本文最初发表于 The Conversation。
春、夏、秋、冬——地球上的季节每隔几个月就会变化，每年都在差不多的时间。在地球上，我们很容易将这个周期视为理所当然，但并非所有行星都有规律的季节变化。那么，为什么地球有规律的季节，而其他行星没有呢？
我是一名天体物理学家，研究行星运动和季节成因。通过我的研究，我发现地球规律的季节模式是独一无二的。地球绕地轴（北极和南极）旋转的自转轴，与垂直于地球绕太阳公转轨道的轴并非完全对齐。
这种轻微的倾斜对从季节到冰川周期的一切都产生了巨大影响。倾斜的幅度甚至可以决定行星是否适宜生命生存。
地球上的季节
当行星绕轨道运行的轴与自转轴完美对齐时，假设其轨道形状为圆形，它接收到的阳光量在绕太阳运行时是固定的。由于季节来自行星表面接收到的阳光量变化，一个完全对齐的行星就不会有季节。但地球的轴并非完全对齐。
这种小的失准称为“倾角”，对于地球来说，它与垂直方向大约有23度。因此，当太阳更直接地位于北半球上方时，北半球在夏季会经历更强烈的阳光照射。
然后，随着地球继续绕太阳公转，北半球接收到的阳光量逐渐减少，因为北半球倾斜远离太阳。这就导致了冬季。
行星绕地轴自转并绕太阳公转，看起来有点像旋转的陀螺——它们因为太阳的引力而旋转并摆动。当陀螺旋转时，你可能会注意到它不会保持完全直立和静止。相反，它可能会开始倾斜或轻微摆动。天体物理学家将这种倾斜称为自转进动。
由于这些摆动，地球的倾角并非完全固定。当这些微小的倾斜变化与地球轨道形状的小变化相结合时，可能会对地球气候产生重大影响。
摆动的倾角以及地球轨道形状的任何自然变化，都会改变到达地球的阳光量和分布。这些微小的变化有助于在数千年到数十万年内，行星温度发生更大的变化。这反过来又会驱动冰期和温暖期。
将倾角转化为季节
那么，倾角的变化如何影响行星上的季节呢？低倾角，意味着自转轴与行星绕太阳公转的姿态对齐，导致赤道阳光更强，极地阳光更弱，就像在地球上一样。
另一方面，高倾角——意味着行星的自转轴指向太阳或背离太阳——导致极地极端炎热或寒冷。同时，赤道变冷，因为太阳全年不会直射赤道上方。这导致高纬度地区季节变化剧烈，赤道温度较低。
当行星的倾角超过54度时，该行星的赤道会结冰，而极地会变暖。这被称为逆向分带，与地球的情况相反。
基本上，如果倾角有大而不可预测的变化，行星上的季节变化就会变得剧烈且难以预测。剧烈、大的倾角变化可以将整个行星变成一个雪球，完全被冰覆盖。
自转-轨道共振
大多数行星并非其太阳系中唯一的行星。它们的行星“兄弟姐妹”会相互干扰轨道，这会导致其轨道形状和轨道倾角发生变化。
因此，行星在轨道上运行，就像在颠簸的汽车顶部旋转的陀螺，汽车代表轨道平面。当陀螺进动或旋转的速率——或者说科学家称之为频率——与汽车上下颠簸的频率匹配时，就会发生所谓的自转-轨道共振。
自转-轨道共振会导致倾角变化，即行星绕其轴摆动。想象一下推孩子荡秋千。如果你在恰当的时机——或以共振频率——推，他们会越荡越高。
尽管地球和火星的倾角大致相同，但火星绕其轴摆动的幅度比地球大，这实际上与月球绕地球运行有关。地球和火星具有相似的自转进动频率，这与轨道振荡相匹配——这是自转-轨道共振的要素。
但地球有一个巨大的月球，它会拉扯地球的自转轴，使其进动得更快。这种稍快的进动阻止了它发生自转-轨道共振。因此，月球稳定了地球的倾角，地球绕其轴摆动的幅度不像火星那么大。
系外行星的季节
在过去的几十年里，已经发现了数千颗系外行星，也就是我们太阳系以外的行星。我的研究小组想了解这些行星的宜居性如何，以及这些系外行星是否也有剧烈的倾角，或者它们是否有像地球一样的月球来稳定它们。
为了研究这一点，我的小组领导了对系外行星自转轴变化的首次调查。
我们研究了开普勒-186f，这是第一个在宜居带中发现的地球大小的行星。宜居带是恒星周围的一个区域，在那里液态水可以存在于行星表面，生命可能在那里出现和繁衍。
与地球不同，开普勒-186f位于其太阳系其他行星的远处。因此，这些其他行星对其轨道和运动的影响很小。所以，开普勒-186f通常拥有固定的倾角，这与地球相似。即使没有一个大的月球，它也不会像火星那样经历剧烈变化或不可预测的季节。
展望未来，对系外行星的更多研究将有助于科学家们了解宇宙中各种各样的行星的季节是什么样的。
免责声明：Gongjie Li 获得 NASA 的资助。
