Усе про зміну сезонів. Земля та Сонячна система

4 січня Земля перебуває найближче до Сонця. Але на настання у Північній півкулі зими це жодним чином не впливає. Проте на планетах, що обертаються навколо інших зір, все може відбуватися геть не так, як у нас. Про них ми досі знаємо дуже мало, та деякі дивовижні речі можна передбачити прямо зараз.

Зима у північній півкулі Землі
Зима у Північній півкулі Землі. Джерело: www.townandcountrymag.com

Сезони на Землі

Щороку у Північній півкулі нашої планети настає зима з холодом, снігом, хуртовинами. У цей час десь в Австралії — розпал літа і відбуваються масштабні лісові пожежі. За шість місяців усе міняється: у нас квітне липа та можна купатись у річці, а десь на півдні Аргентини температура опускається нижче нуля.

На сьогодні вчені підтвердили існування понад 5 тис. екзопланет, ще більша кількість залишається кандидатами. Багато з них могли б бути схожими на Землю, але чи означає це, що на них відбувається звична нам зміна сезонів?

Майже напевно — ні. Хоча б тому, що навіть на Землі існує кілька кліматичних зон, і звичне нам чергування літа й зими притаманне переважно помірним і полярним широтам обох півкуль.

Кліматичні пояси Землі
Кліматичні пояси Землі. Джерело: Вікіпедія

В екваторіальному та тропічному поясах температура впродовж року практично не змінюється. Відмінність існує переважно між зимою та літом, коли спостерігаються значні дощі, та весною й осінню, коли настає сезон посух.

Крім того, на узбережжі Тихого океану існують зони з мусонним кліматом. У них температури можуть змінюватися як за моделлю помірних широт, так і за тропічною. Але більшість опадів випадає лише в один сезон — влітку.

Нахил осі обертання

Сезони на Землі спостерігаються зовсім не тому, що влітку Земля ближче до Сонця, ніж узимку. Насправді орбіта нашої планети майже кругова, тобто її геліоцентрична відстань змінюється не дуже сильно. Причиною зміни сезонів є нахил екватора до площини орбіти. Якби вісь обертання нашої планети була перпендикулярна до екліптики, то ані зима, ані літо ніколи б не наставали, й клімат увесь рік був би однаковим.

Зміна пор року через нахил екватору до орбіти
Сезони на Землі через нахил екватора до орбіти. Джерело: www.timeanddate.com

Однак екватор Землі нахилений до екліптики під кутом 23°26′. І напрям осі обертання залишається незмінним протягом усього року. Через це наша планета повертається до світила то північною, то південною півкулею.

Для мешканців екваторіальної зони це не так помітно, адже Сонце так і лишається переважно у них над головою, лише трохи відхиляючись то на північ, то на південь. А ось у звичних нам помірних широтах це призводить до значних коливань тривалості дня та ночі. Саме вони є першопричиною великих коливань температури. Коли в одній із півкуль настає літо, то їй упродовж доби дістається значно більше сонячної енергії, тому середня температура там підвищується, а в іншій півкулі все відбувається навпаки.

Особливо екстремальними ці зміни є біля полюсів. Тут нахил площини екватора призводить до того, що значну частину року Сонце або взагалі не підіймається над горизонтом, або за нього не заходить. Це явище відоме як полярна ніч і полярний день.

В приполярних зонах Сонце може взагалі не заходити за горизонт
У приполярних зонах Сонце може взагалі не заходити за горизонт. Джерело: www.timeanddate.com

Як нахил екватора вплине на клімат екзопланет

На землеподібних екзопланетах, що освітлюються своїми зорями в тій самій мірі, що й Земля Сонцем, мають кругові орбіти та нахил осі, все має відбуватися так само, як у нас. Там існуватимуть екваторіальні зони, де сезони відчуваються достатньо слабко, помірні зони, де їхня зміна буде звичною для нас, і полярні області, де зима означатиме постійну ніч, а влітку Сонце не сідатиме за горизонт.

При цьому чим меншим буде кут нахилу екватора до екліптики, тим ширшими будуть екваторіальні зони й меншими — помірні та полярні. З його збільшенням все відбуватиметься навпаки: другі ставатимуть ширшими, а перші — вужчими.

Найбільш екстремальним може бути випадок, коли екватор екзопланети перпендикулярний до площини екліптики, а її вісь, навпаки, лежить у ній. У такому випадку планета ніби котиться по орбіті, «лежачи на боку».

Поки Уран долає половину своєї орбіти, він встигає повернутися до сонця іншим полюсом
Поки Уран долає половину своєї орбіти, він встигає повернутися до Сонця іншим полюсом. Джерело: Nineplanets.org

У Сонячній системі максимально близьким до такого стану є Уран. Практично вся умовна поверхня цього холодного газового гіганта є приполярною зоною. Якби щось подібне відбувалося на якійсь екзопланеті у зоні заселеності, то полярні ніч і день спостерігалися б там навіть поблизу екватора.

Ексцентриситет орбіти не впливає на сезони

Вищеописана картина зміни сезонів відбувається на Землі через те, що ексцентриситет її орбіти складає лише 0,017. Це означає, що найвіддаленіша (афелій) і найближча (перигелій) точки її орбіти все ж існують. Але різниця між ними складає усього 3,4%. Тому на клімат цей фактор практично не впливає. Навпаки — перигелій наша планета проходить саме в січні, коли у Північній півкулі вирує зима.

Але, як підказують нам дослідження, екзопланети можуть мати значно більші ексцентриситети, тобто їхні орбіти є дуже витягнутими й відстань від зорі змінюється набагато сильніше. Якщо при цьому вісь обертання перпендикулярна до площини орбіти, це призводитиме до зміни сезонів, геть несхожої на нашу.

Коли Земля проходить перигелій?
Коли Земля проходить перигелій? Джерело: www.jerseysbest.com

Зміна тривалості дня при цьому не спостерігатиметься ніде на планеті. Ніч завжди та всюди триватиме рівно половину оберту навколо осі. Кліматичні зони будуть майже непомітними й визначатимуться лише кутом, під яким промені зорі пронизують атмосферу.

Замість цього впродовж року через зменшення чи збільшення відстані змінюватиметься яскравість і видимий розмір центрального світила. Це відрізнятиметься від звичного нам «холодного зимового сонця». У помірних широтах Землі цей ефект виникає через уже згадану зміну кута, під яким більшу частину дня крізь атмосферу проникають сонячні промені.

На планеті, орбіта якої має великий ексцентриситет, Сонце навіть узимку може підніматися над головою в зеніт, але його розмір при цьому є меншим, ніж улітку. Й це спостерігається одразу по всій планеті. Зима настає одночасно в обох півкулях і сховатися від неї «там, де зараз літо» неможливо.

На екзопланетах зима та літо можуть наставати в обох півкулях одночасно
На екзопланетах зима та літо можуть наставати в обох півкулях одночасно. Джерело: www.nasa.gov

При цьому слід пам’ятати, що швидкість руху планети по орбіті з великим ексцентриситетом нерівномірна. Поблизу перигелію вона найбільша, а поблизу афелію — найменша. Тому відповідні ділянки орбіти небесне тіло минає найшвидше та найповільніше.

У випадку землеподібної екзопланети це означатиме, що літо на ній дуже коротке з яскраво вираженим максимумом, коли сонце просто нестерпне. Зима ж, навпаки, буде відносно довгою та рівномірно холодною.

Знову-таки, те, наскільки яскраво виявлятимуться всі ці особливості, залежатиме від величини ексцентриситету. Чим меншим він буде, тим менш виразними на всій планеті будуть сезони. Й навпаки, при сильно витягнутій орбіті до всього описаного можуть додатися сильні зливи та урагани наприкінці літа та восени — через те, що планета запасе в атмосфері багато енергії у вигляді водяної пари.

Комбіновані випадки

Звичайно, більш ніж вірогідним є випадок, коли планета одночасно має і відчутний нахил екватора до екліптики, й значний ексцентриситет орбіти. У цьому випадку ефекти від цих двох факторів накладатимуться, і кінцева картина залежатиме від їхнього співвідношення.

Цікаво, що у Сонячній системі є планета, здатна продемонструвати взаємодію витягнутості орбіти з нахилом осі. Це Марс. Ексцентриситет його орбіти дорівнює 0,0934, тобто вона помітно витягнута. А нахил екватора до орбітальної площини становить 25,19°.

Зміна сезонів на Марсі
Зміна сезонів на Марсі. Джерело: Мars.nasa.gov

Через це загалом на Марсі зміна пір року відбувається так само, як і на Землі. Полярні шапки тануть поперемінно у Північній та Південній півкулях. Але перигелій орбіти припадає на час, коли на півночі вирує зима. Внаслідок цього вона там відносно коротка та тепла, а літо, що припадає на період, коли планета повільно рухається в районі афелію, — прохолодне та довге. У Південній півкулі все навпаки: коротке спекотне літо змінює довга холодна зима.

При цьому треба пам’ятати, що все це відбувається на Марсі, тобто температурні зміни лежать у діапазоні між «прохолодно» та «неймовірно холодно». Але на екзопланеті, яка має ту ж комбінацію орбітальних параметрів і при цьому отримує більше енергії від зорі, все відбувалося б так само.

Не варто забувати, що так відбувається лише тому, що як кліматотворний фактор на Марсі домінує саме нахил екватора до орбіти. Якби сильним був ексцентриситет, а нахил осі — другорядним, то зима і літо наставали б одночасно, але в одній півкулі була б теплішою перша, а у другій — друге.

Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі! 

Приєднуйтесь:https://t.me/ustmagazine 

Геть із Чумацького Шляху: знайдена найближча до Землі гіпершвидкісна зоря
Небезпечний випадок декомпресії на МКС викликав переполох в радіоефірі
Безпрецедентна роздільна здатність: супутник компанії Maxar зазнімкував МКС і Starliner
Інтерактивна карта «Жнива надії» допоможе українським аграріям
Людина, яка показала нам Сонячну систему: голова місії Voyager Ед Стоун помер у віці 88 років
Короткочасні космічні подорожі не шкодять здоров’ю людини
Зразки зі зворотного боку Місяця прибудуть на Землю 25 червня
Космічний телескоп Hubble розкрив таємницю вибуху 40-річної давнини
На кораблі Starliner виявлено новий витік гелію
Місячна станція стала на крок ближче до запуску