Eötvös 100Közös pontok Eötvös és Wegener munkásságában – Sarki taszítóerő és a kontinensvándorlás elmélete

Eötvös Loránd nevéhez számos tudományos és technikai újítás köthető. Az egyik legjelentősebb ezek közül a kapillaritás mérésére szolgáló Eötvös-törvény, valamint a modern geofizikai mérések elődjének számító torziós inga.

Az anyag tehetetlensége és gravitációs arányosságainak, azonosságainak vizsgálata Newton óta a természettudományok egyik sarkalatos pontja. A göttingeni egyetem 1906-ban pályázatot írt ki a tehetetlenség és súly azonosságának kísérleti igazolására. Ennek érdekében Eötvös Loránd 1906-tól kezdődően társaival, Pekár Dezsővel és Fekete Jenővel végzett méréseket, melyek 1909-ig tartottak, és 4000 órányi mérés adatait foglalták magukban. A mérések pontosságát 1/100 000 000-hoz adták meg, ezzel a kiírt pályázatot elnyerték.

Elsőként hasonlították össze a különböző anyagok Naphoz viszonyított gyorsulását. A további mérések az első világháború kitörése miatt elmaradtak, Eötvös Loránd 1919-es halálával pedig nem is folytatódtak. Az 1906-1909-es mérések eredményeit Pekár Dezső és Fekete Jenő publikálta 1922-ben.

Talán e kései publikációnak köszönhető, hogy Einstein nem tudott Eötvös és társai kutatásáról, pedig az általános relativitáselmélet egyik kiindulópontja a tehetetlen és súlyos tömegek ekvivalenciája.

1. ábra. Adatlap Eötvös hagyatékából

Eötvösék mérési eredményeit Fischbach és társai 1986-ban újból felhasználták és kimutatták, az úgynevezett „ötödik erő” létezését.

Eötvös a torziós ingával végzett vizsgálatok és a gravitációs mező mérésén kívül nagy figyelmet szentelt a Föld orbitális pályaelemeinek (a Föld tengely körüli forgása és tengelydőlése) változására és hogy azok hogyan is befolyásolják a szárazulatokat.

A híres tudós foglalkozott még a kontinentális lemezek mozgásával, ezért tudománytörténeti jelentősége miatt jelen cikkben felelevenítjük az Eötvös-féle „sarki taszítóerőt”, valamint ennek hatását a korai földtudományi elméletekre.

A földtan forradalma

Alfred Wegener a kontinensvándorlásról szóló elméletét 107 évvel ezelőtt, 1912. január 6-án ismertette. A Frankfurti Múzeumban, a Német Földtani Társulat előtt mutatta be elképzeléseit a Pangea szuperkontinensről, amely az évmilliók folyamán részekre tagolódott, majd mozgásuk révén a mai helyükre kerültek. Nagy műve, Die Entstehung der Kontinente und Ozeane (A kontinensek és az óceánok eredete) címmel, 1912-ben jelent meg. A harmadik kiadás 1922-ben látott napvilágot, amelyet sok nyelvre lefordítottak. Wegenernek e művét tekintik a lemeztektonika alapkövének.

2. ábra. Alfred Wegener

Wegener ötletét az akkori szakemberek elutasították, mondván, hogy nem létezik olyan erő, amely a kontinenseket „feldarabolná”, továbbá olyanról sem tudnak, amely „szállítaná” őket. Nem mellékesen meg kell említeni, hogy Wegener végzettségét tekintve sem volt geológus. Talán ez akadályozta a szakembereket abban, hogy elfogadják a meteorológus által ismertetett elméletet.

A német tudós elképzelése számos kérdést hagyott nyitva. Ezek közül az egyik legfontosabb az elmélet bizonyítása. Nem tudta ugyanis semmilyen természeti erőhöz kötni a kontinensek „szétúszását”. Erről az oldalról érték a legsúlyosabb támadások. Úgy képzelte, hogy a kontinensek valamely sűrűbb anyag felszínén úsznak (ma már tudjuk, hogy a kontinensek az óceánokkal egyetemben a litoszféralemezekkel mozognak az asztenoszférán).

Ugyanebben az évben, 1912-ben Wegenertől függetlenül Eötvös Loránd is előállt egy hasonló elképzeléssel, s elméletben levezette, hogy bizonyos körülmények között a kontinensek a sarkok felől az Egyenlítő irányába elmozdulnak. Ez volt az Eötvös által felfedezett, de Wladimir Köppen 1921-ben kiadott, Ursachen und Wirkungen der Kontinentverschiebungen und Polwanderungen című művében leírt „sarki taszítóerő”.

3. ábra. Wladimir Köppen

E felfedezés kapóra jött volna Wegenernek, hogy képes legyen magyarázatot adni elméletére, ő azonban egy másik erőt tételezett fel, amelynek hatására a kontinensek keletről nyugati irányba sodródnak. Ezt az erőt Wegener a nyugati irányba való sodródás miatt „Westdriftnek” nevezte el.

Számos korabeli kutató – többek között Jeffreys és a híres szovjet geográfus, Berg (1953) is – kijelentette, hogy az Eötvös-elmélet alátámasztotta volna a német tudós elméletét. Jeffreys (1924) geofizikus a következőket állapította meg: „Semmiféle fizikai bizonyíték sem erősíti meg Wegener véleményét a világrészek vízszintes elúszásáról”. Az ő és a többi geológus véleményével élve, a geofizika nem ismer olyan erőket, amelyek a szárazulatok ilyen természetű helyváltoztatását képesek volnának előidézni. A legnagyobb ismert vízszintes irányban működő erő legfeljebb arra volna képes, hogy a világrészeket az Egyenlítő irányába tolja, vagyis a kontinentális tömegeket, széles öv formájában az Egyenlítő köré tömörítse. A Jeffreys által ismertetett tények így ellene szóltak Wegenernek. A német tudós elmélete olyan anyagot tulajdonít a kontinentális tömböknek, amelyek csekély tapadóképességgel bírnak, és a Föld tengerjárásával szemben úgy viselkednek, mint a cseppfolyós test. E szerint – Jeffreys véleményével élve – nem az óceánokban állna be az apály és a dagály, hanem a magmában. Eszmefuttatása szerint már a tengerjárás is képes lenne elszakítani Észak-Amerikát Európától, erre azonban 1017 évre lenne szükség, ez pedig olyan hosszú idő, hogy az Univerzum kialakulására sem állt ennyi idő rendelkezésre.

4. ábra. Wegener elmélete a kelet-nyugati irányú kontinensvándorlásról (Wegener, 1915)

Eötvös Loránd ezt írta az általa felfedezett erőről (Rédey, 1942):

„A függővonal a meridiánsíkban egy oly görbe vonal, amelyik homorú oldalát a pólus felé fordítja. Az úszó test súlypontja magasabban van, mint a kiszorított folyadéktömeg súlypontja. Ebből következik, hogy az úszó test két olyan, különböző irányba ható erő hatásának van alávetve, amelyek eredője a pólustól az egyenlítő felé mutat. A kontinenseknél tehát egy hajlamosságnak kellene mutatkozni arra, hogy azok az egyenlítő felé mozogjanak, amely mozgás azután a szélességnek egy olyan szekuláris változását idézné elő, mint amilyet a pulkovói Csillagvizsgáló Intézetre vonatkozóan gyanítanának.”

Évtizedek múltak el Wegener-, és Eötvös-elméletei között, egészen addig, amíg 1988-ban egy hazai kutató rá nem mutatott, hogy milyen szoros kapcsolat áll fenn a „sarki taszítóerő” és a Wegener által preferált „Westdrift” között.

Eötvös-féle taszítóerő

Eötvös Loránd kísérletét Horváth Gábor gyakorlati úton le is tesztelte. Az elméleti teszt során olyan adatokat használt, amelyeket egy Eötvös és Wegener korabeli tudós nem ismerhetett. A kutató a következő képletből indult ki:

ahol zo a kontinentális tábla súlypontjának függőleges távolsága a kontinens által kiszorított földköpenyanyag súlypontjától, ge, illetve gp az Egyenlítőn, illetve a pólusokon lévő gravitációs gyorsulás, R a Föld sugara.

Horváth G. (1988) szerint e képletet felhasználva és kísérleti úton tesztelve azt kapjuk, hogy egy hosszúkás kontinens a sarki taszítóerőnek köszönhetően az Egyenlítő felé sodródik. Ám a kontinens alacsonyabb földrajzi szélességeire érve olyan forgatónyomaték hat, amely a szárazulatokat K-Ny-i irányba igyekszik beállítani.

5. ábra. Horváth Gábor modellkísérletén (1988) az Eötvös-féle sarki taszítóerő hatására egy, a pólustól az Egyenlítő irányába húzódó mikrokontinens a fellépő forgatónyomaték miatt kelet-nyugati irányba áll be

Ha visszaemlékszünk Jeffreys és a többi geofizikus véleményére, akkor láthatjuk, hogy ők is az É-D-irányú kontinensmozgásokat, vagyis Eötvös-elméletét részesítették előnyben a Westdrift ellenében. Összességében kijelenthető, hogy Eötvös teóriáját felhasználva Wegener fizikailag megalapozhatta volna kontinensvándorlásról alkotott elméletét.

Az elképzelés kezdeti elvetését követően egyre többen kezdték el vizsgálták (Jardetzky, W., 1948), hogy vajon a tudós nem tévedett-e. Közülük leginkább Milutin Milanković emelhető ki.

Milanković és a „sarki taszítóerő”

A szerb tudós nevéhez köthető az utolsó jégkorszak csillagászati okainak leírása. Szerinte a csillagászati ritmusszabályozásnak három összetevője van.

Az első a Föld forgástengelyének hajlásszöge. A forgástengely iránya jelenleg 23,5°-os szöget zár be a Föld keringési síkjára állított merőlegessel. Ez a szög 41 000 éves periódussal ingadozik a 21,5 és 24,5 szélességi fokok között. Minél nagyobb a hajlásszög, annál szélsőségesebbek az évszakok mindkét félgömbön: a nyarak melegebbek, a telek pedig hidegebbek.

A második összetevő a Föld pályájának alakja, amely százezer éves periódussal változik. Egyszer megnyúlik, és nagy excentricitású ellipszis alakot ölt, majd ismét szinte kör alakúvá válik. Ha nő az excentricitás, akkor nő a különbség is a Nap és Föld legkisebb és legnagyobb távolsága között. Jelenleg a Földön a déli félgömb telén távolodik el legjobban a Naptól, ennek következtében ott a tél valamivel hidegebb, a nyár viszont valamivel melegebb, mint az északi félgömbön.

6. ábra. Milutin Milanković

A harmadik összetevő a precesszió, vagyis a földtengelynek a Nap és a Hold forgatónyomatékának hatására bekövetkező elmozdulása. A forgástengely 23 000 év alatt ír le egy teljes kört a csillagokhoz képest. A precesszió határozza meg, hogy egy adott félgömbön a nyár a földpálya napközeli vagy naptávoli pontjára esik-e, vagyis, hogy a Föld éghajlatának a tengelyferdesége miatti évszakosságot erősíti vagy gyengíti-e a pálya excentricitása. Ha az évszakok váltakozásának e két meghatározója (a tengelyferdeség és a pályaexcentricitás) az egyik félgömbön szinkronban van egymással, akkor az ellentétes félgömbön aszinkronban kell lennie. Tehát a két pólus térségére vetítve az eljegesedési ciklusok ellentétesek.

A szerb tudós megvizsgálta, hogy az északi póluson miért nincs összefüggő szárazulat, mint például a déli féltekén, az Antarktisz esetében. Az Eötvös Loránd által felfedezett sarki taszítóerőt felhasználva, kiszámolta, hogy Eurázsia vagy Észak-Amerika mekkora erővel mozdult el az Egyenlítő irányába (1933). Milanković az iménti képletet felhasználva az alábbi értékeket kapta:

zo = 2,5 km,
R = 6371 km,
ge = 9,78046 ms-2
gp = 9,83232 ms-2.

Így a sarki taszítóerő (Smax) 1/241000 (alapjában véve a sarki erő rendkívül kicsi a nehézségi erőhöz képest). Eredményként azt kapta, hogy 300 millió évvel ezelőtt az Északi-sark Amerika legészakibb pontjáról áthelyeződött a szibériai Pechora folyó torkolatához (65° 16´ É, 49° 34´K). Milanković eredményeit Bilimović megvizsgálta, majd meg is erősítette ezeket, ám csak a későbbi kutatások mutatták meg Milanković számításainak hibáját (Prey, 1940).

A kontinensvándorlás fizikája

Azt az eredményt kapta, hogy az Eötvös-féle sarki taszítóerő (ami lényegében nem más, mint a Föld forgásából eredő centrifugális erőnek az Egyenlítő felé mutató, a földfelszínnel párhuzamos, azaz vízszintes komponense, ha a Földet gömb alakúnak tekintjük) – és az általa keltett Coriolis-erő egy nagyon csekély erőhatást indukál, ami a kontinentális táblákat az Egyenlítő felé lökdösi, valamint K-Ny-i irányba (ez magyarázatot adna Wegener „drift” elméletére is), felhasználásával pedig sikerült volna választ kapni a Gondwana és a Laurázsia, majd a Pangea szuperkontinens kialakulására.

A geológia fejlődése révén ma már tudjuk, valójában nincs jelentősége az Eötvös-féle sarki taszítóerőnek, hiszen a kontinensek nem önmagukban, hanem a litoszféralemezekkel együtt mozognak e taszítóerőnél sokkal nagyobb erőt képviselő asztenoszférikus mélyáramlások hatására. A litoszféralemezek teljesen lefedik a Föld felszínét, ezért lehetetlen lenne az Egyenlítő felé való mozgás.

HÁGEN ANDRÁS

IRODALOM


Balkay B. 1979: Egyed László és a tektonika. – Földtani tudománytörténeti évkönyv 8. sz. pp. 165-181.
Berg, L. Sz. 1953: Éghajlat és élet. – Akadémiai Kiadó, Budapest, 528 p.
Bilimović, A. 1934: Sur la rotation de la Terre qui est assimilee a un systeme avec six degres de liberte. Glas de l’Ac. R. Serbe, 80, 155. Beograd 1934 u. a. Abh.
Dobosi Z. 1973: Eljegesedések kifejlődése az új globális tektonika alapján. – Geonómia és bányászat. 6, 1-4.
Egyed L. 1956: A Föld méreteinek változása a paleogeográfiai adatok alapján. – Földtani Közlöny, 86, pp. 120-126.
Egyed L. 1959: Zsugorodás, tágulás, vagy magmaáramlások? – Földrajzi Közlemények, 1959/1, 1-20.
Eötvös, R. v. 1913: Verh. d. 17. Allg. Konf. d. Intern. Erdmessung, I. Teil.
Horváth G. 1988: Az Eötvös-féle „sarki taszítóerő” a wegeneri kontinensvándorlás tükrében. – Fizikai Szemle. 31-34.
Jardetzky, W. 1948: Bewegungsmechanismus der Erdkuste. – Denkschriften Öst.Akademie d.Wiss. BD 108. 1-38.
Jeffreys, H. 1924: The Earth, Its Origin, History and Physical Constitution. – Cambridge University Press.
Köppen, W. 1921: Ursachen und Wirkungen der Kontinentverschiebungen und Polwanderungen.- Petermanns Geograph. Mitteilungen 67: 145-149, 191-194.
Milanković, M. 1933: Säkulare Polverlagerungen. – Handbuch der Geophysik, Bd 1, Lieferung 2, Abschnitt VII. Hrsg von Beno Gutenberg, Berlin, Gebrüder Borntraeger, 438.
Prey, A. 1940: Über Polschwankungen und Polwanderungen. – Gerl. B. 56. 155.
Szádeczky-Kardoss E. 1973: Szublitorális gőzpáramagmatizmus és klímaingadozás. – Geonómia és bányászat. 6, 163-169.
Wegener, A. 1915: Die Entstehung der Kontinente und Ozeane. – Friedrich Vieweg & Sohn, Braunschweig. 381.

Természet Világa