گرفت‌ های ماه و خورشید

شکل 1. تصویری از ماه‌گرفتگی ششم مرداد که در آن مریخ در کمترین فاصله از زمین، و در بهترین شرایط رصدی دیده می‌شود.

برای بررسی گرفت‌ها راهی نداریم جز اینکه نخست مروری بر چیستی اهلّه ماه³ بکنیم. با گردش ماه به‌ دور زمین، آنچه از نیمه نورخورده ماه از زمین می‌بینیم به‌تدریج تغییر می‌‌کند، که به این حالت‌های متفاوت ماه از دید ناظر زمینی اهلّه ماه گفته می‌شود. اهله ماه چرخه کاملی را طی می‌کند، از زمانی که سوی تاریک ماه به سمت ناظر زمینی است (محاق) تا زمانی که سمت روشن ماه کاملاً به سوی اوست (بدر). چون در کتاب‌ها به تفصیل به این مبحث پرداخته‌اند، ما در اینجا فقط با ارائه تصویری جامع، این مراحل را نشان داده‌ایم (شکل2). در بررسی و تحلیل گرفت‌ها، وضعیت‌های ماه نو و ماه کامل از این چرخه به کارمان خواهد آمد.

شکل 2. اهلّه ماه. تصویری دید از بالا از مراحل حرکت ماه به دور زمین. بخصوص به وضعیت‌های ماه نو و ماه کامل نسبت به زمین توجه کنید.

در کلّ همه این مرحله‌ها، زمین جلوی نور خورشید را نگرفته است، زیرا مدار ماه نسبت به صفحه دایرةالبروج⁴ زاویه کوچکی (حدوداً °5/2) می‌سازد (شکل 3) و همان‌طور که خواهیم دید همین زاویه است که در تحلیل پدیده‌های گرفت نقش اساسی بازی می‌کند؛ چرا که اگر جز این می‌بود، در پی هر ماه نو یا ماه کامل، می‌بایست یک گرفت رخ می‌داد.

شکل 3. این تصویرِ دید از پهلو نشان می‌دهد که مدار زمین حدود °5/2 نسبت به دایره‌البروج زاویه دارد. همچنین به تفاوت پهنای زاویه‌ای تمام‌سایه‌های ماه و زمین توجه کنید که در ادامه بحث به کارمان می‌آید.

با این حال، هر از گاهی ـ ‌و البته فقط به هنگام ماه نو یا ماه کامل ـ خورشید، زمین، و ماه در یک امتداد قرار می‌گیرند و مدار ماه با دایره‌البروج تلاقی می‌کند، و اصطلاحاً یک گره مداری⁵ تشکیل می‌دهد. به این پدیده که ندرتاً‌ رخ می‌دهد «گرفت» می‌گویند. در هنگام ماه نو، گرفت را گرفتِ خورشید یا خورشیدگرفتگی⁶، و در هنگام ماه کامل، گرفت را گرفتِ ماه یا ماه‌گرفتگی⁷ می‌گویند. همان‌طور که در شکل 4 نشان داده شده است، در هنگام ماه‌گرفتگی، خورشید و ماه دقیقاً در جهت مقابل ـ در دو طرف زمین ـ قرار دارند، و بنابراین کره زمین موقتاً جلوی نور خورشید را، در رسیدن به ماه می‌‌گیرد.

شکل 4. وقتی ماه از سایه زمین عبور می‌کند، گرفت ماه رخ می‌دهد و در گرفت کامل، ماه به‌صورت سرخ‌فام دیده می‌شود.

در هنگام ماه‌گرفتگی، ما لبه خمیده‌ای از سایه زمین را می‌بینیم که شروع به روبش سطح ماه می‌کند تا آنکه سرانجام سطح آن را، اگر گرفت کامل باشد، به‌صورت یک قرص دایره‌ای می‌پوشاند و آنگاه ماه به‌صورت قرصی سرخ‌فام دیده می‌شود (شکل 5).

شکل 5. این شکل نشان می‌دهد که چگونه در یک ماه‌گرفت کامل، سایه زمین سطح ماه را می‌روبد تا آنکه سرانجام آن را می‌پوشاند.

شاید برایتان جالب باشد که بدانید نخستین‌بار ارسطو (384ـ322 پیش از میلاد) بود که در حدود 24 قرن پیش دریافت که پدیده ماه‌گرفتگی ناشی از روبش سایه زمین بر سطح ماه است و از آنجا نتیجه گرفت که زمین باید مدوّر باشد. البته ارسطو نخستین کسی نبود که زمین را مدوّر پنداشت، ولی او نخستین کسی بود که اثباتی رصدی براساس پدیده گرفت ماه برای مدوّر بودن زمین ارائه کرد.

در یک ماه‌گرفتگی، عموماً هم‌راستایی خورشید، زمین، و ماه کامل نیست و اغلب گرفت جزئی ماه رخ می‌دهد که در آن بخشی از ماه در تمام‌سایه و بخشی در نیم‌سایه زمین قرار می‌گیرد. به عبارتی، تمام‌سایه زمین به‌طور کامل سطح ماه را نمی‌پوشاند و لاجرم بخشی از ماه در نیم‌سایه زمین قرار می‌گیرد

اما چرا وقتی قرص کامل ماه در حین یک گرفت درون تمام‌سایه زمین قرار می‌گیرد رنگ آن قدری سرخ‌فام می‌شود؟ پاسخ این سؤال به چیزی مربوط می‌شود که فیزیکدان‌ها از آن با نام پراکندگی ریلی⁸ یاد می‌کنند. طبق نظریه پراکندگی ریلی، شدت پراکندگی نور متناسب با عکس توان چهارم طول موج آن است. به عبارتی، هرچه طول موج طیف نور کوتاه‌تر باشد، میزان پراکندگی آن به مراتب بیشتر خواهد بود. در حین یک ماه‌گرفتگی کامل، نور خورشید عبوری از جوّ زمین به داخل ناحیه تمام‌سایه می‌شکند که این سبب می‌شود سطح ماه به‌طور خفیفی روشن گردد. وقتی نور از جو عبور می‌کند، طیف‌های مختلف آن از مولکول‌های هوا پراکنده می‌شوند. اما طبق نظریه پراکندگی ریلی، بخش انتهای آبی طیف که طول موج کوتاه‌تری دارد در طول مسیر، پراکندگی به‌مراتب بیشتری پیدا می‌کند و عملاً حذف می‌گردد و در نتیجه در نوری که به ماه می‌رسد، بخش انتهای قرمز طیف که طول موج بزرگ‌تری دارد غالب می‌شود (شکل 6) و آنگاه با بازتاب این نور از سطح ماه، ماه سرخ‌فام به نظر می‌رسد.

شکل 6. پرتوهای طیف نور خورشید با عبور از جوّ زمین، مؤلفه آبی خود را از دست می‌دهند و تنها مؤلفه قرمز طیف نور به ماه می‌تابد.

در یک ماه‌گرفتگی، عموماً هم‌راستایی خورشید، زمین، و ماه کامل نیست و اغلب گرفت جزئی ماه رخ می‌دهد که در آن بخشی از ماه در تمام‌سایه و بخشی در نیم‌سایه زمین قرار می‌گیرد. به عبارتی، تمام‌سایه زمین به‌طور کامل سطح ماه را نمی‌پوشاند و لاجرم بخشی از ماه در نیم‌سایه زمین قرار می‌گیرد (شکل7).

شکل 7. تصویری از چگونگی رخ دادن یک ماه‌گرفت جزئی

شاید بپرسید چرا در گرفت جزئی ماه رنگ ماه، قرمز دیده نمی‌شود؟ دلیل آن این است که در گرفت جزئی ماه، شما نه‌تنها نور بازتابیده از ناحیه سایه‌دار ماه را دریافت می‌کنید، بلکه نور سفید بسیار روشنی نیز به شما می‌رسد که از بقیه سطح ماه بازتابیده است. در واقع تا بخش عمده‌ای از ماه پوشیده نشده باشد، شما نمی‌توانید نور قرمز کم‌رنگی را کنار نور سفید روشن‌تر تشخیص دهد و در نتیجه قسمت سایه‌دار ماه کاملاً تاریک به‌نظر می‌رسد.

نوع دیگر و نادری از ماه‌گرفتگی نیز وجود دارد که به ماه‌گرفتِ نیم‌سایه‌ای⁹ مشهور است. در این نوع از ماه‌گرفتگی، ماه به‌طور کامل درون نیم‌سایه زمین قرار می‌گیرد (شکل8). این ماه‌گرفتگی، برخلاف ماه‌گرفتگی‌های کلی و جزئی، به سختی قابل رؤیت است و سطح ماه فقط اندکی تیره می‌شود، به‌طوری که فقط یک منجم حرفه‌ای می‌تواند آن را تشخیص دهد. این ماه‌گرفتگی بیشتر مورد علاقه محققان علمی و پژوهشی است.

شکل 8. تصویری از چگونگی رخ دادن یک ماه‌گرفت نیم‌سایه‌ای

بدیهی است که یک ماه‌گرفتگی کامل به اندازه‌ زمان عبور قرص ماه از تمام‌سایه زمین طول می‌کشد. با توجه به اینکه مدار گردش ماه به دور زمین و نیز مدار گردش زمین به دور خورشید دقیقاً‌ دایره نیست (شکل 9)، این زمان بسته به هندسه‌ای که در شکل 4 نشان داده شده و اینکه فاصله ماه از زمین و یا زمین از خورشید چقدر باشد و در نتیجه پهنای تمام‌سایه زمین روی ماه چقدر ‌شود، متغیر است. وقتی زمین از خورشید و نیز ماه از زمین در دورترین فاصله‌های خود باشند، زمان یک ماه‌گرفتگی کامل بیشترین است. زیرا خورشید برای زمین چشمه گسترده نور است و با دورشدن جسم (زمین) از چشمه گسترده‌ نور (خورشید)، تمام‌سایه زمین عریض‌تر می‌شود و وقتی ماه در حضیض خود باشد از بخش عریض‌تر تمام‌سایه مخروطی زمین عبور می‌کند. در هر حال مدت یک گرفت کامل ماه معمولاً بیشتر از 100 دقیقه طول نمی‌کشد. مثلاً‌ در مورد ماه‌گرفتگی ششم مرداد 1397 زمان آن حدود 80 دقیقه بود. بنابراین اگر چه از این ماه‌گرفتگی به‌عنوان طولانی‌ترین ماه‌گرفتگی قرن یاد شده است، ولی می‌توان در قرن‌های آتی منتظر ماه‌گرفتگی‌های طولانی‌تری نیز بود.

شکل 9.  طرحی از مدارهای زمین و ماه

در اینجا خوب است به گرفت خورشید نیز گریزی دوباره بزنیم. اشاره به گرفت خورشید از آن‌رو مهم است که می‌خواهیم به این پرسش پاسخ دهیم که چرا خورشیدگرفتگی، برخلاف ماه‌گرفتگی، فراگیر نیست و در وسعتی پهناور از این کره خاکی دیده نمی‌شود. اگر از دید زمین، ماه و خورشید دقیقاً در یک جهت قرار گیرند، خورشیدگرفتگی روی می‌دهد. با توجه به اینکه خورشید بسیار بزرگ‌تر از ماه است، امکان بسیار زیادی وجود دارد که از دید زمین اندازه زاویه‌ای ماه و خورشید برابر هم شود و ماه به‌طور کامل جلوی نور خورشید را بگیرد و در نتیجه خورشیدگرفتگی کامل رخ دهد. البته سایه ماه بر روی زمین، یک نیم‌سایه نیز خواهد داشت و بنابراین یک خورشیدگرفتگی کامل، برای کسانی که در نواحی نیم‌سایه قرار دارند، به‌صورت یک خورشیدگرفتگی جزئی دیده می‌شود (شکل‌ 10).

شکل 10. طرحی از گرفت‌های کلی و جزئی خورشید

شکل‌های 11 الف و ب این دو گرفت را با جزئیات بیشتری نشان می‌دهد. همچنین چون مدار ماه به‌دور زمین دقیقاً دایره‌ای نیست، ممکن است در لحظه گرفت خورشید، ماه به حدی از زمین دور باشد که قرص آن نتواند قرص خورشید را به‌طور کامل بپوشاند. در این صورت، همان‌طور که در شکل 11 پ نشان داده شده است، سایه ماه اصلاً‌ به زمین نمی‌رسد و تنها حلقه‌ای نازک از نور خورشید دیده می‌شود، که به این پدیده گرفت حلقوی¹⁰ گفته می‌شود.

شکل 11. انواع گرفت‌های خورشید

در خورشیدگرفتگی کامل، پهنای مجموع تمام‌سایه و نیم‌سایه ماه روی سطح زمین حدود 7000 کیلومتر است که این تقریباً دو برابر قطر ماه است. پهنای خودِ تمام‌سایه بسیار کوچک‌تر از این مقدار است و قطر آن از 267 کیلومتر فراتر نمی‌رود. به همین دلیل فقط بخش کوچکی از مردمان این کره خاکی می‌توانند یک گرفت کامل خورشید را رصد کنند. از همین روست که بسیاری از منجمان و علاقه‌مندان پدیده‌های نجومی با وقوع یک خورشیدگرفتگی کوله‌بار خود را برای سفر ـ حتی سفر به سرزمینی دوردست ـ می‌بندند تا این رویداد یگانه را از نزدیک مشاهده کنند. در حالی که در ماه‌گرفتگی کامل تمام‌سایه زمین کلّ رخ ماه را می‌پوشاند و موجب می‌شود بسیاری از اهالی زمین بتوانند به تماشای آن بنشینند.

با توجه به اینکه زمان یک ماه‌گرفتگی کامل را بیان کردیم خوب است به زمان یک خورشیدگرفتگی کامل نیز اشاره کنیم. در گرفت کامل خورشید، تمام‌سایه ماه سطح زمین را با سرعتی دست‌کم برابر km/h‌1700 می‌پیماید. بنابراین با محاسبه ساده‌ای می‌توان بیشینه زمان نوعی یک گرفت کامل خورشید را چنین تقریب زد:

مشاهدات رصدی این مقدار را برابر 7 دقیقه و 30 ثانیه به‌دست داده است. البته همان‌طور که گفتیم این بیشینه مدت یک خورشیدگرفتگی کامل است و معمولاً یک خورشیدگرفتگی کامل بسیار کمتر طول می‌کشد.

اکنون در پایان، می‌خواهیم دوباره به این پرسش مهم بپردازیم که چرا در پی هر ماه نو یا ماه کامل، یک گرفت نداریم؟ همان‌طور که در شکل 3 دیدیم مدار ماه نسبت به صفحه دایره‌البروج زاویه اندکی دارد و در هنگامی که ماه، تازه یا کامل است معمولاً بالا یا پایین این صفحه قرار دارد و بنابراین به‌ندرت با سایه زمین تماس پیدا می‌کند. احتمال اینکه یک ماه نو یا یک ماه کامل به خورشیدگرفتگی یا ماه‌گرفتگی بیانجامد بسیار اندک است. هندسه وقوع احتمالی گرفت‌ها در شکل 12 نشان داده شده است.

شکل 12. هندسه گرفت‌ها. برای آنکه یک گرفت رخ دهد باید خط تقاطع ماه و زمین دقیقاً‌ در امتداد خط تقاطع زمین ـ خورشید قرار گیرد (و نیز شکل 9 را ببیند)

وضعیت‌های مناسب برای گرفت به‌ندرت رخ می‌دهند، به‌طوری که در هر 10 سال به‌طور متوسط فقط 7 ماه‌گرفتگی کامل و 15 خورشید‌گرفتگی کامل یا حلقوی رخ می‌دهد. چون امروزه مدارهای زمین و ماه را با دقت بسیاری می‌شناسیم، مکان و زمان وقوع گرفت‌های آتی را می‌توانیم به‌سادگی پیش‌بینی کنیم. مثلاً شکل 13 مکان و زمان‌های گرفت‌های خورشید را همراه با مسیر حرکت سایه ماه بر سطح زمین در این گرفت‌ها، از سال 2010 تا سال 2030 نشان می‌دهد.

شکل 13. ناحیه‌هایی از سطح زمین که در آن‌ها بین سال‌های 2010 تا 2030 خورشیدگرفتگی کلی رخ‌داده یا رخ خواهد داد. هر رد نشان داده شده، مسیر حرکت سایه ماه بر سطح زمین را در آن گرفت نشان می‌دهد.

پی‌نوشت‌ها

1. Penumbra

2. Umbra

3. Lunar phases

4. ecliptic: مسیر ظاهری خورشید نسبت به ستارگان روی کره سماوی در طول یک سال را می‌گویند.

5. Lunar node

6. Solar eclipse

7. Lunar eclipse

8. Rayliegh scattering

9. Penumbral lunar eclipse

10. Annular eclipse

منابع

1. earthsky.org/todays-image/photos-full-moon-eclipse-mars-july-27-2018.

(این منبع تصاویر زیبایی از ماه‌گرفتگی ششم مرداد 1397 دارد)

2. Astronomy, A Beginner’s Guide to the Universe, Eric Chalson and Steve MeMillan, 8th Edition, 2017, Pearson Pub.

(عمده مطالب مربوط به گرفت‌های ماه و خورشید از این منبع اخذ شده است).

3. نمایش هیجان‌انگیز فیزیک (جلد دوم) ـ یرل واکرـ ترجمه محمدرضا خوش‌بین خوش‌نظر، چاپ اول. 1390.

(بخش رنگ‌های ماه در حین ماه‌گرفت‌های کامل و جزئی از این منبع اخذ شده است).