四季分明的地球

季节的产生源于行星围绕恒星公转时，自转倾角导致了恒星发出的光照强度呈现周期性的变化。比如，在北半球的冬季时，地球的自转轴指向远离太阳方向，直射点出现在南回归线。倾斜的自转轴使得太阳光照射到地表时与大气存在夹角，有效削弱了部分能量，使光照分布显层次感，且全天日照时也有所变化。与此同时，直射点在南半球使得日照时间更长。太阳引力的拖拽效应在具有自转轴倾角的地球表面表现得更加充分。总体而言，地球自转轴倾角使地表温度均匀分布，最高温度与最低温度的差值不会超过200华氏度。

如果地球或类地行星自转轴没有倾角或者倾角小于5度时，行星赤道区域将首当其冲受到来自恒星强烈光照，两极地区由于缺少光照变得更加寒冷，温度不呈现季节性起伏，这种情况的结果便是温度严格按沿着纬线方向梯度分布（忽略地貌对温度的影响），海勒研究员认为这是从一个温暖的世界跌入世界末日，赤道异常高温，而两极却天寒地冻。从理论上说，中纬度地区的温度适宜生命的生存。但是，海勒认为最坏的情况是零自转轴倾角的行星大气发生崩溃。气体在赤道地区蒸发上升，并在两极地区降温下沉。

海勒研究员和他的同事们通过计算发现，系外行星Gliese 581d可能遭受到这样的命运。他们模拟了恒星与行星之间发生的“引力舞蹈”，结果表明行星自转轴可能在这种情况下会出现任何值。两个天体之间的偏心率使得行星受到来自恒星扭转力的作用，随着时间的推移，这种机制会强制行星进入零倾角的姿态，而自转轴能否在相当长的时期内保持适宜的倾角是生命发展的一个关键因素。在早期地球，大约花了10亿年时间才出现了细菌，更复杂的生物诸如人类则是又经过了大约35亿年才出现，而且仅是学会了如何在洞穴上刻图案。

根据当前的理论分析，即便位于恒星可居住带内的类地行星，只要这颗恒星的质量只有太阳质量的四分之一，仅需不到一亿年的时间，行星的黄赤交角就会被“抹平”。那需要什么样的条件才能维持适宜的倾角呢？科学家认为只有位于可居住带内的具有陆地表面的岩质行星，且恒星质量大约在90%的太阳质量，这样可维持系统内部行星的自转轴倾角超过10亿年。

宇宙中被寄予厚望的“超级地球”（质量大约是地球的10倍），所围绕的红矮星会使它们的自转轴倾角迅速消失，比如Gliese 581d系外行星，其所围绕的恒星只有31%的太阳质量。更不幸的是，科学家估计这颗恒星的年龄大约是太阳的两倍，也就是90亿岁。因此，Gliese 581d应该在很久以前就失去了它的自转轴倾角。

对“超级地球”上任何生命形式而言，更糟糕的情况是在它们行星自转轴被“抹平”后，行星自转速率也变得慢了下来，不仅失去了季节，同时这个世界还会出现“潮汐力锁定”，即Gliese 581d将变成只有一面朝向它的恒星。很明显，另外一面将进入永久冰冻的夜晚。

对此，海勒认为位于类似太阳这样恒星周围的具有可居住潜力的行星，它们与恒星之间都存在着潮汐力的作用。和红矮星相比，这些可居住区与恒星之间的距离大约是前者的两至三倍，在这个距离上，潮汐力是很弱的。

这意味着类似Kepler-22b这样的类地行星可以拥有比较经典的一年四季，海勒的研究结果显示这个星球上存在初始状态的自转轴倾角，因此可以体验到季节的变化。但是，相当多的天文现象可以改变行星的自转，包括卫星和其他行星引力的影响。在我们太阳系中的大块头木星引力就可以干扰其他行星的自转轴倾角。研究表明，正是月球相对较大的质量在一定程度上平衡了其他行星引力对地球影响，限制了轴向的摆动，并在相当长的时间内保持倾角的稳定。

与此相反，木星的强大引力肆虐着火星的自转轴倾角，导致其在过去的一百万年内出现高达60度的变化，使得火星全球气温和冰川覆盖出现大范围波动。适宜居住的世界则可能因为气候的乱序导致生命进程的结束。

哥伦比亚大学多学科天体生物学中心主任凯勒（Caleb Scharf）认为：即便红矮星周围的行星存在“大月亮”，但由于过于靠近昏暗的恒星，可能会破坏其卫星的轨道。计算天体之间引力长期相互作用的条件是苛刻的，现在，要想知道“超级地球”Gliese 581d以及开普勒 22b的真实状态还需要等待。总的来说，自转轴的倾角是一个非常重要的变量。