A Föld mozog

Eppur si muove, ahogy Galilei mondta négyszáz évvel ezelőtt. Forog a tengelye körül és kering a Nap körül. Ebből pedig rengeteg dolog származik, amiket érdemes alaposan szemügyre venni.

A Föld nem bocsát ki fényt, megvilágítását kizárólag a Naptól kapja (a csillagok fénye és a Holdról meg a bolygókról visszaverődő fény elhanyagolható). Ebből a tényből, valamint abból, hogy a Föld gömbölyű és a Napból csak egy van, az következik, hogy a Földnek mindig csak a fele van megvilágítva: az a fele, amelyik éppen a Nap felé néz.

  (Ez persze erősen torzított kép. Ha méretarányos képet akarnánk csinálni, amin a Nap és a Föld együtt látszik, akkor a Föld csak egy alig látható, parányi morzsa lenne, és a képernyő 99%-át a két égitest közötti irdatlan távolság tenné ki.)
  
  Kérdés persze, hogy mikor melyik fele néz a Nap felé. Mi emberek kétféleképpen osztjuk ketté a Földet: egy „vízszintes” vonallal északi és déli félgömbre vagy egy „függőlegessel” keletire és nyugatira. A Nap fénye sokféle szögben eshet a Földre, és ettől függően más-más irányokban húzódhat a világosságot a sötétségtől elválasztó terminátorvonal.
  Ezen a képen például a terminátorvonal függőlegesen vágja ketté Afrikát, nagyjából az angolai partoknál. Mit állapíthat meg a szakértő szem, ha egy ilyen képet mutatnak neki?
  1. Angolában most kel föl a nap. Honnan tudhatjuk, hogy nem most megy le? A Föld forgási irányából. A Föld úgy forog, hogy ha a kép tetején az Északi-sark van, akkor minden pontja jobbra halad. Ha elképzeljük, hogy a Föld elfordul jobbra, akkor a most homályba burkolózó angolai tengerpart rövidesen kiér a fénybe, vagyis a sötét helyett világos lesz. Tehát napkelte van.
  2. Március 21-e vagy szeptember 23-a van, legalábbis megközelítőleg. Az évnek ezen a két napján fordul csak elő, hogy a terminátorvonal ilyen pontosan északról délre halad. Mivel pedig az évnek ezen a két napján a nap reggel hatkor kel, közép-európai idő szerint körülbelül ennyi az idő.
  Azért mondom mindig, hogy körülbelül, mert a terminátorvonal túlságosan elmosódott ahhoz, hogy akár a helyét, akár az irányát pontosan meg lehetne állapítani. Az igazi Földön még ennél is elmosódottabb, mert a Föld vastag légköre nagyon szórja a fényt. Képünkön India és Szomália nagyjából ugyanannyi megvilágítást kap. Az igazi Földön ez soha nem fordul elő.
  Ezen a képen az Északi-sark felől látjuk a Földet akkor, amikor Indiában dél van. A nagy kék korong a légkört jelképezi. (Vagy mondjuk a légkör legalsó rétegét. Ha az egész légkört ábrázolni akarnám úgy, hogy kiférjen a képernyőre, a Föld csak egy pont lenne a közepén.) Két napsugárnyalábot bejelöltem sárga vonallal: az egyik Indiát, a másik Afrikát jelképezi. Jól látszik a különbség: az Afrikát elérő sugaraknak jóval hosszabb utat kell megtenniük a Föld légkörében, mint az Indiában becsapódóknak. Ezért ezek a sugarak jobban szétszóródnak, így kevesebb fényt és meleget adnak. Ez okozza, hogy délben melegebb van és több a világosság, mint hajnalban, holott a Nap mindkét esetben az égen van – erre mondjuk, hogy alacsonyan áll a Nap (hajnalban) vagy magasan (délben).

A ferdén megvilágított gömb

Azt mondtam, hogy a terminátorvonal csak az év két napján függőleges. Nézzük, milyen máskor.

  Ilyesféle. De erről már nem lehet egykönnyen megmondani, hogy az év melyik szakát ábrázolja. Szögmérővel meg kellene mérni a terminátorvonal dőlésszögét, aztán csillagászati számításokkal meghatározni, hogy mikor áll ebben a szögben. Annyit tudhatunk, hogy az északi félgömbön nyár van.
  Ennek az az oka, hogy a Föld „megbillenve” áll a tengelyén. Az asztali földgömbök is így ábrázolják, megdőlve. A dőlésszöge 23 és fél fok: ekkora szöget zár be a Föld forgástengelye (az Északi- és a Déli-sarkot összekötő vonal) a függőlegessel.
  No de hol van a világűrben függőleges? Mihez képest áll a Föld megbillenve?
  A válaszhoz érdemes megnézni a Naprendszer történetét.

Körülbelül ötmilliárd évvel ezelőtt a Naprendszer ilyesformán nézett ki:

  Egy óriási, forgó, örvénylő anyaghalmaz, ami egy ellipszoidot (egy irányból belapított gömböt) tölt ki. Az anyag a halmaz közepén összesűrűsödik, a széleken viszont kevés van belőle; a kettő között az örvénylés spirális nyúlványokat alakít ki. Legalábbis nagyon valószínű, hogy így történt, mert ugyanazok a fizikai törvények alakították a Naprendszert is, mint a galaxisokat; a képen ugyanis valójában egy távoli galaxis látható.
  Az örvénylés hatására az anyag lassan összegyűlt középen, és kialakult belőle a Nap. A maradékból álltak össze a bolygók, megtartva eredeti pályájukat. Vagyis minden bolygó egy-egy sík mentén kering a Nap körül, amiről soha nem lép ki. Azt a síkot, amin a Föld kering, ekliptikának hívjuk.
  Ha a Föld és a Nap között kifeszítenénk egy zsinórt, ami nyomot hagy a világűrön, akkor a Föld egy év alatt egy ilyen körlapot rajzolna a világűrbe. (Az árnyékok csak a térhatás kedvéért kellenek. A valóságban a Napnak nincs árnyéka, hiszen ő maga a fényforrás!) Ez a lila korong az ekliptika.
  A Föld tengelye az ekliptikához képest áll ferdén. Az asztali földgömb úgy ábrázolja a Földet, hogy az asztal lapja lehet a képzeletbeli ekliptika.
  Az előző kép egyszerű műanyag modelljébe valódi fényforrást helyezve reálisabb képet kaphatunk a Földről és az ekliptikáról. Rögtön négy különböző állásban is elhelyeztem rajta.
  Mind a négy Föld hátrafelé dől, vagyis az Északi-sark az olvasó monitorjának hátulja felé mutat. (Az alsót egy kicsit megvilágítottam egy pótlámpával, különben a felénk néző oldala teljesen sötét maradt volna.) Nézzük meg, mit lehet látni rajtuk.
  Az alsó Földön Afrika déli része felénk fordul, vagyis a Nap éppen az északi félgömböt (konkrétan Szibériát) világítja meg. Az északi félgömb tehát több fényt kap, mint a déli. Tehát Szibériában nyár van és nappal, Ausztráliában tél és szintén nappal. Európában nyári éjszaka, Dél-Afrikában téli éjszaka. Méghozzá június 22-e, a nyári napforduló.
  A felső Földön Dél-Amerika fordul a Nap felé, itt tehát nyári nappal van. Észak-Amerikában téli nappal. Ázsiában téli éjszaka, Ausztráliában nyári éjszaka. Ez december 22-e, a téli napforduló.
  A kétoldalt látható Földek forgástengelyének egyik vége se mutat a Nap felé. Így a két félgömb egyenlő mértékben kap fényt: ez az az állapot, amikor a terminátorvonal függőlegesen halad. A bal oldali kép március 21-ét, a tavaszi, a jobb oldali pedig szeptember 23-át, az őszi napéjegyenlőséget ábrázolja. A Föld ugyanis az óramutató járásával ellenkező irányban kering a Nap körül (ha az Északi-sark felől nézzük).

Persze nem a Nap az, ami jár, hanem a Föld, de ma is egyszerűbb azt mondani, hogy alacsonyan áll a Nap, mint azt, hogy „a megfigyelőponttól a Napig húzott vonal közel kilencven fokos szöget zár be a függőlegessel”. A Nap tehát „jár”, mégpedig egyszerre kétféle mozgást végez. Napkelte és napnyugta között végighalad az égbolton egy íves vonal mentén (ami éjszaka „a föld alatt” körré egészül ki), ez az íves vonal pedig napról napra billen egy kicsit, legmagasabb pontja fél évig észak, fél évig dél felé halad. A nap folyamán végzett mozgás a Föld forgásából, az íves vonal billegése pedig keringéséből ered. A jelenséget már kisgyerekként megismerjük; most nézzük meg más irányból is.
  A most következő képek a Fourmilab Föld-néző oldaláról vannak, amivel nagyon jókat lehet játszani. A legkülönbözőbb nézetekből képes megmutatni a Földet (sőt a Holdat is), bármilyen időpontban.
  Íme egy sorozatfelvétel a Földről, ahogyan a Nap látja, a tavaszi napéjegyenlőség napjának 24 órája alatt, kétórás lépésekben.
  
  Nézzünk egy hasonló sorozatot a téli napforduló napjáról.
  
  Mindkettő forgó Földet ábrázol, semmi kétség; de óriási különbséggel. Az első sorozatban az Egyenlítő volt a kép közepén, és mindkét sarkvidékből láttunk egy kicsit – a másodikon az Egyenlítő jócskán a kép aljára csúszott, és az Északi-sarkot jól megfigyelhetjük, a délit viszont egyáltalán nem látjuk. Mint mondtam, a képsorozatok a Napról nézve készültek, vagyis a Föld megvilágított felét mutatják. A megvilágított félgömb közepén levő pontban látjuk a Napot a legmagasabban az égen: éppen a fejünk fölött – a megvilágított félgömb szélein viszont épp csak a látóhatáron látjuk a Napot.
  Most csináljunk másféle képsorozatot. Minden napról csak egy kép készüljön, greenwichi idő szerint déli tizenkettőkor, de egy egész éven át – mondjuk tíznaponként.

  Így billeg a Föld egy év alatt ide-oda. Az első kép január 1-jén készült, az utolsó december 27-én. Ez a billegés a pörgettyűelv következménye: a pörgettyű tengelyét szinte lehetetlen kitéríteni állásából. A Föld is egy roppant pörgettyű, hiszen forog, tehát a tengelye mindig ugyanabba az irányba mutat. Mármint a világegyetemhez képest, de nem a Naphoz képest.

  A Föld forgástengelye, amit a fenti két képen láthatunk, északi végével majdnem pontosan a Sarkcsillag felé mutat.
  Ezt a képet látjuk, ha az Északi-sarkon felnézünk az égre. A kép közepén van a Sarkcsillag, más néven a Kis Medve alfája. Ha az Északi-sarkon állva fölnyújtunk egy rudat, amivel pont megbökjük a Sarkcsillagot, azt fogjuk tapasztalni, hogy kevesebb mint fél fokot zár be a piros rúddal, amin a Föld forog. (A gyakorlatban a kísérletet nehéz elvégezni, mert 400-460 fényév hosszúságú rudat kellene egyenesen megtartanunk.)
  Azt nem tudom megmondani, hogy a képen merre van észak és a többi égtáj, mert a Föld ugye forog. A teljes csillagtérkép minden huszonnégy órában körbefordul, mint egy olyan óra, aminek nincs mutatója, hanem a számlapja forog. Tényleg használható óraként is: aki jól ismeri a csillagképeket, tudja, hogy az éjszaka melyik részében hol szoktak járni.

A Föld forgása és az ekliptikához való hajlásszöge okozza az évszakokat. Az évszak tulajdonképpen nem más, mint a nappal vagy az éjszaka fölnagyítva. Nappal azért van melegebb, mint éjjel, mert a Nap fölmelegíti a légkört és a földfelszínt. Este pedig azért van melegebb, mint hajnalban, mert az estét megelőző fél napban meleg volt, és ennek a hatása még nem múlt el, a hajnalt megelőző fél napban viszont hideg volt.
  Ugyanígy van az évszakokkal. Ahogy jön a nyár mondjuk az északi félgömbön, a nappalok egyre hosszabbak, mert az északi félgömb egyre inkább a Nap felé fordul, vagyis az a hely, ahol élünk, egyre közelebb kerül a megvilágított félgömb közepéhez – így egyre tovább kap fényt. Mivel egyre hosszabbak a nappalok, egyre hosszabb ideig kapunk meleget is a Naptól, és egyre kevesebb meleget tudunk veszíteni az éjszakák folyamán, amik logikusan egyre rövidebbek. Ráadásul annak, hogy közel vagyunk a megvilágított félgömb közepéhez, az is a következménye, hogy a sugarak meredek szögben érkeznek hozzánk, tehát egyre rövidebb utat kell megtenniük a légkörben. (Érdemes itt visszalapozni ahhoz a képhez, amin berajzoltam a légkört és sárga vonallal két napsugár útját.)
  Az évszakok tehát abból keletkeznek, hogy a Föld forgástengelye ferdeszöget zár be az ekliptikával, így a megvilágított félgömb ide-oda vándorol észak és dél között. Ebből következik az is, hogy egyszerre csak az egyik féltekén lehet nyár, a másikon ugyanakkor szükségképpen télnek kell lennie.
  Ha a Föld forgástengelye függőlegesen állna az ekliptikán, nem lennének évszakok. A Merkuron éppen ez a helyzet. A megvilágított félgömb közepe mindig az Egyenlítőn lenne, és a két sarkponton mindig a horizonton állna a Nap. Az Egyenlítőn lenne a legmelegebb, mert ott érik a sugarak a legmeredekebb szögben a felszínt, onnan távolodva pedig egyenletesen csökkenne a hőmérséklet, az év minden szakában ugyanúgy.

Érdekes dolgok származnak abból is, hogy pontosan mekkora az a kilengés, amit a megvilágított folt végez a Föld felszínén. Ezt könnyen kiszámolhatjuk abból, hogy a forgástengely 23,5 fokot zár be az ekliptikával. Amikor a tengely északi vége a nap felé fordul, akkor a folt 23,5 foknyira tolódik észak felé – amikor a déli vég fordul a nap felé, akkor dél felé tolódik a folt ugyanennyit. Mármint a folt közepe, természetesen, éspedig az Egyenlítőhöz képest.
  Ez azt jelenti, hogy az Egyenlítőtől északra és délre elterülő 23,5 foknyi sáv az év minden napján kapja a fényt, méghozzá elég sokáig és elég meredek szögben. Ezért itt meleg van: ez a trópusi övezet.
  Június 22-én, amikor a forgástengely északi vége egészen a Nap felé dől, a világos fényfolt közepe az északi szélesség 23 és feledik fokán halad, ami Tajvan szigetét, a Gangesz és az Indus torkolatát, a Nasszer-tavat, az Ahaggart, a Bahama-szigeteket és a Kaliforniai-félsziget déli csúcsát érinti. Ezt a szélességi kört Ráktérítőnek hívják, mert az észak felé haladó nap erre a körre érve térül vissza dél felé, éspedig a Rák jegyében – mármint kétezer évvel ezelőtt, amikor ezt a nevet adták a térítőnek. Azóta a csillagképek eltolódtak, ma a Nap az Ikrek csillagképben van a nyári napforduló idején.
  December 22-én, a téli napfordulón a megvilágított félgömb középpontja abbahagyja a dél felé haladást és visszafordul északra. Útjának legdélebbi pontja természetesen 23 és fél foknyira délre van az Egyenlítőtől, ez a Baktérítő, amely Ausztrália közepén, Madagaszkár déli végén, a Kalahárin, São Paulo városán és Paraguay közepén halad át. Nevét ugyanúgy kapta, mint a Ráktérítő; azóta a téli napforduló áttolódott a Nyilasba.
  Van még két kör az Egyenlítővel párhuzamosan, amik a sarki övezetet választják el a mérsékelttől éppúgy, mint a tropikus övezetet a két térítő. Ezek a sarkkörök. Körülbelül a 66 és feledik szélességi fokon helyezkednek el, vagyis 23 és fél foknyira a sarkpontoktól.
  A sarkkörök azok a vonalak, ahol a sarki nappal a sarkponttól legtávolabb előfordul. A sarki nappal pedig az a jelenség, amikor a Nap huszonnégy óra hosszat a látóhatár fölött marad, azaz nem nyugszik le: az éjféli nap. Minél közelebb megyünk a sarkponthoz, annál hosszabb ideig tartó nappalokat és éjszakákat láthatunk. Nézzünk meg egy képsorozatot egy ilyen éjféli napról.

  A képek az Északi-sarkvidéket ábrázolják július elsején, nulla, hat, tizenkét és tizennyolc órakor (greenwichi idő szerint). Jól látszik, hogy a sarki tájak végig fényben maradnak.
  Persze csak nyáron. Télen ugyanezek a tájak végig sötétben maradnak: olyankor a Déli-sarkvidéknek jut az éjféli nap. Az időtartam, ameddig nem nyugszik le a nap, a sarkpont felé haladva egyre hosszabb. Európa legészakibb pontján, a norvégiai Knivskjelloddenben május 14-étől július 30-áig, azaz hetvenhat napon át nem nyugszik le a Nap. Ez az északi szélesség 71. foka, vagyis öt fok a sarkkör fölött és tizenkilenc fok a sarkponttól.
  Magán az Északi-sarkon a tavaszi napéjegyenlőség idején felkel a Nap, az őszi napéjegyenlőség idején pedig lenyugszik. A kettő között a Nap nem kel föl és nem nyugszik le, a nyár hat hónapig tartó nappalt jelent, a tél hathónapos éjszakát. Nyáron a Nap alig emelkedik a látóhatár fölé, de látszik és világít (ha a felhők nem takarják). Persze ilyen lapos szögből nem sok meleget ad.
  
  Íme az Északi-sark március 22-én éjfélkor és déli tizenkettőkor (greenwichi idő szerint). A sarkpont és környéke mindkétszer a megvilágított területen van, ámbár egészen a szélén (tehát alacsonyan látja a Napot).

Következzen egypár szám a fentiekkel kapcsolatban.

A Föld egyenlítői sugarának hossza 6378 km, átmérője tehát 12 756 km. A Föld kicsit belapult a sarkokon, ott a sugara csak 6356 km. A Nap átmérője 1 392 000 km. A két égitest távolsága 150 millió km, ezt nevezik csillagászati egységnek (CsE). A pontos távolság 147,1 és 152,1 millió km között változik. A Föld január 3-án van napközelben (perihéliumban) és július 4-én naptávolban (aféliumban).
  A Föld 365 nap, 5 óra, 48 perc és 46 másodperc alatt kerüli meg a Napot, éves útjának hossza 939,12 millió km. A nyári félév hossza 186 nap és 11 óra, a téli félévé 178 nap és 19 óra.
  A nappal hossza a nyári napfordulón 16 óra, a téli napfordulón 8 óra, a két napéjegyenlőségi napon 12 óra.

»»»»»»