HARMADIK RÉSZ.
A LÉGKÖR FIZIKÁJA. – METEOROLÓGIA.
XV.
Csillagászati tünemények.
155. A sugarak ferdeségének törvénye. – A Nap magasságának szerepe. A Nap az alapoka mindazoknak a mozgásoknak, a melyeket a légkörben észlelünk, valamint oka a vizek körzésének is a szárazföldek és tengerek között. Melegségének különböző eloszlása szüli az éghajlatok különbözőségét. Sugarai, a mint többé vagy kevésbé ferdén érik a földet, kisebb vagy nagyobb felmelegedést okoznak.
Alapvető törvény, a melyet LAMBERT természettudós állított föl, állapitja meg a viszonyt a napsugarak ferdesége és a besugárzott felszín fölmelegedése között. Ez a törvény így hangzik:
A területegységre eső hőmennyiség arányosan nő a Nap magasságának szinuszával.*)
*) Legyen S (l. a 67. rajzot) az AB fölszín területe, melyet F napsugárnyaláb ferdén talál és jelentse α szög e sugarak közös hajlását a fölszínhez. Jelöljük J-vel e sugárnyaláb erősségét, vagyis azt a hőmennyiséget, melyet az irányára merőleges BC = Σ metszettel fölszínegységenkint közöl; nevezzük J'-gyel az erősséget az S fölszinen, vagyis azt a hőmennyiséget, a melyet ez a terület fölszínegységenkint kap. Fejezzük ki, hogy a sugárnyaláb hozta hőmennyiség mindig ugyanaz, vagyis:
|
SJ' = Σ,J de Σ = sin α tehát SJ' = S·sin α · J, honnan J' = J· sin α. |
67. rajz. |
Ez LAMBERT törvényének szabatos kifejezése. Az erősség tehát legnagyobb, ha sin α = 1, vagyis midőn α = 90°; mi akkor következik be, ha a hősugarak merőlegesen esnek a fölszínre; ellenkezőleg a fölmelegedés zérus, ha sin α = 0, midőn a sugarak elsiklanak a fölszinen.
158
156. Földrajzi övek: sarki, térítői körök, egyenlítő.
LAMBERT tétele alapján, tanulmányozhatjuk a Föld és Nap viszonylagos elhelyezkedését annak a hőmennyiségnek szempontjából a melyet a Nap a Föld felé sugároz. A csillagászat megtanít reá, hogy a Föld a Nap körül KEPLER törvénye szerint csekély lapultságú ellipszispályán mozog, melynek egyik góczpontjában van a Nap. Ez a haladó mozgás; ez ellipszis síkja az ekliplika síkja. Ugyanekkor a Föld még más mozgást is végez, forgó mozgast, melyet a forgás tengelyéül szolgáló sarkok vonala körül 24 óránként tesz meg. Ez a tengely nem merőleges az ekliptika síkjára; a haladó mozgás közben azonban mindig párvonalas marad önmagával és az ekliptika síkjához állandóan 66 és 1/2 fokkal hajlik. A sarkokon átmenő PP' tengely (l. a 68. rajzot) az ekliptikára merőleges ππ1 vonallal állandó 23 és 1/2 foknyi szöget alkot, mely az előbbinek kiegészítő szöge.
68. rajz.
Ha a π és π1 pontokon át a forgás tengelyre merőleges síkokat állítunk, e síkok a földgömböt ππ', és π1π1' körökben metszik, a melyeket sarkköröknek neveznek; e sarkkörök és a sarkok között levő gömbsüveget északi és déli sarkkörnek nevezik. Végül, ha a T és T1 pontokon, a hol az ekliptika rajzunk síkjában a gömböt találja, a PP' tengelyre merőleges két síkot állítunk, akkor két párvonalas kört, TT'-et és T1T1'-et kapunk, melyeket térítőknek neveznek; az északi féltekén levő TT' térítő neve Rák-térítő; a déli féltekén levőé Bak-térítő. A két térítő közötti öv, a mely az egyenlítői is magában foglalja, a forró égöv. Északi és déli mérsékelt égövnek nevezik azokat az égöveket, a melyek mindegyik félgömbön a térítő és a szomszédos sarkkör közt vannak. A következő lapokon gyakran beszélünk az évszakokról és főként a télről és nyárról; jól megjegyzendő, hogy e szavak az északi félgömb telére és nyarára vonatkoznak. Fontos dolog e megkülönböztetés, mert mikor az északi féltekén tél van, a délin nyár uralkodik és megfordítva. Nyár és tél tehát, ha csak különös megszorítással nem élünk, mindig az északi félgömb megfelelő évszakát jelenti. Meg kell jegyeznünk, hogy a Föld öt égövének nem egyenlő a kiterjedése. Maga a forró égöv a Föld felszínének 4/10-része; a két sarki öv együttvéve csak 1/10-részt ad; a Földfelszín másik felét, 5/10-részét a két mérsékelt öv együttes területe foglalja el. 157. Az évszakok csillagászati oka. – Éjnapegyenlőségek, napfordulók. Nehéz volna mindjárt oly bonyolult feladat tárgyalásával kezdeni, mint a minő a Nap melegének eloszlása oly gömbön, mely a Földdel azonos mozgást végez és egymásután átvonul azokon a helyzeteken, a melyeket a Föld a térben elfoglal. A kérdés tárgyalásakor követjük azt a szabályt, a melyet DESCARTES a Módszerek-ről írt könyvében elfogadásra ajánl: "oszszuk a nehézséget annyi részre, hogy mindenikkel jól megküzdhessünk" és először valamely különösen egyszerű esetet vegyünk tárgyalás alá. 1. eset, a melyben a Föld tengelye merőleges az ekliptikára és pályája kör. Tegyük fel előszörre, hogy a Föld olyan gömb, a melynek felszinén nincsenek domborulatok, a melyet egyenletesen homokszerű anyag fed be és a melynek nincsen légköre; tegyük fel ezenkívül, hogy Földünk az ekliptika síkjára merőlegesen álló tengely körül forog és a Nap körül nem ellipszist, hanem kört ír le; látni fogjuk, hogy ily körülmények közt nem lennének évszakok és hogy a Föld minden pontján a nappalok és éjjelek mindig egyenlők lennének. Valóban, ha föltesszük, hogy a Föld kört ír le, melynek S középpontjában van a Nap (l. a 69. rajzot) és a PP' forgástengelye függőleges a pálya síkjára, látjuk, hogy a megvilágított és sötét oldalt elválasztó vonal mindig a sarkokon átmenő délkör. Ez a sík minden párhuzamos kört két egyenlő részre oszt; a párhuzamos körök valamely pontja egyenlő ideig van a megvilágított és a sötét oldalon. Ily körülmények közt a Föld minden pontján bolygónk bármely helyzetében a nappal és éjjel egyenlő hosszú.
69. rajz.
Továbbá nem lennének évszakok; valóban a Föld valamely pontján, bizonyos megadott szélességi fokon mindig 12 óráig nappal és 12 óráig éjjel volna; a Föld a Naptól mindig állandó távolságban lévén, a napnak ugyanabban az órájában, ugyanoly szög alatt hajló sugarakat kapna a Napból és pedig az év minden napján. Tehát a Föld valamely pontján a felmelegedés körülményei ugyanazok, bármilyen helyzete van is a bolygónak a Nap körüli pályáján. Következésképpen nem lennének évszakok; az éghajlat csakis a szélességi foktól függene; a sarkokon, a hol a sugarak mindig érintőben érkeznének, nagyon hideg lenne, míg az egyenlítőn, a hova mindig merőlegesen esnének, nagyon
meleg. 2. eset, a melyben a pálya kör és a Föld tengelye hajlik az ekliptikához képest. Ez az egyetlen, a Föld valódi állapotának megfelelő föltétel, hogy a forgástengely elhajlik az ekliptika síkjához mérten, már megmagyarázza a nappalok és éjszakák különböző tartamát és az évszakok keletkezését.
70. rajz.
Vegyük a 70. rajz síkját merőlegesnek az ekliptika síkjára. Ezt az utóbbit tehát a rajz távlatban ábrázolja és mint előbbi föltevésünkben, most is kör. Vegyük a Föld kezdő helyzetéül az (1) helyzetet; PP' tengelye ekkor a rajz síkjába esik. A 71. rajz részletesebben mutatja a módot annak felfogására, hogy mi megyen végbe ebben a helyzetben.
71. rajz.
Az a legnagyobb kör, a mely a megvilágított és sötét részeket elválasztja, az EE' egyenlítőt két egyenlő részre osztja; tehát a forgó mozgás iránya, melyet apró görbe nyilak jelölnek, adva lévén, az egyenlítő minden pontján a nappal és az ejjel egyenlő és közös tartamuk tizenkét óra. De a nappal és éjjel egyenlősége csakis az egyenlítőn van meg; a Föld más párhuzamos körén fekvő pontokon a nappal és az éjjel tartama különböző. Gondoljunk valamely pontot a Ráktérítőn. A míg a pont A-tól B-ig halad, a megvilágított oldalon marad; de látható, hogy útjának ez a része kisebb, mint az, a melyet a sötét oldalon tesz meg, míg B-ből A-ba jut, hogy a napi forgását befejezze. Mennél inkább emelkedünk a P északi sark felé, a különbség annál erősebb; a ππ' északi sarkkörön levő ponton csakis egy pillanatra látszik a Nap a látóhatáron, midőn e pont π-ben van; a forgásidő többi részén teljes sötétségben marad és a P sark-ponton éppenséggel nincs nappal, hanem állandó az éjszaka. A déli féltekén minden éppen ellenkező módon történik; a Baktérítőn a nappal hosszabb, mint az éjjel; a déli sarkkörön a Nap csak végtelen rövid pillanatig tűnik el a π1 pontban és a P' déli sarkon állandó nappal van éjszaka nélkül; természetes, hogy ez mind csak a Földnek a 70. rajzon kitüntetett (1) helyzetében van így. Eme helyzetre azt mondjuk, hogy a Föld téli napfordulóban (téli "solstitium") van. Az (1) helyzetből kiindulva a Föld, maga körül minden huszonnégy órában megfordul és a (2) helyzetbe jut, midőn a sarkok vonala párhuzamos a rajz síkjával. Ekkor a megvilágított és sötét oldalt elválasztó kör minden párhuzamos kört felében metsz át; ebben a helyzetben nemcsak az egyenlítő pontjain, de a Föld minden pontján a nappal és az éjjel egyenlő tartamú. Ekkor azt mondjuk, hogy a Föld tavaszi éjnapegyenlőségben (tavaszi "aequinoctium"-ban, aequa nox = egyenlő éj) van és ez az idő, mely alatt az (1) helyzetből a (2)-be megy, az évnek az a része, a melyet éghajlatunkban tél-nek nevezünk. Mihelyt a Föld elhagyja a (2) helyzetet, a forgástengely az északi félgömbön kikerül az árnyékból és a megvilágított részre jön és mikor a (3) helyzetbe érkezik, mely az (1) helyzettel éppen ellentétes, a jelenségek ugyanazok, de ellenkező értelműek a 71. rajzban föltüntetettekkel; az északi félteke minden pontján a nappalok hosszabbak, mint az éjjelek; az egyenlítőn mindig éjnapegyenlőség van és a déli féltekén az éjjelek tartama hosszabb. A két sark közül az északi mindig meg van világítva, a déli mindig éjszakában van; a (3) helyzetre azt mondjuk, hogy a Föld a nyári napfordulóban van és a (2) meg a (3) helyzet közötti időközt tavasznak mondjuk. A (3) helyzetből tovább mozogva, a sarkok vonala az északi földgömbön bár még mindig a megvilágított oldalon marad, közeledik az árnyékkörhöz és eléri, midőn a Föld a (4) helyzetbe jut, mely éppen ellentétes a (2) helyzettel; ekkor a Föld minden pontján a nappal egyenlő tartamú az éjjellel; ekkor van az őszi éjnapegyenlőség és a (3) és a (4) helyzet közötti időtartamot nyár-nak mondjuk. Végül a (4) helyzetből kijutva, az északi félgömbön a sark árnyékban lesz, a nappalok rövidebbek lesznek az éjszakánál, hogy aztán elérjék legkisebb tartamukat, midőn a Föld ismét a kezdeti (1) helyzetbe jut. A (4) és (1) közötti időt ősz-nek nevezik és a Föld teljes körpályájának idejét, míg az (1) helyzetből ismét az (1) helyzetbe tér, év-nek mondják. 158. Az évszakok éghajlati különbsége. Az előzőkből látható, hogy a Földnek földrajzi övekre való fölosztása mennyire fontos. Visszatérve a 70. rajzra, látható, hogy a forró égöv minden pontjára évenkint kétszer függőlegesen esnek a Nap sugarai; ezek a Földnek leginkább fölmelegedett pontjai. Ezzel ellentétben a két sark, midőn a Nap megvilágítja és ennek következtében megmelegíti, napfordulókor csak nagyon ferdén eső, éj-napegyenlőségkor meg éppen csak súroló sugarakat kapnak; előre láthatjuk tehát, hogy a környező vidékek, vagyis a jegesövek éghajlata nagyon hideg. De a 70. rajznak megtekintéséből még más fontosabb kovetkeztetéseket is vonhatunk az éghajlatok szempontjából. Először is látjuk, hogy ezen a rajzon, a melyen a Föld pályáját körnek tettük föl, az (l)–(3) átmérőhöz viszonyítva minden részarányos. Első pillanatra tehát kísértetben vagyunk, hogy éghajlati szempontból azt következtessük, hogy a tavasz azonos a nyárral, a tél az őszszel. Valójában nincs így, a következő okból. Miként az árapály tárgyalásakor megmondottuk, a természet egyetlen tüneményében sem áll elő a hatás maximuma abban az időben, mikor az őt szülő ok tetőpontját éri, hanem az okozat mindig megkésik. Tehát mindig számba kell venni valamely tüneményben az előző hatásokat, hogy az igazi következményeket pontosan megállapíthassuk. A tavaszi éj-napegyenlőségből a nyári napforduló felé, vagyis a (2) helyzetből a (3) helyzetbe haladva, a Föld északi féltekéje egyre jobban felmelegszik, mert a nappalok növekednek; tehát a nap melege felhalmozódik a talajban, vagy ha szabad így szó- lanom, hőtartalék gyűl össze benne. Mikor a Föld elhagyja a (3) helyzetet, hogy a (4) felé menjen – nyár idején – a bolygónk északi fele hasznosítja ezt a tartalékot és a tavaszi helyzetével részarányos helyzeten áthaladva, itt melegebb lesz. Ugyanez oknál fogva a tél hidegebb lesz az ősznél, bár a Föld ebben az időben hasonló helyzetben van; a téli napfordulóig ismét lehűlő talajnak szüksége van arra, hogy újra megszerezze ezt az elvesztett meleget, mielőtt újat vehetne fel. 159. A földpálya lapultságának hatása; az északi félgömb éghajlati elsőbbsége. Most végre behozzuk tanulmányunkba az utolsó bonyodalmat, mely a valósággal való összeegyeztetéshez szükséges; feltesszük most, hogy a Földnek a Nap körüli pályája nem kör, a mit egyszerűség okáért eddig feltettünk, hanem ellipszis, a mint ezt KEPLER törvényeiből tudjuk. Valóban az elliptikus pálya esetén a Nap a téli napfordulókor közelebb van hozzánk, mint a nyári napfordulókor; ha télen ennek ellenére mégis hidegebb van, ez onnan származik, hogy a sugarakat ferdébben kapjuk és ennélfogva kevésbé melegítenek, még pedig először LAMBERT törvénye szerint és másodszor, mert belőlük többet nyel el a légkör, a melyet erősebb hajlásszög alatt érnek, tehát nagyobb vastagságú légrétegen jutnak át. A ferdeség és a légköri elnyelés tüneménye télidején a déli félgömbön is ugyanilyen; de ez utóbbi helyen akkor van tél, mikor nálunk nyár (a 70. rajz 3. helyzetében); a déli félgömb a maga telén tehát távolabb van a Naptól, mint mi a mi telünk alkalmával; a tél tehát a déli féltekén hidegebb, mint az északin. Ugyanezen okból a déli félteke nyara melegebb, mint az északi féltekéé; valóban a déli félteke nyara, a mi telünknek felel meg, vagyis az (1) helyzetben köszönt be (l. a 70. rajzot), melyben a Föld közelebb van a Naphoz, mint a (3) helyzetben, mely a mi északi nyarunknak felel meg. Az északi félgömb éghajlata tehát a földpálya megnyúltsága következtében valamivel enyhébb, mint a déli. De nem kell elfelednünk, hogy ha a hőmérséklet szélsőségei a déli félgömbön nagyobbak, mint az északin, a két félgömb mindazáltal az egész év folyamán egyenlő hőmennyiséget kap a Naptól az évszakoknak a pálya lapultsága következtében beálló különböző tartamánál fogva. Valóban KEPLER második törvénye a két féltekére még egy különbséget hoz be. Ha a pálya kör volna, a négy évszak tartama egyenlő lenne, azonban az elliptikus pályán a területtörvény miatt nem egyenlő és az ősz és tél tartama valamivel kisebb a nyár és tavasz tartamánál; a hideg évszak ennek következtében hosszabb a déli féltekén, de viszont a nyarunk hosszabb, mint a déli féltekéé; a mienk 93 napig, míg a déli féltekéé csak 89 napig tart. Tehát a meleg teljes mennyisége között kiegyenlítődés van a két féltekén a megfelelő évszakok alatt és annál inkább az egész év alatt is. 160. Az éj-napegyenlőségek hátrálása (preczesszió). Az előadott elmélkedések elégségesek annak megmagyarázására, hogy mi történik aránylag rövid időközben, például egy félszázad, vagy egy század alatt; de van még egy közreműködő ok, melyet nem hagyhatunk figyelmen kívül, midőn a Föld éghajlati járását századok hosszú során át vizsgáljuk; ez az éjnapegyenlőségek eltolódása, melyről már szólottunk, midőn azokat a háborgásokat tárgyaltuk, melyek a Föld főmozgásaiba belejönnek. E tünemény következtében bolygónk forgás-tengelye nem marad mindig párhuzamos önmagával, hanem valójában egymásután párhuzamossá válik ama kúp minden alkotójával, a melynek csucsa az ekliptika középpontjában van és tengelye merőleges e síkra; és a Föld tengelye e fokozatos áthelyeződésben 26 000 év alatt veszi föl ismét ugyanazt a helyzetet. Ily körülmények közt az a vonal, a mely a két éj-napegyenlőséget összeköti, minden évben elmozdul és 26 000 év alatt teljes körforgást tesz. Az 1250-ik esztendőben ez a vonal összeesett a földpálya kis tengelyével; ekkor az ősznek akkora volt a tartama, mint a télnek, a tavasznak akkora, mint a nyárnak. De ettől a pillanattól kezdve a napfordulók vonala egyre jobban eltávozik az ekliptika nagy tengelyétől és e fokozatos eltávolodás okozza az évszakok tartamának különbözőségét. A 7750-ik év felé az éj-napegyenlőség vonala fog összeesni a nagy tengelylyel, ekkor a két félgömb egyforma helyzetben lesz; az északi félgömbön a nyár és tél meg fog rövidülni, míg a tavasz és ősz megnyúlnak. Ily módon a hideg és meleg évszak egyenlő tartamú lesz az egyenlítőtől mind északra, mind délre. E pillanattól kezdve a déli félgömb lesz mérsékeltebb, mint az északi. Látjuk tehát, hogy az éjnapegyenlőség eltolódása következtében – a mi viszont az egyenlítői felduzzadás egyik következménye – az éghajlatok bizonyos, már a történelmi időkkel összehasonlítható időszak alatt megváltozhatnak. És ha meggondoljuk, hogy elég csak nehány foknyi eltérés, hogy valamely vidék hőmérséklete megváltozzék, látjuk, hogy nincs szükségünk világfelfordulásra hivatkoznunk az éghajlatbeli változások jó megmagyarázása czéljából, midőn egyszerűbb és észszerűbb magyarázatunk is van reá. 161. A szárazföldek és a tengerek módosító hatása. Mindez ideig feltettük, hogy a Föld egyenletes külsejű, domborodások nélkül való. De szilárd felszíne valójában szabálytalan és óriási kiterjedésű vizek – az óczeánok – szakítják meg. Már pedig ugyanoly körülmények közt a tenger lassabban melegszik, mint a talaj. Tehát nem mehetünk tovább abban az általános tanulmányban, a melyet az éghajlatok okaira vonatkozóan tettünk. Azok a következtetések, a melyeket az évszakokra és a féltekékre hoztunk le, a maguk összeségében megegyeznek ugyan a tapasztalattal, de részleteikben módosulnak a földfelszinnek és a légkör átlátszóságának egyenetlenségei miatt. El kell e szerint hagynunk az általánosságokat és a meteorológia tanulmányozásával a részletekbe kell bocsátkoznunk. 
