Skąd mamy pory roku na Ziemi i innych planetach? Dobrze zastanów się nad odpowiedzią

Już w szkole jesteśmy edukowani co do przyczyny występowania pór roku na Ziemi, ale nie zawsze wgłębiamy się w szczegóły. Czasem dowiadujemy się także, dlaczego w przypadku Ziemi odległość od Słońca nie jest najmniejsza, gdy na półkuli północnej mamy lato, a jest dokładnie na odwrót.

Dla mieszkańca Polski cykl pór roku to kolejno zima, wiosna, lato i jesień. Jednak są miejsca na Ziemi, gdzie lepiej stosować podział na porę deszczową i porę suchą czy też porę cieplejszą i chłodniejszą.

Czy jednak pory występują w ciągu roku na każdej planecie w Układzie Słonecznym? Jeśli tak to dlaczego, a jeśli nie to również dlaczego? Gdzie występują pory roku, a gdzie nie występują? Oto odpowiedź na te pytania.

Powtórzmy więc to sobie jeszcze raz - pory roku wynikają z …

Pory roku wiążą się z nachyleniem osi obrotu planety w stosunku do ekliptyki czyli płaszczyzny, w której dana planeta obiega Słońce. Dla Ziemi to nachylenie wynosi obecnie 23,5 stopnia, a jego konsekwencją jest różny kąt padania promieni słonecznych na powierzchnię w danym regionie w kolejnych miesiącach roku. Poniższa ilustracja pokazuje jak w ciągu roku zmienia się kąt padania promieni słonecznych na powierzchnię Ziemi.

Zmiana kąta padania promieni słonecznych na powierzchnię Ziemi na terenie Polski w ciągu roku. Z początkiem zimy ten kąt jest najmniejszy, z początkiem lata osiąga największe wartości

Dla Polski to latem ten kąt jest największy, dlatego powierzchnia, otrzymuje najwięcej energii. Poza tym Słońce latem znajduje się znacznie dłużej nad horyzontem niż zimą, kiedy to kąt padania promieni słonecznych jest też znacznie mniejszy, co w efekcie prowadzi do wychłodzenia się powierzchni.

Pory roku kojarzymy z cyklicznymi zmianami pogodowymi na Ziemi. Na innych planetach mogą one nie manifestować się w tak zauważalny sposób, a ich długość zależy od okresu orbitalnego jak i stopnia odstępstwa kształtu orbity od okręgu. Jeśli gdzieś w kosmosie istnieje taka druga Ziemia to i na niej może występować podobna zmienność pogody w ciągu roku. Choć niekoniecznie musi.

W praktyce występowanie pór roku to konsekwencja globalnych, a nie tylko lokalnych zmian jakie zachodzą w ciągu roku, które nie muszą być idealnie powtarzalne i takie same dla rejonów o podobnej szerokości geograficznej.

Czasem wrzesień bywa bowiem ciepły jak czerwiec, czasem jest w nim zimno jak w listopadzie. Pory roku w strefie klimatu kontynentalnego przebiegają inaczej niż w strefie klimatu morskiego. Jednakże proste wyjaśnienie, że pory roku to konsekwencja nachylenia osi obrotu do orbity, wystarczy.

Mars na przestrzeni lat i zmiany, które wskazują na występowanie pór roku i zmian pogodowych (fot: NASA, ESA, Hubble) 

A jak to jest z tym nachyleniem osi obrotu w przypadku innych planet

W przypadku Marsa nachylenie osi obrotowej do płaszczyzny orbity jest podobne jak na Ziemi (odpowiednio 25 i 23,5 stopnia). Zbliżone wartości mamy tez dla Saturna (27 stopni) i Neptuna (28 stopni). Jednak taki Merkury ma oś obrotu prawie prostopadłą do ekliptyki (nachylenie 0,01 stopnia), co sprawia, że w jego przypadku trudno mówić o porach roku. Mocno wydłużona orbita nie ma tu znaczącego wpływu z perspektywy postrzegania pór roku przez człowieka.

Schemat pokazujący orbity planet w Układzie Słonecznym oraz Plutona i ich osie obrotu wraz z kierunkiem (strzałka do góry oznacza obrót przeciwny do kierunku wskazówek zegara, w dół zgodny). Wstawka dotyczy planet wewnętrznych (fot: NASA)

Idąc dalej. Również niewielkie nachylenie osi obrotu ma Jowisz (3 stopnie), planeta karłowata Ceres (4 stopnie). Z kolei to nachylenie w przypadku Wenus wynosi 177 stopni, co sprawia że planeta przy osi obrotu prawie prostopadłej do ekliptyki wiruje w odwrotnym kierunku niż Ziemia. Na dodatek Słońce wschodzi tam dwa razy w ciągu wenusjańskiego dnia, który jest dłuższy niż tamtejszy rok, a pokrywa chmur jest bardzo gruba, przez co również i tam o porach roku takich jak na Ziemi trudno mówić.

Wenus to jedyna planeta, gdzie Słońce wschodzi na zachodzie, a zachodzi na wschodzie. Na dodatek czyni to dwa razy w ciągu wenusjańskiego dnia. Z kolei na Uranie na biegunach Słońce może być prawie w zenicie.

Jeszcze dziwniejszy jest Uran opisywany w oddzielnym tekście, gdyż jego oś obrotu leży prawie w jej płaszczyźnie (nachylenie 97,77 stopnia). Pośrednim przykładem jest Pluton, który ma odwrotny kierunek obrotu jak Wenus i Uran, ale nachylenie względne jest podobne jak w przypadku Ziemi, dlatego teoretycznie i tam można mówić o porach roku. Lecz w ekstremalnym wydaniu, gdyż tamtejsze koła podbiegunowe (wyznaczające zasięg obszaru, w którym panuje noc lub dzień polarny) znajdują się dużo bliżej równika planety.

Koła podbiegunowe na Ziemi i na Plutonie (skala może być niezachowana). Na tym drugim noc polarna zapada na znacznie większym obszarze.

Pluton to szczególny przypadek także z innych powodów. W przeciwieństwie do planet, których orbity są zbliżone do kołowych (wyjątek Merkury), jego orbita jest mocno wydłużona (jeszcze bardziej niż Merkurego) i nachylona względem płaszczyzny ekliptyki o 17 stopni, więc nawet gdyby jego oś obrotu nie była nachylona (a jest pod kątem 120 stopni), to pory roku by tam się pojawiły ze względu na zmianę odległości od Słońca. Obserwacje Hubble'a na przestrzeni lat sugerują, że tak jest w istocie.

Wiele z odkrytych planet pozasłonecznych to ekstremalne przypadki, gdzie zdarzają się takie rzeczy jak chmury składające się z oparów żelaza. Mowa o pogodzie w miejscu, gdzie temperatura sięga 2400 stopni C, jak na planecie WASP-76 raczej nie ma sensu (fot: ESO/M. Kornmesser)

Co do planet pozasłonecznych kwestia ewentualnych pór roku na razie nas niezbyt emocjonuje. By możliwe stało się dostrzeżenie cech sugerujących pory roku, czy też nachylenie osi obrotu względem płaszczyzny orbity, konieczne są obserwacje ich powierzchni. A to jeszcze pieśń odległej przyszłości.

Znamy więc przyczynę pór roku, teraz pora poznać źródło tej przyczyny

OK. Wszystko wydaje się teraz zrozumiałe, dlaczego więc pytanie, skąd wzięły się pory roku, a dokładniej dlaczego różne ciała niebieskie mają różne nachylenie osi obrotu w stosunku do ekliptyki, albo nie kołowe, a wydłużone mocno orbity? Bo to właśnie powód, który sprawił, że to nachylenie się pojawiło (jak w przypadku Ziemi) lub orbita uległa znaczącemu rozciągnięciu (jak w przypadku Plutona), sprawił także, że pory roku na danej planecie stały się teoretycznie możliwe.

Dlaczego planety wirują?

To jeszcze jedna rzecz, którą trzeba sobie najpierw wyjaśnić. Wszystkie planety wirują, natomiast otwartą kwestią jest to w jakim kierunku i w jakim tempie. Zależnie od kombinacji tych dwóch czynników możemy mieć planety niewirujące względem wybranych punktów odniesienia w kosmosie, ale wirujące względem innych.

Wizja dysku protoplanetarnego wokół gwiazdy TW w gwiazdozbiorze Hydry. Dysk wiruje wokół centrum masy, gdzie powstaje młoda gwiazda, podobnie jak galaktyka spiralna wiruje wokół centralnego skupiska masy, zwykle będącego supermasywną czarną dziurą. Kierunek wirowania dysku przekazywany jest nowo powstającym planetom (fot: ESO/M. Kornmesser)

Ruch obrotowy planet i innych ciał niebieskich ma związek z zasadą zachowania momentu pędu. Stosuje się ona do takiego układu jak dysk protoplanetarny, z którego powstaje gwiazda i planety. Taki dysk wiruje, tak więc materia, która w nim się porusza także wiruje, a tworząc zlepki, które potem stają się planetami, przekazuje swój moment pędu nowo powstającym strukturom, które wirują jeszcze szybciej. Poza tym kolejne fragmenty tworzące protoplanety uderzają w już istniejący obiekt raczej nie idealnie w środek ciężkości, ale z boku, przez co przykładają się do zwiększenia lub zmiany tempa wirowania. Płaszczyzna orbitalna planet z kolei jest zbliżona do płaszczyzny jaką miał dysk, z którego powstały. 

Jej nachylenie może być z kolei wynikiem oddziaływań grawitacyjnych od innych planet, albo samej gwiazdy macierzystej. 

Ciekawostka. Prędkość obiektu na równiku ziemskim wynikająca z ruchu obrotowego wynosi około 1656 km/h. Z kolei na Jowiszu, obiekt umieszczony na teoretycznej powierzchni, poruszałby się z na równiku z prędkością 43000 km/h. Tych prędkości człowiek nie odczuwa, gdyż z ogromną dokładnością są one stałe.

Inną kwestią jest tempo wirowania, które może być wynikiem różnych zdarzeń w trakcie istnienia planet. Dla Ziemi i Marsa jest to około 24 godziny. Jowisza wykonuje z kolei jeden obrót w ciągu niespełna 10 godzin, co czyni go najszybciej wirującą planetą w Układzie Słonecznym. Merkury, wcale nie ma najdłuższego dnia w Układzie Słonecznym, ale ten jego trwa ponad 58 dni ziemskich.

Jowisz ma średnicę 11 razy większą niż Ziemia, jednakże wiruje ponad dwa razy szybciej niż ta mała niebieska kulka (fot: NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio The Blue Marble Next Generation data is courtesy of Reto Stockli (NASA/GSFC) and NASA's Earth Observatory)

Najwięcej takich bodźców wpływających na zmianę prędkości obrotowej, jak i nachylenia orbity, jest w początkach formowania się układu planetarnego, ale nawet teraz, gdy czytacie ten tekst, Ziemia zmienia tempo swojego ruchu obrotowego. To zjawisko samo w sobie jest ciekawe, gdyż teoretycznie dzień powinien być coraz dłuższy, ze względu na oddalanie się Księżyca. Lecz ostatnio, jak na złość, Ziemia wiruje coraz szybciej i do końca nie wiadomo dlaczego. Te zmiany są oczywiście bardzo drobne, liczone w milisekundach w skali roku, i z codziennej perspektywy nieistotne.

Co spowodowało, że oś obrotu Ziemi jest nachylona?

Zdarzenie, które doprowadziło do zmiany nachylenia osi obrotowej Ziemi względem kierunku prostopadłego do płaszczyzny jej obiegu wokół Słońca (czyli ekliptyki) może być jednocześnie bodźcem, który doprowadził do powstania Księżyca. Zakładamy, że kiedyś w młodą Ziemię uderzyło ogromne ciało niebieskie (wielkości Marsa).

W efekcie uformował się Księżyc (wedle najnowszych symulacji czas jego powstawania liczony jest w godzinach, a nie w dziesiątkach lat), a Ziemia zyskała przekrzywioną oś obrotową. Jest też możliwe, że było to zderzenie nie mające związku z uformowaniem Księżyca, ale wpływające na kierunek rotacji naszej planety.

Obejrzyj w

Są też bardzo odważne teorie, które akceptują wspomniane zderzenie, ale sugerują, że początkowo po nim nachylenie osi obrotowej Ziemi wynosiło nawet ponad 70 stopni. Dopiero z czasem stało się mniejsze, podczas gdy Księżyc zajął obecną orbitę wokół Ziemi.

Co było przyczyną pojawienia się nachylenia osi obrotu w przypadku innych planet?

Udział Księżyca w procesie zmiany nachylenia osi obrotowej Ziemi może mieć związek z zaproponowaną w ostatnich latach teorią tłumaczącą nachylenie orbity Saturna czy Urana, a także perspektywę zmian nachylenia orbity Jowisza w przyszłości.

Potężny układ księżycowy Jowisza, który przypomina mały układ planetarny. Tu może sporo zdarzyć się w przyszłości. Po lewej najmasywniejsze księżyce Galileuszowe, które znajdują się głęboko wewnątrz orbit pozostałych dużo mniejszych księżyców na obrazie po prawej (fot: NASA)

Zakłada ona migrację jednego lub większej liczby księżyców w układzie związanym z planetą. W przypadku Saturna rolę tę spełnił Tytan, w przypadku Urana nieistniejący już dziś obiekt.

Ta teoria stanowi kontrpropozycję dla wcześniejszych założeń, które tłumaczyły zmianę nachylenia orbit gazowych gigantów w podobny sposób jak dla Ziemi. Czyli poprzez zderzenie z masywnym obiektem. Zmiana nachylenia osi obrotowej zależna była od jego masy i tego od jakiej strony nastąpiło uderzenie.

Nachylenie osi obrotu Wenus to szczególnie oryginalny przypadek

Wenus mogła zmienić nachylenie osi obrotowej w wyniku zderzenia jak inne planety, ale też w wyniku silnych pływów, w których udział brało Słońce jak i bardzo gęsta atmosfera Wenus.

Wenus z grubą warstwą chmur. Zdjęcie z sondy Mariner 10 z 1974 roku. Po prawej wersja poprawiona z pomocą dzisiejszych technik obróbki obrazu (fot: NASA)

Jest także teoria, że samo nachylenie nie zmieniło się znacząco (biorąc pod uwagę kierunek osi, nachylenie 177 stopni to to samo co 3 stopnie), a jedynie planeta zatrzymała swój obrót w wyniku wspomnianych oddziaływań, a potem zaczęła wirować w odwrotnym kierunku. Tę teorię wspiera fakt, że planeta obraca się wokół własnej osi wolniej niż obiega Słońce.

A w przypadku Plutona, co sprawiło że ma tak dziwną orbitę i nachylenie osi obrotu?

W 2006 roku Pluton został zdegradowany do roli planety karłowatej. Jednym z powodów, dla których astronomowie zdecydowali się na taki krok, było nie spełnianie przez niego jednego z kryteriów planety, czyli oczyszczenia otoczenia swojej orbity z innych obiektów.

Pluton porusza się poza tym po bardzo nachylonej względem orbit innych planet i wydłużonej (o dużej ekscentryczności) orbicie. Jego odległość od Słońca pomiędzy momentami największego zbliżenia i największego oddalenia, zmienia się o około 19,7 jednostki astronomicznej (1 jednostka to odległość Ziemia Słońce, czyli 150 mln km).

Pluton przez 20 lat ze swojego 248 letniego cyklu orbitalnego porusza się wewnątrz orbity Neptuna, a przez 87 lat przebywa ponad płaszczyzną ekliptyki. Ostatnio zbliżenie do Słońca większe niż Neptun miało miejsce w latach 1979-1999. Kolejne nastąpi dopiero w 2227 roku.

Orbita Plutona widziana z boku, co ilustruje jej nachylenie względem orbit innych ciał niebieskich w Układzie Słonecznym, a także góry co pokazuje z kolei jej dużą ekscentryczność (rozciągnięcie). Obecnie Pluton oddala się od Słońca. foto: theskylive.com

Na dodatek, okazuje się, że orbita Plutona jest bliska niestabilności, a mimo to pozostaje stabilna. Nachylenie płaszczyzny orbity Plutona jak i jego osi obrotu wynika z oddziaływań Urana i Neptuna w trakcie ich migracji z wnętrza Układu Słonecznego do obecnych pozycji. Natomiast obecną stabilność zapewnia tak zwana oscylacja vZLK (od nazwisk badaczy), czyli specyficzny typ rezonansu (synchronizacji ruchu orbitalnego) pomiędzy Plutonem i Neptunem, a wszystkimi pozostałymi gazowymi olbrzymami.

Pory roku nie są czymś oczywistym w przypadku każdej planety

Występowanie pór roku na planetach nie jest czymś koniecznym. Domyślnie planeta wiruje wokół osi, która jest zgodna z osią wirowania dysku protoplanetarnego, z którego się wyłoniła. Ta oś jest prostopadła do płaszczyzny orbity. I jeśli nic nie przeszkodziło w takim ruchu, a orbita planety jest w dużym przybliżeniu kołowa, pory roku się nie pojawią.

Gdy upłynie wystarczająco dużo czasu (czasem zbyt dużo z perspektywy istnienia danego układu planetarnego) w wyniku oddziaływań pływowych może nastąpić synchronizacja czasu obrotowego i obiegowego, coś podobnego jak w przypadku Księżyca i Ziemi. A wtedy, nawet bez pór roku, pogoda na takiej planecie byłaby bardzo dziwna.

Natomiast w wyniku różnych wydarzeń na etapie formowania się planet, bądź to wyjątkowej konfiguracji masywniejszych niż dana planeta obiektów, pojawia się nachylenie osi obrotu względem płaszczyzny orbitalnej, ale to rzecz zależąca od przypadku, a nie z góry ustalona.

Wizja Proxima d, planety obiegającej najbliższą nam gwiazdę. Czy tam występują pory roku? Na razie to kwestia nieistotna, gdy jeszcze nie mamy pewności co do jej masy, rozmiaru, nie wspominając o tym, czy jest tam atmosfera w jakikolwiek sposób przypominająca ziemską. Szacowana temperatura powierzchni Proxima d nie jest mała, to około 85 stopni C. fot: ESO/L.Calçada

Poza tym, nawet jeśli pory roku występują, różnice pomiędzy latem i zimą nie muszą być tak dobrze zauważalne jak w przypadku Ziemi. Szczególnie, gdy planeta znajduje się wyjątkowo blisko lub daleko od swojej gwiazdy.

Wtedy dla człowieka niezależnie od pory roku będzie albo bardzo gorąco, albo bardzo zimno, albo na przemian gorąco i zimno, jak to ma miejsce w przypadku Merkurego, który pozbawiony jest praktycznie atmosfery i część nasłoneczniona jest znacznie gorętsza od tej skrytej w mroku.

Spore kontrasty temperaturowe występują też na Ziemi i to w skali jednej doby. Na przykład w rejonie Sahary, gdy w nocy temperatura bywa nawet o kilkadziesiąt stopni niższa za dnia.