Primavera, estate, autunno e inverno: le stagioni sulla Terra cambiano ogni pochi mesi, più o meno nello stesso periodo ogni anno. È facile dare per scontato questo ciclo qui sulla Terra, ma non tutti i pianeti hanno un cambio stagionale regolare. Allora perché la Terra ha stagioni regolari mentre gli altri pianeti no?
Come si manifestano le stagioni negli altri pianeti?
Il modello regolare delle stagioni della Terra è unico. L’ asse di rotazione su cui ruota la Terra, lungo i poli Nord e Sud, non è del tutto allineato con l’asse verticale perpendicolare all’orbita della Terra attorno al sole.
Questa leggera inclinazione ha grandi implicazioni per tutto, dalle stagioni ai cicli dei ghiacciai. L’entità di tale inclinazione può persino determinare se un pianeta sia abitabile o meno.
Quando un pianeta ha un perfetto allineamento tra l’asse su cui orbita e l’asse di rotazione, la quantità di luce solare che riceve è fissa mentre orbita attorno al sole, supponendo che la sua forma orbitale 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 ne avrebbe, ma la Terra non è perfettamente allineata sul suo asse.
Questo piccolo disallineamento, chiamato obliquità, è di circa 23 gradi dalla verticale per la Terra. Pertanto, l’emisfero settentrionale sperimenta una luce solare più intensa durante l’estate, quando il sole è posizionato più direttamente sopra l’emisfero settentrionale.
Quindi, mentre la Terra continua a orbitare attorno al sole, la quantità di luce solare ricevuta dall’emisfero settentrionale diminuisce gradualmente man mano che l’emisfero settentrionale si inclina in direzione opposta al sole: questo provoca l’inverno.
I pianeti che ruotano sul proprio asse e orbitano attorno al sole assomigliano a delle trottole: girano e oscillano a causa dell’attrazione gravitazionale del sole. Mentre si manifesta questo fenomeno, si potrebbe notare che non si limita a rimanere perfettamente verticale e fermo. Il pianeta in questione potrebbe invece iniziare a inclinarsi o oscillare leggermente. Questa inclinazione è ciò che gli astrofisici chiamano precessione dello 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 terrestre se combinate con piccoli cambiamenti nella forma dell’orbita terrestre.
L’inclinazione oscillante e qualsiasi variazione naturale della forma dell’orbita terrestre possono modificare 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, provocare ere glaciali e periodi di caldo.
Quindi, in che modo le variazioni di obliquità influenzano le stagioni su un pianeta? Una bassa obliquità, il che significa che l’asse di rotazione è allineato con l’orientamento del pianeta mentre orbita attorno al sole, porta a una luce solare più forte sull’equatore e una luce solare bassa vicino al polo, come sulla Terra.
D’altra parte, un’elevata obliquità, ovvero 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 alle alte latitudini e 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. Questa si chiama zonazione inversa ed è l’opposto di quello che ha la Terra.
Fondamentalmente, se un’obliquità presenta variazioni ampie e imprevedibili, le variazioni delle stagioni sul pianeta diventano selvagge e difficili da prevedere. Una variazione drammatica e ampia dell’obliquità può trasformare l’intero pianeta in una palla di neve, dove è tutto coperto di ghiaccio.
La maggior parte dei pianeti non sono gli unici nei loro sistemi solari. I loro fratelli planetari possono disturbare l’orbita dell’altro, il che può portare a variazioni nella forma delle loro orbite e nella loro inclinazione orbitale.
Quindi, i pianeti in orbita sembrano un po’ come delle trottole che girano sul tetto di un’auto che sta sobbalzando lungo la strada, dove l’auto rappresenta il piano orbitale. Quando la velocità, o frequenza, come la chiamano gli scienziati, con cui le trottole sono in precessione, o ruotano, corrisponde alla frequenza con cui l’auto sobbalza, si verifica qualcosa chiamato risonanza spin-orbita.
Le risonanze spin-orbita possono causare queste variazioni di obliquità, ovvero quando un pianeta oscilla sul proprio asse. Marte oscilla maggiormente sul suo asse rispetto alla Terra, anche se i due sono inclinati all’incirca nella stessa misura, e questo in realtà ha a che fare con la luna che orbita attorno alla Terra. Il nostro pianeta e Marte hanno una frequenza di precessione di spin simile, che corrisponde all’oscillazione orbitale.
La Terra tuttavia ha una luna enorme, che attira l’asse di rotazione terrestre e la spinge a preprocessare più velocemente. Questa precessione leggermente più veloce le impedisce di sperimentare risonanze dell’orbita di rotazione. Quindi, la Luna stabilizza l’obliquità della Terra e la Terra non oscilla sul suo asse tanto quanto Marte.
Negli ultimi decenni sono stati scoperti migliaia di esopianeti, o pianeti al di fuori del nostro sistema solare. Un gruppo di ricerca ha voluto capire quanto siano abitabili questi pianeti e se anche questi esopianeti abbiano obliquità estreme o se abbiano lune per stabilizzarli come fa la Terra.
Per indagare su questo, gli studiosi hanno condotto la prima indagine sulle variazioni dell’asse di rotazione degli esopianeti analizzando Kepler-186f, che è il primo pianeta delle dimensioni della Terra scoperto in una zona abitabile. La zona abitabile è un’area attorno a una stella dove può esistere acqua liquida sulla superficie del pianeta e la vita può emergere e prosperare.
A differenza della Terra, Kepler-186f si trova lontano dagli altri pianeti del suo sistema solare. Di conseguenza, questi altri pianeti hanno solo un effetto debole sulla sua orbita e sul suo movimento. Quindi, Kepler-186f ha generalmente un’obliquità fissa, simile alla Terra. Anche senza una grande luna, non ha stagioni imprevedibili e mutevoli come Marte.
Guardando al futuro, ulteriori ricerche sugli esopianeti aiuteranno gli scienziati a capire come appaiono le stagioni nella vasta diversità dei pianeti nell’Universo.
