四季分明的地球

季節(jié)的產(chǎn)生源于行星圍繞恒星公轉(zhuǎn)時，自轉(zhuǎn)傾角導(dǎo)致了恒星發(fā)出的光照強度呈現(xiàn)周期性的變化。比如，在北半球的冬季時，地球的自轉(zhuǎn)軸指向遠離太陽方向，直射點出現(xiàn)在南回歸線。傾斜的自轉(zhuǎn)軸使得太陽光照射到地表時與大氣存在夾角，有效削弱了部分能量，使光照分布顯層次感，且全天日照時也有所變化。與此同時，直射點在南半球使得日照時間更長。太陽引力的拖拽效應(yīng)在具有自轉(zhuǎn)軸傾角的地球表面表現(xiàn)得更加充分?？傮w而言，地球自轉(zhuǎn)軸傾角使地表溫度均勻分布，最高溫度與最低溫度的差值不會超過200華氏度。

如果地球或類地行星自轉(zhuǎn)軸沒有傾角或者傾角小于5度時，行星赤道區(qū)域?qū)⑹桩斊錄_受到來自恒星強烈光照，兩極地區(qū)由于缺少光照變得更加寒冷，溫度不呈現(xiàn)季節(jié)性起伏，這種情況的結(jié)果便是溫度嚴格按沿著緯線方向梯度分布（忽略地貌對溫度的影響），海勒研究員認為這是從一個溫暖的世界跌入世界末日，赤道異常高溫，而兩極卻天寒地凍。從理論上說，中緯度地區(qū)的溫度適宜生命的生存。但是，海勒認為最壞的情況是零自轉(zhuǎn)軸傾角的行星大氣發(fā)生崩潰。氣體在赤道地區(qū)蒸發(fā)上升，并在兩極地區(qū)降溫下沉。

海勒研究員和他的同事們通過計算發(fā)現(xiàn)，系外行星Gliese 581d可能遭受到這樣的命運。他們模擬了恒星與行星之間發(fā)生的“引力舞蹈”，結(jié)果表明行星自轉(zhuǎn)軸可能在這種情況下會出現(xiàn)任何值。兩個天體之間的偏心率使得行星受到來自恒星扭轉(zhuǎn)力的作用，隨著時間的推移，這種機制會強制行星進入零傾角的姿態(tài)，而自轉(zhuǎn)軸能否在相當長的時期內(nèi)保持適宜的傾角是生命發(fā)展的一個關(guān)鍵因素。在早期地球，大約花了10億年時間才出現(xiàn)了細菌，更復(fù)雜的生物諸如人類則是又經(jīng)過了大約35億年才出現(xiàn)，而且僅是學(xué)會了如何在洞穴上刻圖案。

根據(jù)當前的理論分析，即便位于恒星可居住帶內(nèi)的類地行星，只要這顆恒星的質(zhì)量只有太陽質(zhì)量的四分之一，僅需不到一億年的時間，行星的黃赤交角就會被“抹平”。那需要什么樣的條件才能維持適宜的傾角呢？科學(xué)家認為只有位于可居住帶內(nèi)的具有陸地表面的巖質(zhì)行星，且恒星質(zhì)量大約在90%的太陽質(zhì)量，這樣可維持系統(tǒng)內(nèi)部行星的自轉(zhuǎn)軸傾角超過10億年。

宇宙中被寄予厚望的“超級地球”（質(zhì)量大約是地球的10倍），所圍繞的紅矮星會使它們的自轉(zhuǎn)軸傾角迅速消失，比如Gliese 581d系外行星，其所圍繞的恒星只有31%的太陽質(zhì)量。更不幸的是，科學(xué)家估計這顆恒星的年齡大約是太陽的兩倍，也就是90億歲。因此，Gliese 581d應(yīng)該在很久以前就失去了它的自轉(zhuǎn)軸傾角。

對“超級地球”上任何生命形式而言，更糟糕的情況是在它們行星自轉(zhuǎn)軸被“抹平”后，行星自轉(zhuǎn)速率也變得慢了下來，不僅失去了季節(jié)，同時這個世界還會出現(xiàn)“潮汐力鎖定”，即Gliese 581d將變成只有一面朝向它的恒星。很明顯，另外一面將進入永久冰凍的夜晚。

對此，海勒認為位于類似太陽這樣恒星周圍的具有可居住潛力的行星，它們與恒星之間都存在著潮汐力的作用。和紅矮星相比，這些可居住區(qū)與恒星之間的距離大約是前者的兩至三倍，在這個距離上，潮汐力是很弱的。

這意味著類似Kepler-22b這樣的類地行星可以擁有比較經(jīng)典的一年四季，海勒的研究結(jié)果顯示這個星球上存在初始狀態(tài)的自轉(zhuǎn)軸傾角，因此可以體驗到季節(jié)的變化。但是，相當多的天文現(xiàn)象可以改變行星的自轉(zhuǎn)，包括衛(wèi)星和其他行星引力的影響。在我們太陽系中的大塊頭木星引力就可以干擾其他行星的自轉(zhuǎn)軸傾角。研究表明，正是月球相對較大的質(zhì)量在一定程度上平衡了其他行星引力對地球影響，限制了軸向的擺動，并在相當長的時間內(nèi)保持傾角的穩(wěn)定。

與此相反，木星的強大引力肆虐著火星的自轉(zhuǎn)軸傾角，導(dǎo)致其在過去的一百萬年內(nèi)出現(xiàn)高達60度的變化，使得火星全球氣溫和冰川覆蓋出現(xiàn)大范圍波動。適宜居住的世界則可能因為氣候的亂序?qū)е律M程的結(jié)束。

哥倫比亞大學(xué)多學(xué)科天體生物學(xué)中心主任凱勒（Caleb Scharf）認為：即便紅矮星周圍的行星存在“大月亮”，但由于過于靠近昏暗的恒星，可能會破壞其衛(wèi)星的軌道。計算天體之間引力長期相互作用的條件是苛刻的，現(xiàn)在，要想知道“超級地球”Gliese 581d以及開普勒 22b的真實狀態(tài)還需要等待。總的來說，自轉(zhuǎn)軸的傾角是一個非常重要的變量。