Aunque el universo sea enorme, existen mundos que se asemejan mucho a la Tierra. Un exoplaneta a 580 años luz del nuestro podría tener estaciones como las existentes aquí. ¿Podrían esas condiciones aumentar las posibilidades de existencia de vida o de habitabilidad?

Primavera, verano, otoño e invierno: las estaciones de la Tierra cambian cada pocos meses, más o menos en la misma época cada año. Es fácil dar por sentado este ciclo aquí en la Tierra, pero no todos los planetas tienen un cambio regular de estaciones. ¿Por qué la Tierra tiene estaciones regulares y otros planetas no?

Soy astrofísico y estudio el movimiento de los planetas y las causas de las estaciones. A lo largo de mi investigación, he descubierto que el patrón regular de estaciones de la Tierra es único. El eje de rotación sobre el que gira la Tierra, a lo largo de los polos norte y sur, no está del todo alineado con el eje vertical perpendicular a la órbita de la Tierra alrededor del Sol.

Esa ligera inclinación tiene grandes implicaciones para todo, desde las estaciones hasta los ciclos glaciares. La magnitud de esa inclinación puede incluso determinar si un planeta es habitable para la vida.

Estaciones en la Tierra

Follaje de otoño máximo fotografiado por el satélite Terra de la NASA en 2017. Crédito de imagen: NASA

Cuando un planeta tiene una alineación perfecta entre el eje sobre el que orbita y el eje de rotación, la cantidad de luz solar que recibe es fija mientras orbita alrededor del Sol, suponiendo que su forma orbital sea un círculo. Dado que las estaciones se deben a variaciones en la cantidad de luz solar que llega a la superficie del planeta, un planeta perfectamente alineado no tendría estaciones. Pero la Tierra no está perfectamente alineada sobre su eje.

Esta pequeña desalineación, llamada oblicuidad, es de unos 23 grados con respecto a la vertical de la Tierra. Así, el hemisferio norte recibe una luz solar más intensa durante el verano, cuando el Sol se sitúa más directamente sobre el hemisferio norte.

Luego, a medida que la Tierra continúa orbitando alrededor del Sol, la cantidad de luz solar que recibe el Hemisferio Norte disminuye gradualmente a medida que éste se inclina alejándose del Sol. Esto provoca el invierno.

Los planetas que giran sobre sus ejes y orbitan alrededor del Sol parecen peonzas: giran y se tambalean debido a la atracción gravitatoria del Sol. Cuando una peonza gira, se puede observar que no permanece perfectamente erguida e inmóvil. Por el contrario, puede empezar a inclinarse o tambalearse ligeramente. Esta inclinación es lo que los astrofísicos denominan precesión de giro.

Debido a estos bamboleos, la oblicuidad de la Tierra no es perfectamente fija. Estas pequeñas variaciones en la inclinación pueden tener grandes efectos en el clima de la Tierra cuando se combinan con pequeños cambios en la forma de la órbita terrestre.

El bamboleo de la inclinación y cualquier variación natural en la forma de la órbita de la Tierra pueden cambiar la cantidad y distribución de la luz solar que llega a la Tierra. Estos pequeños cambios contribuyen a los grandes cambios de temperatura del planeta a lo largo de miles o cientos de miles de años. Esto, a su vez, puede provocar glaciaciones y periodos de calor.

Traducir la oblicuidad en estaciones

¿Cómo afectan las variaciones de la oblicuidad a las estaciones del planeta? Una oblicuidad baja, es decir, cuando el eje de rotación está alineado con la orientación del planeta en su órbita alrededor del Sol, hace que la luz solar sea más intensa en el ecuador y escasa cerca del polo, como en la Tierra.

Por otro lado, una oblicuidad elevada -es decir, que el eje de rotación del planeta apunte hacia el Sol o se aleje de él- da lugar a polos extremadamente cálidos o fríos. Al mismo tiempo, el ecuador se enfría, ya que el Sol no brilla por encima del ecuador durante todo el año. Esto da lugar a estaciones drásticamente variables en las latitudes altas y a bajas temperaturas en el ecuador.

Cuando un planeta tiene una oblicuidad superior a 54 grados, su ecuador se vuelve helado y su polo cálido. Esto se denomina zonación invertida, y es lo contrario de lo que ocurre en la Tierra.

Básicamente, si una oblicuidad tiene variaciones grandes e impredecibles, las variaciones estacionales en el planeta se vuelven salvajes y difíciles de predecir. Una gran y dramática variación de la oblicuidad puede convertir todo el planeta en una bola de nieve, donde todo esté cubierto de hielo.

Cuando un planeta tiene una oblicuidad de más de 54 grados, su ecuador se congela y el polo se calienta. Como la Tierra pero opuesta. Crédito de imagen: NASA

Resonancias Espín-Órbita

La mayoría de los planetas no son los únicos en su sistema solar. Sus hermanos planetarios pueden perturbar la órbita de los demás, lo que puede provocar variaciones en la forma de sus órbitas y en su inclinación orbital.

Así, los planetas en órbita parecen peonzas girando sobre el techo de un coche que va dando tumbos por la carretera, donde el coche representa el plano orbital. Cuando la velocidad -o frecuencia, como la llaman los científicos- a la que se procesan o giran las tapas coincide con la frecuencia a la que el coche choca arriba y abajo, se produce algo llamado resonancia espín-órbita.

Las resonancias espín-órbita pueden causar estas variaciones de oblicuidad, que es cuando un planeta se tambalea sobre su eje. Piensa en empujar a un niño en un columpio. Cuando empujas en el momento justo -o en la frecuencia de resonancia- se balancean cada vez más alto.

Marte se bambolea más sobre su eje que la Tierra, a pesar de que ambos tienen la misma inclinación, y esto tiene que ver con la Luna orbitando alrededor de la Tierra. La Tierra y Marte tienen una frecuencia de precesión del espín similar, que coincide con la oscilación orbital: los ingredientes para una resonancia espín-órbita.

Pero la Tierra tiene una Luna masiva, que tira del eje de giro de la Tierra y la impulsa a una precesión más rápida. Esta precesión ligeramente más rápida impide que experimente resonancias espín-órbita. Así, la Luna estabiliza la oblicuidad de la Tierra y ésta no se tambalea sobre su eje tanto como Marte.

Estaciones de los exoplanetas

En las últimas décadas se han descubierto miles de exoplanetas, o planetas fuera de nuestro sistema solar. Mi grupo de investigación quería entender cómo de habitables son estos planetas y si estos exoplanetas también tienen oblicuidades salvajes o si tienen lunas para estabilizarlos como la Tierra.

Para investigar esto, mi grupo ha dirigido la primera investigación sobre las variaciones del eje de espín de los exoplanetas.

Investigamos Kepler-186f, que fue el primer planeta del tamaño de la Tierra descubierto en una zona habitable. La zona habitable es un área alrededor de una estrella donde puede existir agua líquida en la superficie del planeta, y la vida puede ser capaz de surgir y prosperar.

A diferencia de la Tierra, Kepler-186f se encuentra lejos de los demás planetas de su sistema solar. Como resultado, estos otros planetas sólo tienen un débil efecto en su órbita y movimiento. Así, Kepler-186f tiene generalmente una oblicuidad fija, similar a la de la Tierra. Incluso sin una luna grande, no tiene estaciones salvajemente cambiantes o impredecibles como Marte.

De cara al futuro, más investigaciones sobre los exoplanetas ayudarán a los científicos a comprender cómo son las estaciones en toda la vasta diversidad de planetas del universo.

Los hallazgos de la investigación han sido publicados en The Astronomical Journal.

Fuente: The Conversation

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