如果地球像天王星一样倾斜，会出现什么样的气候带?

Question

地球上的三个主要气候带是热带、温带和极地。由于地轴倾斜，这三个地区经历不同的季节模式:

• 热带地区经历2或4个湿/干季节取决于如何热带雨带越过它。
• 温带地区体验四季。
• 极地地区经历了没有阳光的冬天和无尽的夏日，但由于角度的原因，阳光很少，全年都很冷。

当然，它可以变得更复杂，但这些是地球上常见的气候类型。

假设地球像天王星一样是倾斜的——它的轴与轨道平行。赤道会在正常的白天/夜晚和无尽的黄昏之间交替;极地将在无尽的黄昏、无尽的正午、无尽的黄昏和无尽的午夜之间交替。

同样，从广义上讲，这会导致什么样的气候，它们会是什么样的?

Answer 1

刚刚出现了一篇关于这个话题的论文:可居住系外行星的多种气候状态:倾角和辐照度的作用．

当倾角为90°时，夏天和冬天分别与白天和黑夜同时出现。这意味着，在夏天，一个半球完全面向太阳，一天24小时日照，造成极端炎热的夏天。冬天的温度在很大程度上取决于半球。在南半球，与大陆相比，海洋占主导地位，反照率很低，可以在夏季储存热量。因此，南半球的冬天仍然温暖。相反，由于海洋中热量储存较少，北半球在冬季变得相当寒冷。

赤道地区是地球上最冷的地区，因为该地区的入射太阳辐射最低(图1a,b)。这可能会导致赤道地区海冰的形成，并为“雪球地球”(威廉姆斯,2008):埃迪卡拉纪前冰川的高倾角、低纬度冰、强季节性假说(HOLIST)。

温暖的两极和寒冷的赤道显著地改变了主导气流。该机理可以用热风方程来解释:$$ p \dfrac{\偏u_g}{\偏p} = \dfrac{R}{f} \dfrac{\偏T}{\偏y} ~~，其中$p$为压力，$u_g$为地转纬向风，$R$为空气的比气体常数，$f$为科里奥利参数，$T$为温度，$y$为经向距离，单位为米。热风方程表明，纬向风的垂直变化与经向温度梯度成正比。因此，经向温度梯度的符号变化引起纬向风的符号变化。这意味着由于反向经向温度梯度(图1c,d)，占主导地位的急流变成了东风。

然而，气候也取决于行星的初始条件，即对于相同的参数，可能存在多种气候状态。在90°倾角的情况下，存在所谓的“无封顶低温行星”或“水行星”状态(详细信息请参见)Kilic et al.， 2017）.一个未封顶的低温行星在赤道周围有大片的海冰，在高纬度地区有永久的开放海洋。这种气候类型具有一种以前未知的经向大气环流，它既不是热直接环流，也不是间接环流，而是两种环流类型的叠加(图1e)。

图1:南半球夏季一颗倾角为90°的行星的无顶低温行星(左栏)和水行星(右栏):(a)、(b)纬向平均气温，(c)、(d)质量流函数(颜色，顺时针翻转为正)和纬向平均风(等高线，西风带为正)，(e)、(f)涡旋和平均贡献、总能量通量以及海洋的经向热通量的极地能量通量。注:图中显示的是水行星结构，即大陆被忽略。

Answer 2

过多的倾斜会导致极端的季节，从而导致极端的气候。对于一个倾角为90度的行星，也就是侧卧的行星，南极圈和北极圈与赤道重合，既没有热带也没有温带。季节的确是极端的;地球上近一半的地方，太阳在夏天不会落下，在冬天也不会升起。只有在春天和秋天，当它从侧面照耀时，太阳才会像我们习惯的那样升起和落下。(作者:斯蒂芬·吉列特)

从本质上讲，天气模式会随着季节的变化而变化，从相对正常的，因为地球的所有方面都得到同样的光线，到极端激烈的(与太阳的亮度相当)潮汐锁定行星);然而，由于地球的自转科里奥利效应仍然会存在。

潮汐锁定行星的天气模式
-在…《暮光之城》的区当较重的冷空气从暗面冲过来取代被太阳加热的较轻的空气时，就会有非常猛烈和持续不断的风暴。
-此外，风的模式通常会使自己朝向或远离黄昏地带。

为了讨论方便，我们假设“冬天”是指南极面向太阳的时候。在冬天，南极会完全融化，北极会完全冻结。在春天，两极将处于阴阳交替地带，一极开始变冷，另一极开始解冻。在夏天，情况正好相反。北极会融化，南极会结冰，以此类推。

海洋的反复冻结和解冻肯定会对气候产生深远的影响，可能会永久地使地球变冷反照率冰的反射系数比水大得多。至少，它会严重影响在天气模式中起主要作用的海洋和气流。