Астрономія
Астрономія

Сорок років весни. Як змінюються сезони на інших планетах

Весна поки що не тішить яскравим сонцем і теплою погодою, але вже незабаром на вулицях з’являться люди без курток і зазеленіють дерева. А як виглядає зміна пір року на інших планетах? І взагалі, чи всюди вона можлива?

Транзит Меркурія перед диском Сонця. NASA

Транзит Меркурія перед диском Сонця. NASA

Спершу треба трохи згадати шкільні уроки з географії. Зміна пір року на Землі відбувається завдяки нахилу її вісі обертання. Тобто, якщо провести перпендикулярну до орбіти нашої планети лінію, кут між нею та віссю обертання Землі складатиме 23,45 градусів. Цей нахил сприяє тому, що різні півкулі планети опиняються орієнтованими до Сонця, поки Земля рухається навколо нього. Таким чином, кожна півкуля отримує більше сонячного випромінювання влітку та менше взимку. І цей ефект не є рівномірним: вищі широти зазнають більших змін у сонячній радіації, аніж ті ділянки, що розташовані ближче до екватора. Протягом останнього мільйона років нахил Землі коливався від 22,1 до 24,5 градусів внаслідок гравітаційного впливу інших планет Сонячної системи. Чим більший цей кут, тим більш екстремальними стають пори року, але зараз він, навпаки, дуже повільно зменшується, і досягне свого мінімуму приблизно через 10 тисяч років.

Tau’olunga / Wikimedia Commons

Tau’olunga / Wikimedia Commons

Таким чином, зима приходить не тому, що Земля віддаляється від Сонця, як іноді помилково вважають. Насправді, орбіта нашої планети майже кругова. Її ексцентриситет, тобто характеристика, яка показує, наскільки орбіта витягнута, складає лише 0,0167. Отже, ці зміни дуже незначні, але завдяки їм наші чотири пори року мають дещо різну тривалість. Так, літо в Північній півкулі наразі довше за зиму приблизно на 4,5 дні, а весна приблизно на три дні довша за осінь. Проте, як і нахил осі обертання, ексцентриситет Землі з часом зазнає змін через гравітаційний вплив Юпітера і Сатурна. Наразі орбіта Землі повільно стає круглішою, і у міру зменшення ексцентриситету тривалість пір року поступово вирівнюється.

Отже, для того, щоб мати різні сезони, у планети має бути нахил осі обертання чи великий ексцентриситет орбіти — або обидва ці фактори одночасно. І, звичайно ж, на це також впливає атмосфера. Усі планети Сонячної системи зазнають певних сезонних змін, проте вони можуть бути як екстремальними, так і майже непомітними.

І зовсім він не ретроградний

Меркурію потрібно лише 88 днів, щоб здійснити один оберт навколо Сонця. Довгий час вважалося, що він завжди повернутий до нашої зірки однією стороною, тобто що доба тут триває стільки ж, скільки і рік. І лише у 1960-х роках завдяки даним обсерваторії Аресібо астрономи побачили, що Меркурій здійснює один оберт навколо своєї вісі за 59 днів. Таким чином, на кожні два оберти планети навколо Сонця припадає три оберти навколо вісі, і це унікальна конфігурація для нашої системи.

Північний полюс Меркурія. Жовтим позначені ділянки, у яких знаходиться лід. NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington

Північний полюс Меркурія. Жовтим позначені ділянки, у яких знаходиться лід. NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington

Нахил вісі у Меркурія відсутній, тож впродовж року будь-яка задана широта отримує однакову кількість сонячного проміння. Тим не менш, його орбіта має найвищий ексцентриситет серед планет Сонячної системи: у найближчій точці відстань між ним та зіркою складає 47 мільйонів кілометрів, а у найвіддаленішій — 70 мільйонів кілометрів. Ці зміни призводять до коливання температур на планеті, тож на Меркурії існують своєрідні зима та літо. Але найбільшу різницю відчувають денна та нічна сторони планети. Влітку, коли Меркурій наближається до Сонця, його денна температура може досягати 465 градусів Цельсія, а вночі опускається до мінус 184 градусів за Цельсієм через відсутність атмосфери, яка зберігала б тепло. Таким чином, тут немає весни чи осені — лише нестерпна спека вдень і жахливий холод вночі. Меркурій має постійно затінені області біля своїх полюсів, і в цих регіонах існує лід — не дивлячись на те, що це найближча до Сонця планета.

Венера у хутрі

Доба на Венері триває довше, ніж рік на Венері. Орбіта цієї планети є майже ідеальним колом: її ексцентриситет найменший серед планет Сонячної системи. Вчені припускають, що до цього призвела міграція Юпітера, який, віддаляючись від Сонця, вплинув на неї своєю гравітацією.

Хмари в атмосфері Венери. NASA/JPL-Caltech

Хмари в атмосфері Венери. NASA/JPL-Caltech

Вісь обертання Венери має нахил, проте дуже незначний — лише три градуси. Здавалося б, це мало б призводити до невеликих сезонних змін, але насправді температура поверхні тут лишається однаковою. Усе через щільну атмосферу, яка переважно складається з вуглекислого газу та містить хмари сірчаної кислоти. Вона створює сильний парниковий ефект і високий тиск. Таким чином, середня температура поверхні Венери складає приблизно 450 градусів за Цельсієм — цього достатньо, щоб розплавити свинець.

Мрія Ілона Маска

Наш сусід Марс багато в чому схожий на Землю: доба тут триває майже стільки ж, як і на нашій планеті, а нахил осі складає близько 25 градусів. А ще тут (нарешті!) є усі чотири пори року. Але через те, що його орбіта більш еліптична, ніж у Землі, на зміну марсіанських сезонів також впливає його відстань від Сонця. Марсу потрібно майже вдвічі більше часу, щоб здійснити один оберт навколо зірки. Рік тут триває 687 днів, відповідно, і кожен з сезонів довший за звичні для нас три місяці. До того ж, вони не мають рівномірного розподілу. Весна в північній півкулі (у південній в цей час осінь) триває найдовше — 194 соли (марсіанські дні). Осінь у північній півкулі тягнеться 142 соли, зима 154 соли, а літо — 178 солів. У південній півкулі сезони суворіші, ніж у північній. Так, під час південної зими Марс знаходиться у найбільш віддаленій від Сонця точці, тож тут ще холодніше.

Не дивлячись на те, що сезони на Марсі нагадують земні, температура тут набагато екстремальніша. Вона коливається від 20 до мінус 150 градусів за Цельсієм. Атмосфера на Марсі настільки тонка, що тепло від Сонця не може надовго затриматися. Лід під дією сонячних променів, нагріваючись у теплу пору року, одразу переходить у пару, тож рідка вода на його поверхні не може існувати.

Марс до і під час глобальної пилової бурі. NASA/JPL-Caltech/MSSS

Марс до і під час глобальної пилової бурі. NASA/JPL-Caltech/MSSS

А ще весна на Червоній планеті — це початок сезону пилових бур, які розпочинаються на певних ділянках та згодом можуть перерости у глобальні. Після таких подій знадобляться місяці, перш ніж піднятий у повітря пил знову осяде. В середньому, глобальні бурі трапляються раз на три марсіанських роки.

Газові гіганти, крижані світи

Планети у зовнішній частині Сонячної системи стикаються із значно іншими умовами. Відстань від них до зірки складає більше мільярда кілометрів, тож вони отримують набагато менше сонячної енергії. А Уран і Нептун настільки далекі і мають таку велику кількість атмосферної води та інших летких хімічних сполук, які можуть утворювати льоди, що відносяться до окремого типу планет — крижаних гігантів. Тож чи приходить весна у такі світи?

У випадку з Юпітером — ні. Нахил його осі обертання складає лише близько 3 градусів, а орбіта має низький ексцентриситет. Проте це не означає, що на цьому газовому гіганті панують статичні умови. Насправді, Юпітер має найкоротшу добу в Сонячній системі, яка триває лише 10 годин. Через це його атмосфера постійно перемішується, у ній дмуть сильні вітри та виникають циклоні і антициклони, які можуть тривати сотні років. Крім того, температура на Юпітері залежить від глибини: біля ядра вона може складати 24 тисячі градусів за Цельсієм (гарячіше, ніж на поверхні Сонця!), а у верхніх шарах газової оболонки падати до мінус 145 градусів.

А от на Сатурні існують усі чотири пори року завдяки нахилу його осі. Кожна з них триває приблизно сім років. Під час руху планети навколо Сонця астрономи Землі можуть спостерігати його кільця під різним кутом. Тіні кілець падають на півкулю, що переживає зиму, ще більше зменшуючи тепло, яке вона отримує, але не те щоб його було багато. Втім, зміна сезонів впливає на погодні умови, зокрема, на швидкість вітру в атмосфері Сатурна. Проте найкраще ці зміни помітні на північному полюсі планети, де обертається шестикутний вихор. У теплі пори року він змінює свій колір з блакитного на золотий — так стається через те, що більша кількість сонячного проміння виробляє у його атмосфері серпанки внаслідок фотохімічних реакцій.

Шестикутний ураган Сатурна у 2013 і 2017 роках. NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute/Hampton University

Шестикутний ураган Сатурна у 2013 і 2017 роках. NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute/Hampton University

Уран нахилений майже паралельно своїй осі обертання. Зміна пір року тут виглядає дуже дивно: північна півкуля планети переживає 21 рік зими і темряви, 21 рік літа, під час якого постійно освічується промінням, а восени та навесні, які разом тривають 42 роки, тут нарешті відбувається звична зміна дня і ночі. Коли сонячне проміння освічує регіони, які десятиліттями його не бачили, через раптове підвищення температури тут виникають потужні урагани. Але коли «Вояджер-2», єдиний з космічних апаратів, що наближався до Урана, пролітав повз планету, його атмосфера виглядала однорідною, позбавленою будь-яких деталей.

Уран, знятий «Вояджером-2» у 1986 році на відстані 12,7 мільйонів кілометрів. NASA/JPL 

Уран, знятий «Вояджером-2» у 1986 році на відстані 12,7 мільйонів кілометрів. NASA/JPL

Нарешті, остання з планет Сонячної системи, Нептун, знаходиться настільки далеко від нашої зірки, що потрібно 165 років, щоб здійснити оберт навколо неї. З часу його відкриття у 1846 році на Нептун встиг зробити це лише один повний раз.
Нахил його вісі складає 28 градусів, тож він схожий на нахили Землі, Марса та Сатурна. Тут відбувається зміна сезонів, і кожен з них триває більше 40 років. «Вояджер-2» зафіксував на планеті багато яскравих хмар і штормів, включаючи Велику темну пляму — гігантський антициклон. Тоді її не могли роздивитися з наземних телескопів, а коли «Габбл» запрацював та почав досліджувати Нептун, виявилося, що вона вже зникла. З тих пір спостерігалося кілька нових подібних структур.

Велика темна пляма. NASA / Jet Propulsion Lab

Велика темна пляма. NASA / Jet Propulsion Lab

Спостереження показали, що смуги хмар у південній півкулі крижаного гіганта ставали ширшими та яскравішими, починаючи з 1980-х років. Астрономи дійшли висновку, що це пов’язано з сезонними змінами. Наразі тут, у південній півкулі, вже панує літо. Збільшення кількості сонячного проміння, хоч і незначне, але призводить до розморожування метану в атмосфері. Осінь настане у цій частині планети у 2045-2046 роках.

Джерела