Tavasz, nyár, ősz és tél – az évszakok a Földön néhány havonta változnak, minden évben nagyjából ugyanabban az időben. Könnyű természetesnek venni ezt a ciklust itt a Földön, de nem minden bolygón van rendszeres évszakváltás. Miért van tehát a Földön szabályos évszak, amikor más bolygókon nincs?
Asztrofizikus vagyok, aki a bolygók mozgását és az évszakok okait tanulmányozza. Kutatásom során azt tapasztaltam, hogy a Föld szabályos évszaki mintázata egyedülálló. A forgástengely, amelyen a Föld forog az északi és déli pólus mentén, nincs teljesen egybehangolva a Föld Nap körüli pályájával. Ez az enyhe dőlés nagy hatással van az évszakoktól a gleccserciklusokig mindenre. Ennek a dőlésnek a nagysága még azt is meghatározhatja, hogy egy bolygó élhető-e
Évszakok a Földön
Ha egy bolygó tökéletesen igazodik a körülötte keringő tengelyhez és forgástengelyhez, akkor a kapott napfény mennyisége állandó marad a Nap körüli keringés során – feltéve, hogy a pálya kör alakú. Az évszakok a bolygó felszínét elérő napfény mennyiségének változásából erednek, tehát egy tökéletesen igazodó bolygónak nem lennének évszakai. Azonban a Föld nem tökéletesen igazodik a tengelyéhez. Ennek az eltérésnek, amit ferdeségnek neveznek, körülbelül 23 fokos szöget zár a függőlegeshez képest. Ezért az északi félteken intenzívebb nyári napfény van, amikor a Nap közvetlenül az északi félteke felett van. Ahogy a Föld tovább kering a Nap körül, az északi féltekére érkező napfény mennyisége fokozatosan csökken, ahogy az északi félteke távolodik a Naptól. Ez okozza a telet. A ferdeség a Föld forgástengelye (kék) és a pályától való függőleges (zöld) közötti különbséget mutatja. Az északi féltekén a nyár akkor tapasztalható meg, amikor a ferdeség egyenes vonalba hozza a Nap fényét.
A tengelyükön és a Nap körül keringő bolygók úgy néznek ki, mintha forognának a tetejükön – a Nap gravitációs vonzása miatt forognak és hajlanak. Amikor a bolygó pörög, észrevehető, hogy nem marad tökéletesen függőleges vagy álló helyzetben. Ehelyett enyhén dől vagy ingadozik. Ezt az ingadozást az asztrofizikusok spin precessziónak nevezik. Ezek az ingadozások miatt a Föld ferdesége nem marad tökéletesen állandó. A ferdeség kis változásai nagy hatással lehetnek a Föld éghajlatára, ha kombinálódnak a Föld pályájának kis változásaival. A billegő dőlés és a Föld pályájának bármilyen természetes változása megváltoztathatja a Földre érkező napfény mennyiségét és eloszlását. Ezek a kis változások hozzájárulnak a bolygó hőmérsékletének nagyobb eltéréseihez több ezer-százezer év alatt, és előidézhetik a jégkorszakokat és meleg időszakokat.
A Föld évszakai számos tényezőből adódnak, beleértve a pályát és a tengely dőlésszögét.
A ferdeség évszakokká fordítása
Tehát hogyan befolyásolják a ferdeség változásai az évszakokat egy bolygón?
Alacsony ferdeség azt jelenti, hogy a forgási tengely egy vonalban van a bolygó tájolásával, miközben a Nap körül kering. Ez erősebb napfényt eredményez az Egyenlítőn és alacsonyabb napfényt a pólusok közelében, ellentétben a Földdel. Másrészt a nagy ferdeség – amikor a bolygó forgási tengelye a Nap felé vagy attól távolabb mutat – rendkívül meleg vagy hideg időjárást eredményezhet.
Ez a változásokhoz vezet a magas szélességeken, és alacsony hőmérsékleteket eredményez az Egyenlítőn. Az Egyenlítő hűvös lesz, mivel a Nap nem süt egész évben rá. Ha egy bolygó forgástengelye messze van a függőleges tengelytől, akkor nagy a ferdesége. Ez azt jelenti, hogy az Egyenlítő alig kap napfényt, és az Északi-sark közvetlenül a Nap felé néz.
Ha egy bolygó ferdesége meghaladja az 54 fokot, akkor az egyenlítő eljegesedik, míg a pólusok felmelegednek. Ezt nevezik fordított zónának, ami az ellenkezője annak, ami a Földön történik. Ha egy bolygó nagy és változékony ferdeséggel rendelkezik, akkor az évszakok nehezen megjósolhatóvá válnak. Egy drámai, nagy ferdeségű változás az egész bolygót hógolyóvá változtathatja, ahol minden jéggel borul be.
Spin pálya rezonanciák
A legtöbb bolygó nem az egyetlen bolygó a naprendszerében
Bolygótestvéreik megzavarhatják egymás pályáját, ami pályájuk alakjának és pályájuk dőlésszögének változásához vezethet. Tehát a pályán keringő bolygók úgy néznek ki, mint egy autó tetején forgó csúcsok, amelyek lefelé ütköznek az úton, ahol az autó a keringési síkot képviseli.
Amikor a sebesség – vagy frekvencia, ahogyan a tudósok nevezik –, amellyel a csúcsok precesszenek vagy forognak, megegyezik azzal a frekvenciával, amellyel az autó fel-le zökken, az úgynevezett spin-pálya rezonancia bekövetkezik. A közeli bolygók keringése és a bolygók precessziós mozgása a tengelyén befolyásolhatja a szezonális mintákat. (Kedves: Gongjie Li)
A pörgési pálya rezonanciái okozhatják ezeket a ferdeségi eltéréseket, vagyis amikor egy bolygó inog a tengelyén. Gondolj arra, hogy egy gyereket hintán tolsz. Ha éppen a megfelelő időben – vagy a rezonanciafrekvencián – nyomod, egyre magasabbra lendülnek.
A Mars jobban inog a tengelye körül, mint a Föld, annak ellenére, hogy a kettő körülbelül egyforma dőlésszögű, és ez tulajdonképpen a Hold körüli pályájához kapcsolódik. A Földnek és a Marsnak van egy hasonló spin precessziós frekvencia, amely megfelel az orbitális oszcillációnak – a spin-pálya rezonancia összetevői.
De a Földnek van egy hatalmas holdja, amely a Föld forgástengelyét húzza, és gyorsabban precesszá teszi. Ez a valamivel gyorsabb precesszió megakadályozza, hogy spin-pálya rezonanciákat tapasztaljon. Tehát a Hold stabilizálja a Föld ferdeségét, és a Föld nem billeg annyira a tengelye körül, mint a Mars.
Exobolygó évszakok
Több ezer exobolygót fedeztek fel az elmúlt évtizedekben, vagyis olyan bolygókat, amelyek a Naprendszeren kívül találhatók. Kutatócsoportunk célja az volt, hogy megértsük, mennyire lakhatóak ezek a bolygók, valamint hogy rendelkeznek-e ferdeségekkel vagy holdakkal, amelyek stabilizálják őket, hasonlóan a Földhöz. Ennek érdekében csoportunk vezette az első vizsgálatot az exobolygók forgástengelyének változásairól.
Az egyik általunk vizsgált bolygó a Kepler-186f, amely az első lakható zónában felfedezett Föld méretű bolygó. A lakható zóna olyan terület a csillag körül, ahol folyékony víz jelenhet meg a bolygó felszínén, és az élet kialakulhat és virágozhat. A Kepler-186f jelentős távolságra van a Naprendszer többi bolygójától, így kevésbé van kitett más bolygók gravitációs hatásának. Ennek következtében a Kepler-186f általában stabil ferdeséggel rendelkezik, hasonlóan a Földhöz. Még nagy hold hiányában sem tapasztalhatók olyan szélsőséges változások vagy kiszámíthatatlan évszakok, mint a Marson.
A jövőben várhatóan további kutatások segítenek a tudósoknak abban, hogy jobban megértsék az exobolygók jellegzetességeit, és hogyan alakulnak az évszakok a különböző bolygókon a világegyetemben.
Gongjie Li fizika adjunktus, Georgia Institute of Technology. Ezt a cikket újra kiadták A beszélgetés alatt Creative Commons licenc. Olvassa el a eredeti cikk.
A cikk eredeti nyelven itt érhető el: https://www.discovermagazine.com/the-sciences/earth-isnt-the-only-planet-with-seasons-but-they-can-look-wildly-different
