چرا برخی نقاط زمین بارها خورشیدگرفتگی می‌بینند و برخی دیگر اغلب از آن محروم‌اند؟

خلاصه مقاله:

• بعضی شهرها ممکن است بیش از هزار سال شاهد هیچ خورشیدگرفتگی کاملی نباشند، در حالی که شهرهای دیگر در کمتر از ده سال دو بار آن را تجربه می‌کنند. بررسی‌های علمی نشان می‌دهد تقریباً همه نقاط زمین در بازه چند هزار ساله دست‌کم یک بار در مسیر خورشیدگرفتگی کامل قرار می‌گیرند.
• مناطق نزدیک به قطب‌های شمال و جنوب بیشتر از مناطق استوایی خورشیدگرفتگی می‌بینند، چون مسیر حرکت خورشید در آنجا متفاوت است. در دوره فعلی، نیم‌کره شمالی کمی بیشتر از نیم‌کره جنوبی خورشیدگرفتگی کامل را تجربه می‌کند، اما این وضعیت در طول هزاران سال تغییر می‌کند.
• خورشیدگرفتگی حلقوی از نوع کامل رایج‌تر است و در آینده بسیار دور، ممکن است دیگر خورشیدگرفتگی کامل رخ ندهد.

چرا برخی شهرها باید حدود هزار سال صبر کنند تا یک خورشیدگرفتگی کامل ببینند، در حالی که بعضی مناطق در کمتر از یک دهه دو بار این پدیده را تجربه می‌کنند؟ پاسخ این «بی‌عدالتی آسمانی» را باید در ریاضیات مدارها و چرخه‌هایی جست‌وجو کرد که در مقیاس هزاران سال عمل می‌کنند.

برای مثال، دوم اوت سال ۱۱۵۳ میلادی، شهر اورشلیم (یکی از قدیمی‌ترین شهرهای جهان) آخرین خورشیدگرفتگی کامل خود را تجربه کرد. براساس کتاب «گرفت کامل» نوشته فرد اسپناک، متخصص مشهور محاسبه خورشیدگرفتگی در ناسا، این شهر تا ششم اوت ۲۲۴۱ دیگر خورشیدگرفتگی کامل نخواهد دید. یعنی فاصله‌ای ۱۱۰۸ ساله.

در مقابل، ساکنان منطقه‌ای به وسعت حدود ۵۲هزار کیلومتر مربع در ایالت‌های ایلینوی، میزوری و کنتاکی آمریکا، تنها درطول ۶ سال و ۷ ماه و ۱۸ روز، دو بار وارد مسیر «گرفت کامل» شدند؛ همان نوار باریکی که معمولاً حدود ۱۶۰ کیلومتر عرض دارد و فقط در آن محدوده ماه می‌تواند قرص خورشید را کاملاً بپوشاند.

چرا نسل‌های پیاپی در اورشلیم از دیدن خورشیدگرفتگی کامل محروم مانده‌اند، اما شهرهایی مانند پریویل، کیپ ژیراردو، پادوکا، کربوندیل، ماکاندا، هریسبورگ و متروپولیس چندین بار آن را از خانه‌هایشان دیده‌اند؟ چرا برخی نقاط زمین در طول چندین عمر انسانی حتی یک بار هم خورشیدگرفتگی کامل نمی‌بینند، در حالی که برخی دیگر مرتب در مسیر آن قرار می‌گیرند؟

پاسخ در ترکیبی از آمار و چرخه‌های مداری بسیار طولانی نهفته است.

وقتی درباره خورشیدگرفتگی کامل صحبت می‌کنیم، منظور زمانی است که ماه در فاز ماه نو دقیقاً بین زمین و خورشید قرار می‌گیرد و اندازه ظاهری آن در آسمان به اندازه‌ای است که می‌تواند خورشید را کاملاً بپوشاند. این هم‌راستایی کامل، فقط در یک نوار باریک روی سطح زمین دیده می‌شود. خارج از آن نوار، مردم یا خورشیدگرفتگی جزئی می‌بینند یا اصلاً چیزی مشاهده نمی‌کنند.

اما این اتفاق هر چند وقت یک بار در یک مکان مشخص رخ می‌دهد؟

دادن پاسخ دقیق به این سؤال ساده نیست؛ زیرا فاصله زمانی بین خورشیدگرفتگی‌های کامل در یک نقطه کاملاً نامنظم است. مرجع کلاسیک این موضوع مقاله‌ای است که در سال ۱۹۸۲ توسط ژان میوس، ستاره‌شناس بلژیکی و از چهره‌های برجسته نجوم محاسباتی، منتشر شد. او با استفاده از رایانه شخصی اچ‌پی-۸۵ که در آن زمان یکی از نخستین رایانه‌های شخصی محسوب می‌شد، مسیر خورشیدگرفتگی‌های کامل را برای ۶۰۰ سال آینده محاسبه کرد.

تا پیش از آن، تصور رایج این بود که هر ۳۶۰ سال یک بار، یک نقطه از زمین به طور میانگین شاهد خورشیدگرفتگی کامل می‌شود. اما این عدد از یک کتاب درسی نجوم در سال ۱۹۲۶ نقل شده بود و محاسبه‌ی دقیقی پشت آن نبود. محاسبات میوس این میانگین را به ۳۷۵ سال اصلاح کرد و این عدد دهه‌ها به عنوان استاندارد پذیرفته شد.

با پیشرفت توان محاسباتی، پژوهشگران تصمیم گرفتند این عدد را دوباره بررسی کنند.

در مارس ۲۰۲۴، درست پیش از دومین «خورشیدگرفتگی بزرگ آمریکا» در هفت سال اخیر، ارنی رایت از استودیو تصویرسازی علمی ناسا نقشه‌ای حرارتی منتشر کرد که مسیر ۳۷۴۲ خورشیدگرفتگی کامل را در بازه‌ای ۵۰۰۰ ساله (از ۲۰۰۰ پیش از میلاد تا ۳۰۰۰ میلادی) نشان می‌داد. این نقشه براساس «فهرست پنج‌هزارساله خورشیدگرفتگی‌ها» تهیه شده بود؛ اثری که در سال ۲۰۰۶ توسط ژان میوس و فرد اسپناک منتشر شد.

نتیجه جالب بود: تقریباً هیچ نقطه‌ای روی زمین وجود ندارد که در این بازه ۵۰۰۰ ساله حداقل یک بار خورشیدگرفتگی کامل را تجربه نکرده باشد. هر نقطه از این نقشه بین یک تا ۳۵ بار در مسیر گرفت کامل قرار گرفته است. به بیان ساده، از دیدگاه آماری، هیچ نقطه‌ای کاملاً محروم نیست؛ اما فاصله زمانی بین این رویدادها می‌تواند بسیار طولانی باشد.

تازه‌ترین و جامع‌ترین بررسی فوریه امسال منتشر شد. این پژوهش که قرار است در «نشریه انجمن نجوم بریتانیا» چاپ شود، ۳۵٬۵۳۸ خورشیدگرفتگی را در بازه‌ای ۱۴٬۹۹۹ ساله تحلیل کرده است. انجام این محاسبات عظیم به ۶۶۲هزار گیگابایت‌ساعت حافظه و ۱۴۷هزار ساعت پردازش هسته‌ای درطول ۱۰۲ روز محاسبه مداوم نیاز داشت.

نتیجه عدد جدیدی ارائه داد: میانگین فاصله زمانی برای وقوع یک خورشیدگرفتگی کامل در یک نقطه مشخص، حدود ۳۷۳ سال است. گراهام جونز، اخترفیزیکدان و نویسنده اصلی پژوهش، توضیح داده که هدف آن‌ها بررسی دوباره مسئله با استفاده از رایانه‌های مدرن بوده است. اما این پژوهش فقط عدد میانگین را اصلاح نکرد؛ بلکه الگوهای عمیق‌تری را نیز آشکار کرد.

یکی از مهم‌ترین یافته‌ها چیزی است که پژوهشگران آن را «اثر عرض جغرافیایی» نامیده‌اند. براساس این نتیجه، خورشیدگرفتگی‌ها (چه کامل و چه انواع دیگر)، در نزدیکی دایره‌های قطبی شمال و جنوب بیشتر رخ می‌دهند و در نزدیکی استوا کمتر.

دلیل این موضوع به مسیر ظاهری خورشید در آسمان مربوط می‌شود. در نزدیکی قطب‌ها، در برخی فصل‌ها خورشید نزدیک به افق حرکت می‌کند و مدت طولانی‌تری در آسمان باقی می‌ماند. این وضعیت بازه زمانی گسترده‌تری ایجاد می‌کند که در آن امکان وقوع هم‌راستایی لازم برای خورشیدگرفتگی وجود دارد.

تحلیل ناسا همچنین نشان داده که نیم‌کره شمالی کمی بیشتر از نیم‌کره جنوبی خورشیدگرفتگی کامل تجربه می‌کند. دلیل آن مدار بیضوی زمین است. زمین در مدار خود گاهی به خورشید نزدیک‌تر (حضیض خورشیدی) و گاهی دورتر (اوج خورشیدی) می‌شود. در تابستان نیم‌کره شمالی، زمین به اوج خورشیدی نزدیک است؛ یعنی کمی دورتر از خورشید قرار دارد. در این حالت، خورشید اندکی کوچک‌تر در آسمان دیده می‌شود و ماه شانس بیشتری دارد که آن را کاملاً بپوشاند.

اما این مزیت دائمی نیست. تاریخ وقوع اوج و حضیض خورشیدی در چرخه‌ای حدود ۲۱هزار ساله جابه‌جا می‌شود. حدود ۴۵۰۰ سال دیگر، این نقاط با اعتدال‌های بهاری و پاییزی هم‌زمان خواهند شد و در آن زمان هیچ نیم‌کره‌ای برتری نخواهد داشت. حدود ۹۵۰۰ سال دیگر، این مزیت به نیم‌کره جنوبی منتقل می‌شود. همین چرخه بلندمدت باعث می‌شود فاصله زمانی بین خورشیدگرفتگی‌های کامل در یک مکان خاص بسیار نامنظم باشد.

پژوهش‌ها همچنین به خورشیدگرفتگی حلقوی پرداخته‌اند؛ نوعی که در آن ماه در دورترین فاصله خود از زمین قرار دارد و کمی کوچک‌تر از خورشید دیده می‌شود. در این حالت، مرکز خورشید پوشانده می‌شود اما حلقه‌ای درخشان در اطراف آن باقی می‌ماند که به «حلقه آتش» معروف است.

براساس محاسبات، خورشیدگرفتگی حلقوی در یک نقطه مشخص به طور میانگین هر ۲۲۴ تا ۲۲۶ سال یک بار رخ می‌دهد؛ یعنی رایج‌تر از نوع کامل. دلیل آن ساده است: اگر اندازه ظاهری متوسط خورشید و ماه را در نظر بگیریم، خورشید اغلب کمی بزرگ‌تر از ماه دیده می‌شود، بنابراین احتمال تشکیل حلقه آتش بیشتر است.

این روند در آینده هم تقویت خواهد شد، زیرا ماه سالانه حدود ۳٫۸ سانتی‌متر از زمین دور می‌شود. اکنون خورشید حدود ۴۰۰ برابر بزرگ‌تر از ماه است، اما تقریباً ۴۰۰ برابر هم دورتر قرار دارد؛ همین تناسب باعث می‌شود اندازه ظاهری آن‌ها در آسمان تقریباً برابر باشد. با دور شدن تدریجی ماه، در مقیاس‌های زمانی بسیار طولانی، خورشیدگرفتگی کامل به‌تدریج ناپدید خواهد شد و فقط نوع حلقوی باقی می‌ماند.

البته این اتفاق حدود ۶۰۰ میلیون سال دیگر رخ خواهد داد، بنابراین فعلاً جای نگرانی برای علاقه‌مندان خورشیدگرفتگی نیست.

در نهایت، اگرچه توزیع خورشیدگرفتگی‌ها روی زمین در نگاه اول ناعادلانه به نظر می‌رسد، در واقع نتیجه هندسه دقیق و پیچیده سامانه زمین و ماه و

خورشید و چرخه‌های بسیار طولانی‌مدت مداری است. آنچه برای ما یک رویداد کوتاه چنددقیقه‌ای است، در مقیاس کیهانی بخشی از رقصی ریاضی و منظم است که هزاران سال ادامه دارد.