Trái đất có phải là hành tinh duy nhất có bốn mùa?
Xuân, hạ, thu, đông – các mùa trên Trái đất thay đổi vài tháng một lần, vào cùng một thời điểm hàng năm. Thật dễ dàng để coi chu kỳ này là điều đương nhiên ở đây trên Trái đất, nhưng không phải hành tinh nào cũng có sự thay đổi thường xuyên về các mùa.
Xuân, hạ, thu, đông – các mùa trên Trái đất thay đổi vài tháng một lần, vào cùng một thời điểm hàng năm. Thật dễ dàng để coi chu kỳ này là điều đương nhiên ở đây trên Trái đất, nhưng không phải hành tinh nào cũng có sự thay đổi thường xuyên về các mùa. Vậy tại sao Trái đất có các mùa đều đặn trong khi các hành tinh khác thì không?
Một nhóm nhà vật lý thiên văn đã nghiên cứu sự chuyển động của các hành tinh và nguyên nhân của các mùa. Trong suốt quá trình nghiên cứu, họ nhận thấy rằng kiểu hình các mùa đều đặn trên Trái đất là duy nhất. Trục quay mà Trái đất quay dọc theo cực Bắc và Nam không hoàn toàn thẳng hàng với trục thẳng đứng vuông góc với quỹ đạo của Trái đất quanh Mặt trời.
Độ nghiêng nhỏ đó có ý nghĩa lớn đối với mọi thứ từ các mùa đến chu kỳ sông băng. Độ lớn của độ nghiêng đó thậm chí có thể xác định liệu một hành tinh có thể sinh sống được hay không.
Các mùa trên Trái đất
Khi một hành tinh có sự thẳng hàng hoàn hảo giữa trục mà nó quay quanh và trục quay, lượng ánh sáng mặt trời mà nó nhận được là cố định khi nó quay quanh Mặt trời – giả sử hình dạng quỹ đạo của nó là hình tròn. Vì các mùa đến từ sự thay đổi về lượng ánh sáng mặt trời chiếu tới bề mặt hành tinh, nên một hành tinh được sắp xếp hoàn hảo sẽ không có các mùa. Nhưng Trái đất không được căn chỉnh hoàn hảo trên trục của nó.
Sự sai lệch nhỏ này, được gọi là độ xiên, nằm ở khoảng 23 độ so với phương thẳng đứng đối với Trái đất. Vì vậy, Bắc bán cầu hứng chịu ánh nắng gay gắt hơn vào mùa hè, khi Mặt trời ở vị trí ngay phía trên Bắc bán cầu.
Sau đó, khi Trái đất tiếp tục quay quanh Mặt trời, lượng ánh sáng mặt trời mà Bắc bán cầu nhận được giảm dần khi Bắc bán cầu nghiêng ra xa Mặt trời. Điều này gây ra mùa đông.
Các hành tinh quay quanh trục của chúng và quay quanh Mặt trời trông giống như con quay - chúng quay xung quanh và chao đảo do lực hấp dẫn từ Mặt trời. Khi quay ở đỉnh, bạn có thể nhận thấy rằng nó không chỉ đứng thẳng và đứng yên một cách hoàn hảo. Thay vào đó, nó có thể bắt đầu nghiêng hoặc lắc lư nhẹ. Độ nghiêng này được các nhà vật lý thiên văn gọi là tuế sai spin.
Do những dao động này nên độ xiên của Trái đất không cố định một cách hoàn hảo. Những thay đổi nhỏ về độ nghiêng này có thể có tác động lớn đến khí hậu Trái đất khi kết hợp với những thay đổi nhỏ đối với hình dạng quỹ đạo của Trái đất.
Độ nghiêng lắc lư và bất kỳ biến đổi tự nhiên nào đối với hình dạng quỹ đạo Trái đất có thể thay đổi lượng và sự phân bố ánh sáng mặt trời tới Trái đất. Những thay đổi nhỏ này góp phần làm cho nhiệt độ của hành tinh thay đổi lớn hơn trong hàng nghìn đến hàng trăm nghìn năm. Ngược lại, điều này có thể thúc đẩy các kỷ băng hà và các thời kỳ ấm áp.
Các mùa trên Trái đất là kết quả của nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm cả quỹ đạo và độ nghiêng trục quay.
Chuyển độ xiên thành các mùa
Vậy các biến đổi độ xiên ảnh hưởng như thế nào đến các mùa trên một hành tinh? Độ xiên thấp, nghĩa là trục quay thẳng hàng với hướng của hành tinh khi nó quay quanh Mặt trời, dẫn đến ánh sáng mặt trời mạnh hơn ở xích đạo và ánh sáng mặt trời yếu ở gần cực, giống như trên Trái đất.
Mặt khác, độ xiên cao – nghĩa là trục quay của hành tinh hướng về phía hoặc ra xa Mặt trời – dẫn đến các cực cực nóng hoặc cực lạnh. Đồng thời, đường xích đạo trở nên lạnh hơn do Mặt trời không chiếu sáng phía trên đường xích đạo quanh năm. Điều này dẫn đến sự thay đổi mạnh mẽ các mùa ở vĩ độ cao và nhiệt độ thấp ở xích đạo.
Khi một hành tinh có độ nghiêng lớn hơn 54 độ, đường xích đạo của hành tinh đó trở nên băng giá và cực trở nên ấm áp. Đây được gọi là sự phân vùng đảo ngược và nó trái ngược với những gì Trái đất có.
Về cơ bản, nếu một độ xiên có những biến đổi lớn và không thể đoán trước thì những biến đổi theo mùa trên hành tinh sẽ trở nên hoang dã và khó dự đoán. Một biến đổi độ xiên lớn, kịch tính có thể biến toàn bộ hành tinh thành một quả cầu tuyết, nơi tất cả đều bị băng bao phủ.
Cộng hưởng quỹ đạo quay
Hầu hết các hành tinh không phải là hành tinh duy nhất trong hệ mặt trời của chúng. Anh chị em hành tinh của chúng có thể làm nhiễu loạn quỹ đạo của nhau, điều này có thể dẫn đến sự thay đổi hình dạng quỹ đạo và độ nghiêng quỹ đạo của chúng.
Vì vậy, các hành tinh trên quỹ đạo trông giống như những ngọn quay trên nóc một chiếc ô tô đang lao xuống đường, trong đó chiếc ô tô tượng trưng cho mặt phẳng quỹ đạo. Khi tốc độ – hay tần số, như các nhà khoa học gọi nó – tại đó các đỉnh đang tiến động, hay quay tròn, khớp với tần số mà ô tô va chạm lên xuống, thì cái gọi là cộng hưởng quỹ đạo quay sẽ xảy ra.
Sự cộng hưởng quỹ đạo quay có thể gây ra những biến đổi độ xiên này, đó là khi một hành tinh chao đảo trên trục của nó. Hãy nghĩ đến việc đẩy một đứa trẻ lên xích đu. Khi bạn nhấn đúng lúc – hoặc ở tần số cộng hưởng – chúng sẽ dao động ngày càng cao hơn.
Sao Hỏa lắc lư trên trục của nó nhiều hơn Trái đất, mặc dù cả hai đều nghiêng như nhau và điều đó thực sự có liên quan đến Mặt trăng quay quanh Trái đất. Trái đất và Sao Hỏa có tần số tuế sai quay tương tự nhau, phù hợp với dao động quỹ đạo – thành phần tạo nên sự cộng hưởng quỹ đạo quay.
Nhưng Trái đất có một Mặt trăng khổng lồ, nó kéo trục quay của Trái đất và khiến nó tiến động nhanh hơn. Sự tiến động nhanh hơn một chút này ngăn cản nó trải qua sự cộng hưởng quỹ đạo quay. Vì vậy, Mặt trăng ổn định độ nghiêng của Trái đất và Trái đất không lắc lư trên trục của nó nhiều như Sao Hỏa.
Các mùa ngoại hành tinh
Hàng ngàn ngoại hành tinh, hay các hành tinh bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta, đã được phát hiện trong vài thập kỷ qua. Nhóm nghiên cứu của tôi muốn hiểu mức độ có thể sinh sống được của những hành tinh này và liệu các ngoại hành tinh này cũng có độ xiên hoang dã hay liệu chúng có mặt trăng để ổn định chúng như Trái đất hay không.
Để điều tra vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã dẫn đầu cuộc điều tra đầu tiên về các biến thể trục quay của các ngoại hành tinh.
Họ đã điều tra Kepler-186f, đây là hành tinh có kích thước bằng Trái đất được phát hiện đầu tiên trong vùng có thể ở được. Vùng có thể ở được là khu vực xung quanh một ngôi sao nơi nước ở dạng lỏng có thể tồn tại trên bề mặt hành tinh và sự sống có thể xuất hiện và phát triển.
Không giống Trái đất, Kepler-186f nằm cách xa các hành tinh khác trong hệ mặt trời. Kết quả là những hành tinh khác này chỉ có tác động yếu lên quỹ đạo và chuyển động của nó. Vì vậy, Kepler-186f nhìn chung có độ xiên cố định, tương tự như Trái đất. Ngay cả khi không có mặt trăng lớn, nó cũng không có các mùa thay đổi đột ngột hoặc khó đoán như sao Hỏa.
Trong tương lai, nhiều nghiên cứu hơn về các ngoại hành tinh sẽ giúp các nhà khoa học hiểu được các mùa trông như thế nào trong sự đa dạng rộng lớn của các hành tinh trong vũ trụ.
