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.
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.
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”.
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.
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.
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.
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.
A cikk a Természet Világa 2019. novemberi számában (150. évf. 11. sz.) jelent meg.
