4 января Земля находится ближе всего к Солнцу. Но на приход зимы в Северном полушарии это никак не влияет. Однако на планетах, обращающихся вокруг других звезд, все может происходить не так, как у нас. О них мы все еще знаем очень мало, и некоторые удивительные вещи можно предположить прямо сейчас.
Сезоны на Земле
Каждый год в Северном полушарии нашей планеты наступает зима с холодом, снегом, вьюгами. В это время где-то в Австралии — разгар лета и происходят масштабные лесные пожары. Через шесть месяцев все меняется: у нас цветет липа и можно купаться в реке, а где-то на юге Аргентины температура опускается ниже нуля.
На данный момент ученые подтвердили существование более 5 тыс. экзопланет, еще больше остаются кандидатами. Многие из них могут быть похожими на Землю, но означает ли это, что там происходит привычная нам смена сезонов?
Почти наверняка — нет. Хотя бы потому, что даже на Земле существует несколько климатических зон, и привычное нам чередование лета и зимы присуще преимущественно умеренным и полярным широтам обоих полушарий.
В экваториальном и тропическом поясах температура в течение года практически не меняется. Различие существует преимущественно между зимой и летом, когда наблюдаются значительные дожди, и весной и осенью, когда наступает сезон засухи.
Кроме того, на побережье Тихого океана существуют зоны с муссонным климатом. В них температуры могут изменяться как по модели умеренных широт, так и по тропической. Но большинство осадков выпадает только в один сезон — летом.
Наклон оси вращения
Сезоны на Земле наблюдаются вовсе не потому, что летом Земля ближе к Солнцу, чем зимой. На самом деле орбита нашей планеты почти круговая, то есть ее гелиоцентрическое расстояние меняется не очень сильно. Причиной смены сезонов является наклон экватора к плоскости орбиты. Если бы ось вращения нашей планеты была перпендикулярна эклиптике, то ни зима, ни лето никогда бы не наступали и климат весь год был бы одинаковым.
Однако экватор Земли наклонен к эклиптике под углом 23°26′. И направление оси вращения остается неизменным в течение всего года. Поэтому наша планета поворачивается к светилу то северным, то южным полушарием.
Для жителей экваториальной зоны это не столь заметно, ведь Солнце так и остается преимущественно у них над головой, лишь немного отклоняясь то к северу, то к югу. А вот в привычных умеренных широтах это приводит к значительным колебаниям продолжительности дня и ночи. Именно они являются причиной больших колебаний температуры. Когда в одном из полушарий наступает лето, то ей в течение суток достается гораздо больше солнечной энергии, поэтому средняя температура там повышается, а в другом полушарии все происходит наоборот.
Особенно экстремальны эти изменения у полюсов. Здесь наклон плоскости экватора приводит к тому, что значительную часть года Солнце либо вообще не поднимается над горизонтом, либо за него не заходит. Это явление известно как полярная ночь и полярный день.
Как наклон экватора повлияет на климат экзопланет
На землеподобных экзопланетах, которые освещаются своими звездами в той же степени, что и Земля Солнцем, имеют круговые орбиты и наклон оси, все должно происходить так же, как у нас. Там будут существовать экваториальные зоны, где сезоны ощущаются достаточно слабо, умеренные зоны, где их смена будет привычной для нас, и полярные области, где зима будет означать постоянную ночь, а летом Солнце не будет садиться за горизонт.
При этом чем меньше будет угол наклона экватора к эклиптике, тем шире будут экваториальные зоны и меньше — умеренные и полярные. С его увеличением все будет происходить наоборот: вторые станут шире, а первые уже.
Наиболее экстремальным может быть случай, когда экватор экзопланеты перпендикулярен плоскости эклиптики, а ее ось, напротив, лежит в ней. В таком случае планета как будто катится по орбите, «лежа на боку».
В Солнечной системе максимально близок к такому состоянию Уран. Практически вся условная поверхность этого холодного газового гиганта является приполярной зоной. Если бы что-то подобное имело место на какой-то экзопланете в зоне обитаемости, то полярные ночь и день наблюдались бы там даже вблизи экватора.
Эксцентриситет орбиты не влияет на сезоны
Вышеописанная картина смены сезонов происходит на Земле из-за того, что эксцентриситет ее орбиты составляет всего 0,017. Это означает, что самая отдаленная (афелий) и ближайшая (перигелий) точки ее орбиты все же существуют. Но разница между ними — менее 3,4%. Поэтому на климат этот фактор практически не влияет. Напротив, перигелий наша планета проходит именно в январе, когда в Северном полушарии зима.
Но, как подсказывают нам исследования, экзопланеты могут иметь значительно большие эксцентриситеты, то есть их орбиты очень вытянуты и расстояние от звезды меняется гораздо сильнее. Если при этом ось вращения перпендикулярна плоскости орбиты, это приведет к смене сезонов, совершенно непохожей на нашу.
Смена продолжительности дня при этом не будет наблюдаться нигде на планете. Ночь всегда и всюду будет длиться ровно половину оборота вокруг оси. Климатические зоны будут почти незаметны и будут определяться только углом, под которым лучи звезды пронизывают атмосферу.
Вместо этого за год из-за уменьшения или увеличения расстояния будет изменяться яркость и видимый размер центрального светила. Это будет отличаться от привычного нам «холодного зимнего солнца». В умеренных широтах Земли этот эффект возникает из-за уже упомянутого изменения угла, под которым большую часть дня сквозь атмосферу проникают солнечные лучи.
На планете, орбита которой имеет большой эксцентриситет, Солнце даже зимой может подниматься над головой в зенит, но его размер при этом меньше, чем летом. И это наблюдается сразу по всей планете. Зима наступает одновременно в обоих полушариях и спрятаться от нее «там, где сейчас лето» невозможно.
При этом следует помнить, что скорость движения планеты по орбите с большим эксцентриситетом неравномерна. Вблизи перигелия она самая большая, а вблизи афелия — самая маленькая. Поэтому соответствующие участки орбиты небесное тело проходит быстрее и медленнее.
В случае землеподобной экзопланеты это будет означать, что лето на ней очень короткое с ярко выраженным максимумом, когда солнце просто невыносимое. Зима же, напротив, будет относительно длинной и равномерно холодной.
Опять-таки, то, насколько ярко проявятся все эти особенности, будет зависеть от величины эксцентриситета. Чем меньше он будет, тем менее выразительными на всей планете будут сезоны. И наоборот, при сильно вытянутой орбите ко всему описанному могут добавиться сильные ливни и ураганы в конце лета и осенью — из-за того, что планета накопит в атмосфере много энергии в виде водяного пара.
Комбинированные случаи
Конечно, более чем вероятен случай, когда планета одновременно имеет и ощутимый наклон экватора к эклиптике, и значительный эксцентриситет орбиты. В этом случае эффекты этих двух факторов будут накладываться, и конечная картина будет зависеть от их соотношения.
Интересно, что в Солнечной системе есть планета, способная продемонстрировать взаимодействие вытянутости орбиты с наклоном оси. Это Марс. Эксцентриситет его орбиты равен 0,0934, то есть она заметно вытянута. А наклон экватора к орбитальной плоскости составляет 25,19°.
Поэтому на Марсе смена времен года происходит так же, как и на Земле — полярные шапки тают попеременно в Северном и Южном полушарии. Но перигелий орбиты приходится на время, когда на севере зима. Вследствие этого она там относительно короткая и теплая, а лето, которое приходится на период, когда планета медленно двигается в районе афелия, — прохладное и длинное. В Южном полушарии все наоборот: короткое жаркое лето сменяет длинная холодная зима.
При этом надо помнить, что все это происходит на Марсе, то есть температурные изменения лежат в диапазоне между «прохладно» и «невероятно холодно». Но на экзопланете, имеющей ту же комбинацию орбитальных параметров и при этом получающей больше энергии от звезды, все происходило бы так же.
Не стоит забывать, что так происходит только потому, что в качестве климатообразующего фактора на Марсе доминирует именно наклон экватора к орбите. Если бы сильным был эксцентриситет, а наклон оси — второстепенным, то зима и лето наступали бы одновременно, но в одном полушарии была бы теплее первая, а в другом — второе.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
