Le stagioni sulla Terra cambiano ogni pochi mesi, intorno allo stesso periodo ogni anno. È facile dare per scontato questo ciclo qui sulla Terra, ma non tutti i pianeti hanno un cambiamento regolare delle stagioni. Quindi, perché la Terra ha stagioni regolari mentre altri pianeti no?
Sono un astrofisico che studia il movimento dei pianeti e le cause delle stagioni. Nel corso della mia ricerca, ho scoperto che il modello regolare delle stagioni della Terra è unico. L’asse di rotazione su cui la Terra gira, lungo i poli Nord e Sud, non è perfettamente allineato con l’asse verticale perpendicolare all’orbita della Terra intorno al Sole.
Questa leggera inclinazione ha grandi implicazioni per tutto, dalle stagioni ai cicli dei ghiacciai. L’entità di questa inclinazione può persino determinare se un pianeta è abitabile per la vita.
Stagioni sulla Terra
Quando un pianeta ha un allineamento perfetto tra l’asse su cui orbita e l’asse di rotazione, la quantità di luce solare che riceve è fissa mentre orbita intorno al Sole, assumendo che la forma dell’orbita sia un cerchio. Poiché le stagioni derivano dalle variazioni nella quantità di luce solare che raggiunge la superficie del pianeta, un pianeta perfettamente allineato non avrebbe stagioni. Ma la Terra non è perfettamente allineata sul suo asse.
Questa piccola disallineamento, chiamato obliquità, è di circa 23 gradi dalla verticale per la Terra. Quindi, l’emisfero settentrionale sperimenta una luce solare più intensa durante l’estate, quando il Sole è posizionato più direttamente sopra l’emisfero settentrionale.
Poi, mentre la Terra continua a orbitare intorno al Sole, la quantità di luce solare che riceve l’emisfero settentrionale diminuisce gradualmente mentre l’emisfero settentrionale si inclina lontano dal Sole. Questo causa l’inverno.
I pianeti che girano sui loro assi e orbitano intorno al Sole assomigliano a trottole che girano e oscillano a causa della forza gravitazionale del Sole. Mentre una trottola gira, si può notare che non rimane perfettamente dritta e ferma. Invece, può iniziare a inclinarsi o oscillare leggermente. Questa inclinazione è ciò che gli astrofisici chiamano precessione di spin.
A causa di queste oscillazioni, l’obliquità della Terra non è perfettamente fissa. Queste piccole variazioni di inclinazione possono avere grandi effetti sul clima della Terra quando combinate con piccole modifiche alla forma dell’orbita della Terra.
L’oscillazione dell’inclinazione e qualsiasi variazione naturale alla forma dell’orbita della Terra possono cambiare la quantità e la distribuzione della luce solare che raggiunge la Terra. Questi piccoli cambiamenti contribuiscono ai più grandi cambiamenti di temperatura del pianeta nel corso di migliaia o centinaia di migliaia di anni. Questo può, a sua volta, guidare le ere glaciali e i periodi di calore.
Tradurre l’obliquità in stagioni
Quindi, come le variazioni di obliquità influenzano le stagioni su un pianeta? Un’obliquità bassa, il che significa che l’asse di rotazione è allineato con l’orientamento del pianeta mentre orbita intorno al Sole, porta a una luce solare più intensa sull’equatore e a una luce solare bassa vicino al polo, come sulla Terra.
D’altra parte, un’obliquità alta, il che significa che l’asse di rotazione del pianeta punta verso o lontano dal Sole, porta a poli estremamente caldi o freddi. Allo stesso tempo, l’equatore diventa freddo, poiché il Sole non splende sopra l’equatore tutto l’anno. Questo porta a stagioni drasticamente variabili ad alte latitudini e a basse temperature all’equatore.
Quando un pianeta ha un’obliquità superiore a 54 gradi, l’equatore di quel pianeta diventa ghiacciato e il polo diventa caldo. Questo è chiamato zonazione inversa ed è l’opposto di ciò che ha la Terra.
Fondamentalmente, se un’obliquità ha variazioni grandi e imprevedibili, le variazioni stagionali sul pianeta diventano selvagge e difficili da prevedere. Una variazione di obliquità drammatica e ampia può trasformare l’intero pianeta in una palla di neve, dove è tutto coperto di ghiaccio.
Le risonanze spin-orbita
La maggior parte dei pianeti non sono gli unici pianeti nei loro sistemi solari. I loro fratelli planetari possono disturbare l’orbita l’uno dell’altro, il che può portare a variazioni nella forma delle loro orbite e nella loro inclinazione orbitale.
Quindi, i pianeti in orbita assomigliano a trottole che girano sul tetto di un’auto che sta sobbalzando lungo la strada, dove l’auto rappresenta il piano orbitale. Quando la frequenza, o frequenza, come la chiamano gli scienziati, a cui le trottole stanno precessando, o girando, corrisponde alla frequenza a cui l’auto sta sobbalzando su e giù, si verifica qualcosa chiamato risonanza spin-orbita.
Le risonanze spin-orbita possono causare queste variazioni di obliquità, che è quando un pianeta oscilla sul suo asse. Pensate a spingere un bambino su un’altalena. Quando spingi nel momento giusto, o alla frequenza di risonanza, oscilleranno sempre più in alto.
Marte oscilla di più sul suo asse rispetto alla Terra, anche se i due sono inclinati circa della stessa quantità, e questo ha a che fare con la Luna che orbita intorno alla Terra. La Terra e Marte hanno una frequenza di precessione di spin simile, che corrisponde all’oscillazione orbitale, gli ingredienti per una risonanza spin-orbita.
Ma la Terra ha una Luna massiccia, che tira sull’asse di rotazione della Terra e la spinge a precessare più velocemente. Questa precessione leggermente più veloce impedisce di sperimentare risonanze spin-orbita. Quindi, la Luna stabilizza l’obliquità della Terra e la Terra non oscilla sul suo asse tanto quanto Marte.
Stagioni sugli esopianeti
Migliaia di esopianeti, o pianeti al di fuori del nostro sistema solare, sono stati scoperti negli ultimi decenni. Il mio gruppo di ricerca voleva capire quanto siano abitabili questi pianeti e se anche questi esopianeti hanno obliquità selvagge, o se hanno lune per stabilizzarli come fa la Terra.
Per indagare su questo, il mio gruppo ha condotto la prima indagine sulle variazioni dell’asse di rotazione degli esopianeti.
Abbiamo indagato su Kepler-186f, che è il primo pianeta scoperto delle dimensioni della Terra in una zona abitabile. La zona abitabile è un’area intorno a una stella dove l’acqua liquida può esistere sulla superficie del pianeta e la vita può emergere e prosperare.
A differenza della Terra, Kepler-186f si trova lontano dagli altri pianeti nel suo sistema solare. Di conseguenza, questi altri pianeti hanno solo un effetto debole sulla sua orbita e movimento. Quindi, Kepler-186f ha generalmente un’obliquità fissa, simile alla Terra. Anche senza una grande luna, non ha stagioni selvaggiamente mutevoli o imprevedibili come Marte.
