A földárnyék-növekedés

A klazomenéi Anaxagorász már több, mint kétezer évvel ezelőtt felismerte, hogy a holdfogyatkozásokat a Föld árnyéka okozza. A jelenséghez azonban még manapság is rejtélyek kapcsolódnak. Az egyik legfurcsább titok a Föld árnyékának növekedése, amit először Philippe de La Hire vett észre 1702-ben. Az azóta eltelt három évszázad során számos megfigyelés bizonyította, hogy az árnyék kb. 2 %-kal nagyobb, mint amekkora méret a geometriai számításokból adódna. A legtöbb csillagász szerint az árnyék növekedését a Föld légköre okozza. De pontosan hogyan jön létre ez a jelenség?

Egyes vélemények szerint a növekedést a Föld légkörében 120-150 km magasan lebegő meteoritikus porszemcsék hozzák létre. Az árnyék mérete azonban fogyatkozásról-fogyatkozásra változik, ami sokkal összetettebb mechanizmusra utal.


A fogyatkozó Hold

Egy holdfogyatkozás során a sztratoszférában lévő ózon a vörös fényt nyeli el, így az umbra külső peremekékes lesz. A troposzféra viszont a kék fényt szórja szét, emiatt az umbra legna- gyobb része vörösnek látszik.

A jelenség dinamikájának vizsgálatához összeállítottam egy számítógépes modellt, ami figyelembe veszi a fény terjedését a különböző légköri gázokon keresztül, a felhők hatását, és még a Nap korongjának peremsötétedését is. A légkör modellje az US Standard Atmosphere 1976-on alapul. A program segítségével végigkövettem a légkör különböző rétegein áthaladó fénysugarak útját és a Föld árnyékának a kialakulását.

Az eredményeket az 1. grafikon mutatja. A Hold felszínénekfényessége az umbra szélétől mért távolságtól függ. Figyeljük meg, hogy a penumbra fényelnyelése nem függ a hullámhossztól (a színtől), a vörös (600 nm) és kék (450 nm) fénynek megfelelő görbék majdnem pontosan fedik egymást. Az umbrában azonban a kék fény elnyelése sokkal meredekebben nő. Ez megfelel annak a jól ismert jelenségnek, hogy a Hold az umbra belsejében vörösesnek látszik.

A görbék megerősítenek egy másik ismert effektust is: a penumbra külső része nem észrevehetően sötétebb, mint a telehold. A penumbra központi részén (kb. 1800 km-re az umbrától) a fényességcsökkenés csak 0,7 mg - ezt már egy gyakorlott észlelő éppen észreveheti. A fényesség aztán erőteljesen csökken, majd az umbrán belül ellaposodnak a görbék.

A grafikon felső négy görbéje a vörös színű fény elnyelését mutatja a légkör állapotának megfelelően. A szaggatott vonal nem veszi figyelembe az ózon fényelnyelését. Az alatta lévő már számol az ózonnal, de felhőtlen égen. A harmadik görbe mutatja a magaslégköri cirrusok hatását, amelyek a felszín feletti 10 km-es magasságig terjedő rétegen áthaladó fénysugarak háromnegyedét elnyelik. A vörös fény legalsó, vastag görbéje mutatja a cirrusok és a stratus-felhők hatását. Ezek elnyelik a légkör alsó 5 km-es rétegén áthaladó összes fénysugarat.

A legfelső görbe az ózon abszorpciójának fontosságát jelzi. Elméletileg az ózon elsötétíti az egész umbrát, csakúgy, mint a vulkánkitörések által az alsó sztratoszférába (10-30 km magasra) felpumpált aeroszolok. A magasan lévő troposzférikus felhők vagy cirrusok a peremét kivéve szintén elsötétítik az umbrát, amint a megfelelő görbék összehasonlításából láthatjuk. Az alacsonyan lévő felhők csak az umbra centrális vidékén növelik a fényelnyelést. A stratus-cirrus felhők együttes hatását mutató görbe felelhet meg leginkább a reális helyzetnek. A felhők növelik a kék fény elnyelését is.

Mivel az időjárás az árnyékot létrehozó területek felett eltérő lehet, az umbra sötétebb és világosabb részekből állhat. Az umbra minden egyes tartományát a Föld terminátorának több, mint 40° hosszúságú és néhány fok szélességű része mentén uralkodó átlagos időjárási viszonyok határozzák meg. Az ózon hiányának erőteljes lokális változásai, a sztratoszférikus aeroszolok vagy az éjszakai világító felhők jelentős mértékben megváltoztathatják az umbra külső tartományainak fényelnyelését.

Mindezek után az umbra peremének azt a tartományt tekinthetjük, ahol a legmeredekebben nő a fényelnyelés mértéke. Az 1. grafikon alapján nehéz megbecsülni ezt a helyet. Ezért a 2. grafikon kinagyítva mutatja a fényességváltozás gyorsaságát (gradiensét) az umbra peremének környékén. A fényesség az umbra geometriai peremétől kb. 90 km-rel kijjebb változik a leggyorsabban (itt a legnagyobb a fényesség-gradiens). Ez az eltolódás okozza az árnyék sugarának növekedését. Vegyük észre, hogy a növekedést nem az atmoszféra valamilyen fényelnyelő rétege hozza létre, mint azt gyakran hiszik. Valójában azért jön létre, mert a fény - amely egyébként csak a penumbrába juthatna be - a légköri refrakció következtében bejut az umbrába is.

A kék fény esetén a gradiens a geometriai peremtől 98 km-re a legmeredekebb. Vörös fényre ez az érték felhőkkel és felhők nélkül is 81 km. Ha az ózon abszorpciójától eltekintenénk, akkor a legnagyobb gradiens 108 km-re lenne az umbrán kívül. Így az atmoszférikus ózon jelentős mértékben csökkenti az umbra megfigyelt méretét. Ez látszólag ellentmond a várakozásunknak, de azt kell figyelemmel kísérni, hogyan változik az umbra határának fényelnyelése, ha kívülről közeledünk feléje. Ha nem lenne ózon, az umbra külső tartománya fényesebbnek mutatkozna, folyamatosabb átmenettel a penumbrából az umbrába. Így a fényesség-gradiens maximuma kifelé tolódna el. Az ózon azonban elnyeli annak a fénymennyiségnek egy részét, amely egyébként bejutna az umbrába, ezért a fényességgörbe meredekebb része beljebb kerül (a grafikonon balra).

Összegezve az eredményeket, a modell szerint az atmoszféra kb. 90 km-rel növeli meg az umbrát, a pontos érték függ az ózon hiányától. A sztratoszféra anyagának abszorpciója tovább sötétíti a földárnyékot, így csökkenti a méretét. Ha például a vulkánkitörésekből származó aeroszolok 1 mg-vel elsötétítik a külső umbrát, akkor az árnyék átmérője 15 km-rel csökken.

Van-e más jelentős tényező, amely befolyásolhatja az umbra méretét? A Nap-Föld távolság változásának nincs mérhető hatása. A trópusok fölött a felsőlégkör kb. 1 km-rel magasabban ér el egy meghatározott sűrűséget, mint a pólusok fölött. Az atmoszféra magasságának napi és évszakos változásai az umbra méretét kb. 1 km-rel növelhetik vagy csökkenthetik, ez megint jelentéktelen érték. Hasonló módon, bár az umbra geometriai mérete 6 %-kal nagyobb amikor a Hold perigeumban van, mint amikor apogeumban tartózkodik, az árnyéknövekedés mégis 2 km-rel kisebb. Így helytelen az az elterjedt nézet, hogy az árnyéknövekedés arányos az umbra méretével.

Az atmoszférikus refrakció növeli a penumbra méretét is, bár a hatás gyengébb, mint az umbránál. A számítógépes modellezés eredményét a 3. grafikon mutatja. A fényesség és a fényesség-gradiens alapján a penumbra 60-70 km-rel nagyobb lehet, mint egy légkör nélküli Föld esetén. A penumbra peremének meghatározása ma már nem csak elméleti lehetőség. Bár a Hold felszínének nagy albedo-változásai elfedik a vizuális észlelések elől, a modern fotometriai detektorok képesek a kimérésére.

A 70-es évek óta folyó megfigyelések eredményeit a mellékelt táblázatban foglaltuk össze. (A táblázatot kiegészítettük más mérésekkel is. A cikk további adatai csak az eredeti táblázatra vonatkoznak.) Az árnyéknövekedések megfigyelt átlaga 91 km, a szórás 9 km. Ez igen jól egyezik a számítógépes modell 90 km-es értékével.

Az 1982. decemberi fogyatkozás az 1992-es és 1993-as jelenséggel együtt kb. 10 km-rel kisebb árnyéknövekedést mutatott. Ezek a fogyatkozások a legsötétebbek közé tartoztak, és nagy vulkánkitörések után következtek be (1982: El Chichon, 1991: Pinatubo). Mindkét kitörés kénes aeroszolokkal telítette a sztratoszférát, ami a számítógépes modell szerint is elsötétíti az umbrát és csökkenti a méretét.

A táblázatból látható, hogy az 1985-ös fogyatkozás ellentétben áll a többi eredménnyel. Ez mutatja a legnagyobb eltérést a belépés és a kilépés között (25 km). Az árnyéknövekedés maximális mértékű az adatok sorában (111 km), 20 km-rel nagyobb, mint az átlag. A belépés az Antarktisz fölötti légrétegek árnyékában történt, míg a kilépés a közepes déli szélességeknél. A déli féltekén a tavasz során az ózon mennyisége októberben válik a legkisebbé (ózonlyuk). A modellem az ózon mennyiségének a csökkenéséből éppen az árnyék méretének növekedését jósolja! Az antarktiszi ózonlyukhoz kapcsolódó következő holdfogyatkozást 2003. november 9-én figyelhetjük meg. (Magyarországról jól fog látszani.)

Az űrszondák mérései azt mutatják, hogy az ózonhiány lassan a közepes szélességek felé tolódik el. Így talán nem is kell várnunk még 7 évig, hogy megfigyelhessük ennek az életmentő rétegnek a holdfogyatkozásokra gyakorolt hatását. 1997. március 24-én, a következő holdfogyatkozás közepén az arktikus szélességek lesznek hatással a földárnyékra. Ha erős lesz az ózonhiány, akkor az umbra külső pereme eléggé kékesnek fog látszani.

A cikk szerzője az Arizona Egyetem Hold- és Bolygókutató Laboratóriumának munkatársa. A külső bolygók légkörének modellezésével foglalkozik, de gyakorlott észlelője a holdfogyatkozásoknak. Szükségesnek tartjuk még egyszer összefoglalni állításainak lényegét:

Ezek a felvetések még inkább megerősítik a holdfogyatkozás megfigyelések, a kráterfedés mérések (!) fontosságát. Az Albireóban az időpontok előrejelzésénél a nemzetközi gyakorlatnak megfelelően 2 %-os árnyéknövekedéssel számolunk.

Erich Karkoschka:

A földárnyék-növekedés