее спутник на несколько суток «спрячется» за планету, это может привести к разнице между условными «восточным» и «западным» полушариями. В одном из них лето будет заметно более жарким.
Смена сезонов у двойных звезд
Еще один интересный вариант представляют собой планеты двойных звезд. Современные исследования говорят, что по характеру орбит они могут относиться к двум разным категориям. P-тип вращается сразу вокруг двух светил (точнее, вокруг их общего центра масс). В основном это планеты в тесных звездных системах.
К S-типу относятся экзопланеты, вращающиеся вокруг только одной из звезд. Для того чтобы такой мир попал в зону обитаемости, это должны быть достаточно широкие системы. Расстояние между компонентами в них может быть измерено астрономическими единицами.
У большинства P-планет особой разницы в правилах смены времен года не будет. Те же комбинации угла наклона экватора к эклиптике и эксцентриситету орбиты. Это связано с тем, что пара светил будет достаточно слабо отличаться от одного с той же суммарной мощностью.
Единственным существенным отличием здесь может быть большая продолжительность года. Ведь пара звезд способна гораздо дольше поддерживать зону обитаемости, чем одно светило той же мощности. Это связано с тем, что большие звезды эволюционируют гораздо быстрее.
Для S-планет главным фактором смены времен года на них будет та звезда, вокруг которой они непосредственно вращаются. Ее компаньонка в большинстве случаев будет находиться слишком далеко, чтобы ее влияние было заметно. Поэтому для них будут актуальны уже описанные закономерности для случая с одним светилом.
Существенные изменения могут произойти, когда звезды обращаются друг вокруг друга по эксцентрической орбите. В этом случае расстояние между ними будет существенно изменяться. Как следствие, время от времени смена сезонов на S-планете все же будет испытывать значительное влияние второго светила в системе.
Конкретные сценарии опять-таки зависят от параметров орбит и самих звезд, но в целом нетрудно реконструировать, как это может происходить. Цикл продлится несколько десятилетий, а то и столетий. В течение большей его части второе светило будет выглядеть просто как яркая звезда на небе, видимая даже днем — по блеску она будет существенно превышать Венеру на земном небе. Но один раз за этот период в течение нескольких лет она будет расти в размере до небольшого диска, из-за чего будут сбиваться все циклы дня и ночи, климат будет существенно теплеть, а зима некоторое время может не наступать.
Роль атмосферы
Все вышесказанное описывает климатические изменения исключительно с точки зрения интенсивности облучения планеты светом ее звезды. Однако на самом деле климат планеты устроен гораздо сложнее и его нельзя описать этими простыми правилами.
По крайней мере, для планет, похожих на Землю и претендующих на то, чтобы быть домом для человекоподобных существ, приходится учитывать влияние трех географических оболочек: атмосферы, гидросферы и литосферы.
Первые две из них выступают одновременно как накопитель и переносчик энергии. Чем они мощнее, тем более склонны поглощать тепло, которое затем перераспределяется планетой с ветром и течениями.
При этом слишком мощная атмосфера может полностью нивелировать все сезонные колебания, особенно те, которые вызваны наклоном экватора к плоскости орбиты. Примером может служить Венера, чья атмосфера настолько густа, что ветры мгновенно выравнивают все неравномерности в погоде.
Суша, в отличие от воды и воздуха, переносить энергию не способна, но аккумулирует ее неплохо. Поэтому большие континентальные массы выступают как усилители сезонных колебаний: они сильно нагреваются летом и охлаждаются зимой. На Земле это приводит к образованию континентального типа климата, когда +30°C летом и –30°C зимой возникают даже в достаточно низких широтах. Но история нашей планеты подсказывает нам противоположное развитие событий.
В триасовом и юрском периодах континенты располагались таким образом, что на экваторе и полюсах был океан. Его течения разносили тепло по всему земному шару почти равномерно. Вследствие этого практически всюду царил тропический климат, и только у полюсов он сменялся субтропическим и умеренным.
При этом астрономические признаки наступления зимы — короткий световой день в умеренных широтах и полярная ночь в Арктике и Антарктике — никуда не исчезали. Поэтому здесь можно было наблюдать картину буйных зарослей папоротника среди многодневной ночи.
Таким образом, астрономическое и реальное изменение сезонов — порой совершенно разные вещи. Факторов, влияющих на то, как они изменяются, очень много. Они могут образовывать десятки разных комбинаций, каждая из которых проявляется по-своему. Не исключено, что изменение времен года нельзя отличить от привычной нам в Северном полушарии Земли. Но, скорее всего, на большинстве экзопланет эта картина сильно отличается.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
