خورشید گرفتگی چیست؟

خورشید گرفتگیِ پیش رو که در بامداد ۵ دی‌ماه ۹۸ از ایران قابل رویت است، بهانه‌ای است تا به تحلیل این رویداد طبیعی دیدنی بپردازیم. خورشید گرفتگی زمانی رخ می‌دهد که خورشید، ماه و زمین به ترتیب در یک راستا قرار بگیرند و سایه‌ی ماه روی زمین بیفتد.  در این حالت با توجه به هندسه‌ی گرفت که در ادامه توضیح داده می‌شود، ناظران زمینی که در نیم‌سایه‌ی ماه واقع باشند گرفت خورشید را به صورت جزئی می بینند (تصویر ۱) و ناظرانی که در سایه‌ی کامل قرار بگیرند می‌توانند خورشید گرفتگی کامل را رویت کنند (تصویر ۲). نوع دیگری از خورشید گرفتگی، که اتفاقاً خورشیدگرفتگی ۵ دی‌ماه از این نوع است، به خورشید گرفتگی حلقوی موسوم است. در خورشید گرفتگی حلقوی، با توجه به نسبت فاصله‌ی ماه از زمین و زمین از خورشید، سایه‌ی کامل ماه روی زمین نمی‌افتد و ناظری که در ناحیه‌ی مرکزی نیم سایه قرار بگیرد شاهد گرفت حلقوی خواهد بود (تصویر ۳). سایر ناظرها که در خارج از ناحیه‌ی مرکزی باشند، همچنان شاهد گرفت جزئی خواهند بود. در ادامه، شرایط گرفت کامل و حلقوی ذکر خواهد شد.

 

تصویر 1

 

تصویر 2

 

تصویر 3

 

به این دلیل که خورشید بزرگتر از ماه است و همچنین به خاطر حرکت راست خط نور در خلأ، پرتوهای نور خورشید به شکلی از لبه‌های ماه عبور می‌کنند که در فضای پشت آن (جهت مقابل خورشید) یک مخروط سایه تشکیل می‌شود (شکل ۴). چنان‌چه ناظری در ناحیه‌ی سایه قرار بگیرد (ناحیه‌ی A) شاهد گرفت کامل خورشید خواهد بود. ناظران واقع در بخش نیم‌سایه (نواحی B و D) گرفت جزئی را مشاهده خواهند کرد. همان طور که در شکل پیداست، طول مخروط سایه محدود است و در فاصله‌ی مشخصی از ماه به پایان می‌رسد (رأس مخروط). طول مخروط سایه به عواملی از جمله اندازه‌ی نسبی خورشید و ماه و فاصله‌ی آن‌ها از یک‌دیگر بستگی دارد. در صورتی که ناظری در فاصله‌ای دورتر از رأس مخروط سایه و در ناحیه‌ای نزدیک به امتداد خط واصل مراکز خورشید و ماه قرار بگیرد (ناحیه‌ی D)، خورشید گرفتگی حلقوی را مشاهده خواهد کرد.

 

تصویر 4

با توجه به این‌که ابعاد زمین بزرگتر از ابعاد ماه است، زمین هیچ‌گاه به طور کامل در مخروط سایه‌ی ماه قرار نمی‌گیرد. بنابر این تنها بخشی از سطح زمین می‌تواند درون مخروط سایه واقع شود (تصویر ۵). همچنین از آن‌جا که مدار ماه به دور زمین و نیز مدار زمین به گرد خورشید بیضوی شکل است، فواصل نسبی آن‌ها در طول زمان متغیر است. به طور متوسط اندازه‌ی زاویه‌ای ماه از دید ناظر روی زمین تقریباً با اندازه‌ی زاویه‌ای خورشید برابر است. بر این اساس در زمان خورشیدگرفتگی، اگر ماه نزدیک به حضیض مداری (نزدیک‌ترین فاصله‌ی مداری) خود نسبت به زمین باشد، اندازه‌ی زاویه‌ای ماه بزرگتر از اندازه زاویه‌ی خورشید می‌شود و خورشید گرفتگی کلی رخ می‌دهد. همچنین اگر ماه به اوج مداری (دورترین فاصله‌ی مداری) خود نسبت به زمین نزدیک باشد، اندازه‌ی زاویه‌ای ماه کوچکتر از اندازه‌ی زاویه‌ای خورشید می‌شود و خورشید گرفتگی حلقوی روی می‌دهد. به بیان دیگر در حالت اول به دلیل نزدیکی نسبی ماه و زمین، بخشی از سطح زمین درون مخروط سایه قرار خواهد گرفت و در حالت دوم زمین دورتر از رأس مخروط سایه خواهد بود.

 

تصویر 5

می‌دانیم که خورشید گرفتگی در حالتی رخ می‌دهد که ماه بین خورشید و زمین و نزدیک به خط واصل بین مراکز خورشید و زمین باشد؛ پس باید در هنگام خورشید گرفتگی ماه در محاق (ماه نو) باشد. به طور مشابه ماه‌گرفتگی نیز در زمانی امکان وقوع دارد که ماه در بدر (ماه کامل) باشد. پرسشی که ایجاد می‌شود این است که با این وجود چرا در هر ماه هلالی شاهد یک ماه‌گرفتگی و یک خورشید گرفتگی نیستیم؟ پاسخ، به وضعیت صفحات مداری ماه و زمین بستگی دارد. واقعیت این است که صفحه‌ی مداری ماه به دور زمین کاملاً بر صفحه‌ی مداری زمین به گرد خورشید (صفحه‌ی دایرة‌البروج) منطبق نیست و این دو صفحه، زاویه‌ای در حدود ۵ درجه با هم می‌سازند (تصویر ۶). بنابر این نیمی از صفحه‌ی مداری ماه در شمال صفحه‌ی دایرةالبروج و نیمی دیگر در جنوب آن قرار می‌گیرد. فصل (یا خط) مشترک این دو صفحه، خط گره نامیده می‌شود. هرگاه در هنگام خورشید گرفتگی و ماه‌گرفتگی خط واصل بین مراکز خورشید - زمین - ماه منطبق بر خط گره باشد یا خیلی به آن نزدیک باشد، امکان وقوع گرفت وجود دارد. در غیر این صورت زمین در مخروط سایه یا حتی ناحیه‌ی نیم‌سایه‌ی ماه قرار نمی‌گیرد.

 

تصویر 6

اگر جهت‌گیری صفحه‌ی مداری ماه در فضا ثابت باشد، در هر سال به طور منظم شاهد دو خورشیدگرفتگی و دو ماه‌گرفتگی خواهیم بود. اما به دلیل اثرات اختلال گرانشی از سوی خورشید و سیارات بر سیستم زمین – ماه، صفحه‌ی مداری ماه به آهستگی دوران می‌کند که به آن حرکت تقدیمی حضیض مداری ماه گفته می‌شود. حرکت تقدیمی مدار ماه باعث می‌شود که خط گره در هر 18.6 سال نسبت به ستارگان دور دست یک دور کامل بزند. وقتی ماه در هنگام عبور از خط گره از جنوب دایرةالبروج به شمال آن گذر می‌کند، به آن گره صعودی گفته می‌شود و گذر در جهت خلاف، گره نزولی نامیده می‌شود. با توجه به حرکت تقدیمی مدار ماه، فاصله‌ی زمانی بین هر دو گره صعودی (ماه گرهی) برابر با 27.212 روز است که کمی از ماه نجومی (27.322 روز) کوتاه‌تر است. از طرفی برای آن‌که یک خورشیدگرفتگی کامل روی دهد، فاصله‌ی زاویه‌ای ماه از گره در هنگام محاق باید کمتر از 10.3 درجه باشد و برای ماه گرفتگی این فاصله باید کمتر از 4.6 درجه باشد.
با توجه به آن‌چه در بالا گفته شد، فواصل گرفت‌ها در طول یک سال منظم نخواهد بود. به طور کلی سالانه بین دو تا هفت گرفت می‌تواند رخ دهد. خورشید در هر 364.62 روز در خط گره قرار می‌گیرد. زمان 19 تناوب از این دست که برابر است با 6585.78 روز (18 سال و ۱۱ روز) با زمان 223 تناوب از ماه هلالی (29.531 روزه) خیلی نزدیک است. یعنی می‌توان انتظار داشت هر نوع آرایش قرارگیری خورشید – زمین – ماه (از جمله در هنگام خورشید گرفتگی یا ماه گرفتگی) پس از هر دوره‌ی ۱۸ سال و ۱۱ روزه تکرار شود که به آن چرخه‌ی ساروس گفته می‌شود.
به دلیل حرکت مداری ماه به دور زمین، در هنگام خورشید گرفتگی سایه‌ی ماه با سرعتی در حدود 2000 کیلومتر بر ساعت روی سطح زمین جابه‌جا می‌شود. همچنین قطر سایه‌ی ماه روی زمین کمتر از 270 کیلومتر است. از این رو زمان یک گرفت کامل خورشید همواره کمتر از هفت و نیم دقیقه طول می‌کشد.
خورشید گرفتگی پنج‌شنبه، 5 دی 1398 (26 دسامبر 2019)، از نوع حلقوی است اما در موقعیت رصدی شیراز این کسوف به صورت جزئی با حداکثر گرفت حدود 77 درصد مساحت قرص خورشید دیده خواهد شد. این گرفت هنگام طلوع خورشید رخ خواهد داد. درواقع خورشید زمانی در افق شرقی شیراز طلوع می‌کند که گرفت از ساعاتی پیش آغاز شده است.
نخستین تماس قرص‌های ماه و خورشید 06:04:42 دقیقه است (که از افق شیراز قابل مشاهده نیست) و طلوع خورشید ساعت 06:52:35 خواهد بود. اوج گرفت در ساعت 07:09:05 اتفاق می‌افتد که حدود 77 درصد از سطح قرص خورشید توسط ماه پوشانده می‌شود. آخرین تماس هم در ساعت 08:22:23 خواهد بود که قرص ماه از قرص خورشید دور خواهد شد (تصویر ۷).
در اوج گرفت از مرکز قرص خورشید به صورت عمودی تا خط افق حقیقی شیراز، 2 درجه و 48 دقیقه‌ی قوسی فاصله است که مسلماً برای دیدن هرچه بهتر آن می‌بایست در مکانی که دارای ارتفاع مناسب بوده و موانعی مانند کوه، ساختمان یا درخت در راستای دید نباشد مستقر شد.
همچنین در اوج گرفت فاصله‌ی مرکز قرص خورشید از مرکز قرص ماه، 4 دقیقه و 44 ثانیه‌ی قوسی است. ماه در این وضعیت تقریباً در اوج مدار (فاصله‌ی حدود 383660 کیلومتر) خود قرار دارد و زمین هم تقریباً در حضیض مداری (فاصله از خورشید حدود 147.1 میلیون کیومتر) جای گرفته که نتیجه‌ی ترکیب این فواصل کوچکتر شدن قرص ماه نسبت به قرص خورشید و بروز کسوف حلقوی است. در ادامه اطلاعات زمانی این کسوف را به صورت اینفوگرافی مشاهده می‌کنید:

تصویر ۷.