— Published on 22/06/2015 / Bug.hr.
Danas je ljetni suncostaj ili ljetni solsticij, najdulji dan u godini. Počinje ljeto. Doduše, to je točno samo za sjevernu Zemljinu polutku. Njezinim stanovnicima, primjerice u Europi i Sjevernoj Americi, dolazi ljeto. Za južnu Zemljinu polutku danas je zimski suncostaj, najkraći dan u godini. Ljudima koji žive recimo u Australiji i Južnoj Americi danas dolazi zima. Ipak, naslov ovog teksta nije inspiriran tom činjenicom. Preuzet je iz naziva prve epizode prve sezone američke fantastične televizijske serije "Igra prijestolja". A serija je snimljena prema ciklusu fantastičnih romana Georgea R. R. Martina "Pjesme vatre i leda". Prva knjiga iz tog ciklusa upravo je "Igra prijestolja". Iskreno, niti sam čitao Martinove romane niti sam gledao TV seriju. Igru prijestolja spominjem samo zato što sam nedavno dobio zanimljivo pitanje: "Je li moguć svijet u kojem zime traju godinama, kao u Igri prijestolja?" Da, moguć je.
Kao prvo, romani Georgea R. R. Martina iz ciklusa "Pjesme vatre i leda" čista su fantastika. Sam Martin jednom je prilikom izjavio da između fantastike, horora i znanstvene fantastike postoje tek fine, ne previše bitne, razlike. No ne bih rekao da se on, za razliku od autora tvrde znanstvene fantastike, imalo ograničavao zamišljanjem isključivo onih svjetova koju su načelno mogući. Ipak, u stvarnosti mogu postojati svjetovi u kojima se godišnja doba izmjenjuju naizgled stihijski i traju dugi niz godina.
Naš osjećaj za godine povezan je s izmjenom godišnjih doba. Često ne brojimo godine nego ljeta, kao u stihovima: "Kol'ko kapljic tol'ko let". Ipak, godina je – u astronomskom smislu – definirana neovisno o godišnjim dobima. Godina je vrijeme za koje planet obiđe matičnu zvijezdu, u našem slučaju Zemlja Sunce. I da nema godišnjih doba, godinu bismo iz Zemaljske perspektive mogli definirati i precizno mjeriti – prema izgledu noćnog neba, odnosno prema položajima zvijezda.
Pravilna izmjena godišnjih doba na Zemlji proizlazi iz činjenice da je rotacijska os Zemlje značajno nagnuta u odnosu na ravninu ekliptike. Ekliptika je prividna putanja Sunca na nebeskoj sferi. Vrijeme za koje Sunce obiđe ekliptiku i vrati se u istu točku je, po definiciji, jedna godina. Kad Zemljina rotacijska os ne bi bila dosta nagnuta u odnosu na ravninu ekliptike onda se osunčanost pojedinih dijelova Zemlje kroz godinu ne bi mijenjala i ne bismo imali godišnja doba. Naime, uz mali kut nagiba Zemljine osi u odnosu na ravninu ekliptike, promjena osunčavanja površine planete bila bi zanemariva, a samim time i klimatski učinak. Zbog nagiba Zemljine osi rotacije od oko 23 stupnja u odnosu na ravninu ekliptike, jako se mijenja osunčanost pojedinih područja tijekom godine, najizrazitije na srednjim geografskim širinama. U periodu koji nazivamo zimom Sunčeve zrake na tlo padaju više koso, pod većim kutom u odnosu na okomicu, ili manjim kutom u odnosu na horizont. Sunce je zimi uvijek nisko, bliže horizontu. U dijelu godine koji nazivamo ljetom Sunčeve zrake na tlo padaju manje koso, pod manjim kutom u odnosu na okomicu, zato je Sunce ljeti visoko, bliže zenitu. Što su Sunčeve zrake okomitije na tlo to je veći intenzitet Sunčevog zračenja po jedinici ploštine, pa određeno područje dobiva više energije u jedinici vremena, zbog čega se jače zagrijava.
Nagib rotacijske osi u odnosu na ravninu ekliptike sličan Zemljinom imaju još Mars, Saturn i Neptun. Merkur pak, nema nagib – njegova rotacijska os okomita je u odnosu na ekliptiku. Uran ima nagib osi rotacije od oko 90 stupnjeva zbog čega izgleda kao da se kotrlja po svojoj stazi oko Sunca. Zanimljivo je pitanje, naravno, zašto uopće postoji taj nagib? Prema onome što znamo o stvaranju planeta, nagib je najvjerojatnije nastao u ranoj fazi nastanka Sunčevog sustava u snažnim sudarima mladih planeta s većim tijelima koje planeti tada još nisu bili "počistili" na svojim orbitama.
Zamislimo da Zemljina os rotacije, poput Merkurove, nije nagnuta u odnosu na ekliptiku. Tada bi prosječna temperatura nekog područja bila prilično stalna cijele godine, zbog čega nigdje na Zemlji ne bi bilo izmjene godišnjih doba. Preciznije rečeno, ne bismo imali godišnja doba u današnjem smislu te riječi, kao pravilne periodične izmjene toplijih i hladnijih perioda. Takvu situaciju imamo i sada na Zemlji, ali samo na onim mjestima koja su manje-više jednako osunčana cijele godine, primjerice oko ekvatora. Brazil ima prosječnu godišnju temperaturu oko 27 stupnjeva celzijusa svih dvanaest mjeseci u godini. Zagreb pak ima prosječnu temperaturu koja se kroz godinu kontinuirano mijenja od nekih 4 stupnja zimi pa do 27 stupnjeva ljeti. Da Zemlja nije nagnuta, Zagreb bi imao otprilike 15 stupnjeva celzijusa cijele godine.
Doduše, to bi dugoročno tako bilo samo u idealnom slučaju, kad ne bi postojali i drugi utjecaji na klimu. No, ti drugi utjecaji ipak postoje. Primjerice, na hipotetskoj Zemlji kojoj os rotacije nije nagnuta u odnosu na ekliptiku, može se dogoditi erupcija supervulkana ili udar ogromnog asteroida. Takav bi događaj izbacio u visoke slojeve atmosfere velike količine sitne prašine. Ta bi se prašina u atmosferi mogla zadržati mjesecima ili čak godinama što bi smanjilo osunčanost planeta i uzrokovalo globalno zahlađenje - zimu. No, to bi bio tek početak problema. Velika područja pod snijegom i ledom uzrokovala bi odbijanje Sunčeve svjetlosti jednoga dana kad bi se prašina konačno slegla. Albedo (postotak reflektiranog zračenja u odnosu na upadno zračenje) Zemlje počeo bi rasti, što je veća površina planeta pod snijegom, sa sadašnjih 30% do čak 80%. To je povratna veza zbog koje se hladni planet sve više hladi. Konačan rezultat je ledeno doba.
No, ledena doba na Zemlji nisu vječna. Zemlja je prošla kroz mnoga ledena doba u svojoj gotovo pet milijardi godina dugoj povijesti. Osim toga, tijekom ledenog doba nije bio zaleđen baš cijeli planet. Naprosto su ledene kape na polovima proširene do područja koja inače nisu pod ledom. Primjerice, prije 350.000 godina ledeni pokrov dosezao je do Dalmacije. Neki uzrok, na primjer taloženje crne vulkanske prašine može pokrenuti otapanje ledenjaka čime se u atmosferu oslobađa sve više ugljikovog dioksida. Ujedno raste i udio vodene pare u atmosferi, čime se pojačava učinak staklenika i raste prosječna temperatura pa se sve više ledenjaka otapa. Time se smanjuje albedo pa površina Zemlje dobiva sve više Sunčevog zračenja. Dakle, opet postoji neka povratna veza, ali sada ona djeluje u smjeru završetka ledenog doba.
I konačno, poanta priče: spomenuti uzroci globalne promjene klime ne moraju biti samo katastrofalni događaji poput erupcija supervulkana ili udara velikih asteroida. Uzroci mogu biti skriveni i u dodatnim gibanjima planeta. Osim rotacije oko vlastite osi i rotacije oko matične zvijezde postoje još neka gibanja planeta kao što su: precesija planetarne osi rotacije, promjena izduženosti orbite (ekscentričnosti) zbog utjecaja ostalih planeta, promjena nagiba osi rotacije i tako dalje. Sva ta gibanja kod Zemlje imaju periode reda veličine par desetaka tisuća godina pa nisu opazivi na malim skalama. No, ona utječu na promjenu osunčanosti pojedinih područja na Zemlji i mogu dovesti do globalne promjene klime. Tu ideju prvi je istraživao Milutin Milanković pa promjene klime na velikoj vremenskoj skali nazivamo Milankovićevim ciklusima. Teorija Milankovićevih ciklusa ima nekih potvrda, ali i mnoštvo neriješenih problema. Zasad njome ne možemo precizno predvidjeti dolazak novog ledenog doba, jer o svim njegovim uzrocima još uvijek premalo znamo.
Vratimo se zamišljenom svijetu iz "Igre prijestolja". Kad bi taj svijet bio smješten na neki planet koji nema nagiba rotacijske osi u odnosu na ekliptiku tada ne bi bilo periodičnih godišnjih doba – izmjena ljeta i zima na godišnjoj bazi. Tada bi dolazak zima regulirali Milankovićevi ciklusi. Samo bi planetarni parametri trebali biti takvi da Milankovićevi ciklusi nisu reda veličine desetak tisuća godina, kao na Zemlji, nego reda veličine sto godina. Ne znam postoji li među milijardama ekstrasolarnih planeta baš takav svijet kakav je zamislio George R. R. Martin, ali to nije ni važno. U ovoj priči važno je da bi načelno takav svijet mogao postojati, i da postoje fizički mehanizmi koji bi njime mogli upravljati.
Autor zahvaljuje prof. dr. sc. Tihomiru Marjancu na korisnim savjetima.