Hold lávamezőkkel és lézertükrökkel

A szakemberek értetlenül állnak a Hold két oldalának a különbözősége előtt. Az általunk jól ismert oldal felszíne helyenként sötétebbnek látszik, ami a hatalmas ősi lávamezők eredménye. Ezzel szemben a túlsó oldalt világos területek, és meteoritok okozta kráterek borítják, lávamezők azonban nincsenek.

A Holdnak a Föld felé mutató oldalát már jól ismeri az emberiség, míg a másik oldalról csak 1959-ben készültek az első fényképek,

és ezáltal egy több, mint hat évtizedes rejtély fogalmazódott meg, ugyanis megdöbbentő a Hold két oldala közötti különbség, a teljes aszimmetrikusság.

A túlsó oldalon nincsenek ,,tengernek” nevezett nagy kiterjedésű sötét foltok, az egész felszín jobban tele van szórva kráterekkel, a felületét becsapódási kráterek és medencék dominálják. A felénk mutató oldalon nagy kiterjedésű, sima, sötét területek a jellemzőek.

Szakemberek szerint a Hold felénk eső oldalát mintegy 4 milliárd éve magmatenger borította, amely lehűlve elsimította a sziklás tájat, létrehozva a ma látható óriási sötét foltokat. Adódik a kérdés, hogy miért volt vulkántevékenység a Hold közelebbi oldalán, és miért hiányzott az égitest külső felén?

A vulkáni tevékenységet kiváltó okok még vita tárgyát képezik, ellenben az, hogy miért csak a Föld felé mutató Holdrészen van lávamezőkről tanúskodó vulkanikus tevékenység, azt a Nap és a Föld tömegvonzásának szinkronhatásaként magyaráznám.

A Hold, a Föld és a Nap keringési rendszeréből két pozíciót emelek ki: az Újhold és a Telihold két különleges helyzet. Az Újhold pozícióban a Föld, Hold és Nap (ebben a sorrendben) egy vonalban vannak, míg a Telihold pozícióban a Hold, Föld és Nap (ebben a sorrendben) vannak egy vonalban.

Vegyük először az Újhold pozíciót: képzeljünk el egy egyenest, amely a Föld középpontjából indul, áthalad a Hold középpontján, és eljut a Nap középpontjáig. A Hold felszínét a Föld felőli oldalon A pontban metszi, míg a Hold túlsó oldalát B pontban. Az A és B pontokban ható gravitációs erők a Föld és a Nap részéről származnak.

A Föld és a Nap vonzása ellentétes irányból hatnak, mert a Hold két ellentétes oldalon található.

A két vonzó erő eredője az A pontban 237 EN (Exa tíz a tizennyolcadik hatványon). Hasonló meggondolás alapján a B pontban az eredő erő 241 EN, mivel egy Holdátmerőnyivel közelebb van a Naphoz és távolabb a Földtől.

Végezzük el ugyanezeket a számításokat az A* és B* pontokban a Hold másik különleges pozíciójában Teliholdkor. Az A* pont a Föld felé mutat, a B* pont pedig a Hold túlsó oldalán van. Teliholdkor a Nap gravitációja párhuzamosan a Föld felé hat olyan irányba, mint a Föld tömegvonzása. Az eredő erő A* pontban 633 EN, míg a B* pontban 629 EN. Látható, hogy az A*pontban 5,11 százalékkal nőttek az eredő gravitációs erői, mert párhuzamosan hat a Nap és a Föld. A Hold minden Föld körüli keringése esetén Teliholdkor éri el az 5,11%-os plusz erőmaximumot a Föld felé mutató oldalon, míg a túlsó oldalon ható eredő erők kevésbé változnak. Vagyis a Föld felőli oldalra egy Holdhónap elteltével periodikusan nagyobb eredő erők hatnak Teliholdkor. Ezek lényegében árapályerők: nincs víz, amit mozgathatnának, de a szilárd kéregfelszínre is pont úgy hatnak.

A dagály-apály erők a Hold felszínét lazítják. Ezelőtt 3,9 milliárd évvel a kéreg lazulásain (akár kapillárisain) a vulkanikus aktivitás következményeként előjött a láva.

A Hold túlsó oldalán nem hatnak nagy eredő gravitációs erők és nem voltak kőzetlazulások. A Hold Föld felőli oldalán a meglazult kérgen keresztül előtort a láva, vagyis kialakultak a lávamezők. Ellenben a túlsó oldal felszíne nem lazult meg és ezért nem tudott kitörni a láva. Szerintem így lehet megmagyarázni a Hold Föld felőli oldalán levő lávamezők jelenlétét és a túlsó oldalon ezek teljes hiányát. Ez a két Holdoldal geológiai aszimmetriájának magyarázata az első Hold rejtély megoldása.

A Hold felszínén elhelyezett lézertükrök valójában olyan hármasszögletekből (prizmákból) állnak, amelyek lényeges tulajdonsága, hogy a beeső fényhullám – jelen esetben egy földi obszervatóriumból küldött lézerimpulzus – pontosan a beesési irányával ellentétesen és párhuzamosan verődik vissza. Így a rájuk irányított lézersugarat ugyanabban az obszervatóriumból képesek venni, mint ahonnan küldték. A jelek oda-vissza történő futamidejéből kiszámítható a Hold aktuális távolsága a Földtől, ami 384 400 km.

Az Apollo 11 űrhajósai nagyjából a Föld irányára merőlegesen beállított lézertükrei a visszatükrözés (retroreflexió) jelenségét kihasználva módot ad a Hold Földtől való távolságának pontos mérésére. A Holdnak a Földtől való távolodásának üteme jelenleg kb. 3,8 cm/év. A Hold felszínén összesen 8 többé-kevésbé használható visszaverő lézertükör van, amelyekkel már néhány mm-es pontossággal lehet távolságméréseket végezni.

Nagy kérdés, hogy ezek a tükrök meddig maradnak használhatóak?

A szakemberek az utóbbi években észrevették, hogy a lézertükrök hatékonysága folyamatosan romlik. A kutatók azt feltételezik, hogy a tükrökre finom por rakodott, ami a fényvisszaverő képességüket gyengíti.

Ha tudjuk, hogy a Holdnak nincs légköre és nem fúj a szél, akkor honnan kerül por a tükrökre? Ez a feltételezés tehát megkérdőjelezhető.

Van egy másik, időnként visszatérő jelenség is, ami nagyságrenddel ront a helyzeten. A kutatók azt feltételezték, hogy ezért a lézertükröket érő hőhatás a felelős. Az elképzelés ellenőrzésére jó alkalmat kínál egy holdfogyatkozás. Ilyenkor a Hold, és vele együtt a felszínen lévő lézertükrök pár órára a Föld árnyékába kerülnek. Ahogy várták, 5 lézertükörnél a 8-ból a visszaverődés hatékonysága javult a holdfogyatkozás idejére, és kettőnél romlott.

A hőhatás feltételezése is vitatott kérdés, mert a tükrök üvegből vannak és általában nem melegszenek, csak esetleg az őket fenntartó, alátámasztó szerkezet, a doboz, amelyekben helyet foglalnak. De ez jelentéktelen hőhatást jelent.

Az orosz tükrök leromlott viselkedése egy olyan Holdrejtély, aminek magyarázata lehet, hogy a gravitációs eredő erők egy kicsit mozgatják a Hold felszínét, nagyobb mértékben Teliholdkor és kisebb mértékben Újholdkor.

Ahogy telik az idő, ezek a mozgások egyre jobban kimozdítják a tükröket eredeti jól beállított helyzetükből, és így egyre több lesz a diffúz, szórt, visszavert fény, és romlik a lézertükör működési hatékonysága. Mivel a legjobb minőségű síktükrök is csak a fény 95-97 százalékát verik vissza, ezért a fény visszatükrözéséhez a teljes fényvisszaverődést kihasználó hármasszögletet (prizmát) használják. Ez egy átlátszó, jó minőségű üvegből készült optikai eszköz. Alakja általában szabályos háromszög alakú gúla, amelynek oldallapjai egyenlő oldalú derékszögű háromszögek.

A hármasszöglet alaplapjára megközelítőleg merőlegesen beeső fénysugár két oldallapon 90 fokos, és még egyszer 90 fokos teljes visszaverődés során a beeső sugárhoz viszonyítva 180 fokosan az eredeti fénysugárral párhuzamosan és ellentétes irányban verődik vissza a fényforrás felé.

Az Apollo 11 űrhajósai olyan lézertükröt vittek magukkal a Holdra, amely négyzetes elrendeződésben – egy négyzet alapú dobozban –100 darab hármasszögletet( prizmát) tartalmazott.

Ezt a Hold felszínén úgy helyezték el, hogy a lézertükör nagyjából a Föld felé nézzen. A Földről a lézertükörre bocsátott lézerfényt a hármasszögletek a kibocsátás helye felé verik vissza. Az optimális működés feltétele, hogy a beeső fény a prizma alaplapjára merőlegesen essen be. Ha pár fokos eltérés van a merőlegestől, akkor más felé fog visszaverődni a fénysugár.

Később az Apollo 14 és Apollo 15 űrhajósai is elhelyeztek egy-egy hasonló lézertükröt a Holdon. Az első űrhajó lézertükre szinten 100 darab hármasszögletet tartalmazott négyzetes elrendezésben, az Apollo 15 űrhajósai tükre viszont már 300 darab hatszöges elrendezésben elhelyezett hármasszögletből állt. Ezek a passzív eszközök (működésükhöz nincs szükség energiára) sok év óta folyamatosan működőkepések, de egyre gyengébb minőségben.

A velük végzett mérések alapján tudjuk, hogy a Hold évente 3,8 cm-rel távolabb kerül a Földtől. Egyértelmű, hogy sem a porlerakodás, sem a hőhatás nem magyarázza a második Hold-rejtélyt. Az én magyarázatom az, hogy a gravitációs erők hatására a Holdfelszín periodikusan mozog és vele együtt a lézertükrök is. Javasolnám, hogy olyan automatikus berendezést szereljenek a következő elhelyezendő lézertükör dobozába – az alátámasztó konzoljára –, amely kompenzálná a kis kitéréseket, mert a lézertükör a Holdfelszínnel együtt mozog.

A folyamatos korrigálással megtartható lenne az eredeti beállítás. Az Apollo űrhajósai jól beállítva helyezték a Hold felszínére a lézertükröket, amelyek eleinte kifogástalanul működtek. Az utóbbi időkben 20-30 százalékra romlott le a hatékonyságuk, és ezek szerint a jövőben még tovább csökken, míg teljesen használhatatlanná nem válnak. Az orosz lézertükrök már hamarabb rendetlenkedtek és mostanra már használhatatlanokká váltak.

Mi a különbség az amerikai, és Lunokhod 1 és Lunokhod 2 által telepített lézertükrök között? Az Apollo programban űrhajósok voltak a Holdon és a Hold felszínére helyezték a lézertükröket jól beállítva, míg a Lunokhod-missziókban robotok voltak űrhajósok nélkül: a holdjárók csomagterében, és nem a Hold felszínére helyezték el a lézertükröket. A rovereken napelemek is vannak, így esetleg elektromos árammal hozhatják működésbe őket, hogy jó beállítást érjenek el a roverek mozgatása által.

A Hold felszínének vibrálásai nemcsak az amerikai lézertükröket mozgatja meg, hanem a holdjárókon az orosz lézertükröket is.

A NASA-rovereknek gumitömlős kerekük van, alumíniumból készültek, a benne levő levegő nyomása a hőmérséklet ingadozásától függ. Nappal a Holdon +130 C, míg éjjel -170 C fok van. A 300 C fokos hőingadozás óriási: nappal a roverkerék nagy nyomású és kemény, éjjel pedig kis nyomású és puha. A kemény kerék átadja a rovernek a Hold felszínének a vibrálását és a lézertükrök kimozdulnak a beállítási helyzetükből. Ezzel szemben a puha kerék tompítja a vibrálás átadását és a lézertükör jól működik. Az amerikai tükrökre a hőhatás nem jellemző, az orosz tükrök viselkedését viszont látták Holdfogyatkozáskor, amikor napfényben nem működtek.

A roverek futóművei szinte azonosak, rugós szerkezetek. Mindkét típusú holdjáró rendelkezett rugós futóművel, ami segített a Holdfelszín terepviszonyaihoz való alkalmazkodáshoz. A rugók és kerekek szilárdsága meghatározó a Holdfelszín vibrálásának átadásában és a lézertükör mozgatásában.

Az orosz lézertükrök a holdjárók csomagterében voltak elrendezve és a Föld felé beállítva. A vibrálás átadása a roveren keresztül – a Hold felszínétől a lézertükrökig a működés szempontjából – nagyon jelentős.

Nappal a rugók megpuhulnak és a rover tompítja a vibrálás átadását, mert melegben a futómű sokkal rugalmasabb. Éjjel a hideg megkeményíti a futómű rugóit és a rezgések jobban átadódnak, ezáltal a lézertükör rosszabbul működik. Vagyis holdfogyatkozásnál 2-3 órán keresztül az orosz holdjárók jobban átadták a Hold felszínének vibrálását Teliholdkor a lézertükröknek, amelyek szinte használhatatlanokká váltak. A nappali fényben a tükrök még elég jól működtek, de sötétben szinte kikapcsolták őket.

A Hold felszínére az alábbi missziók helyeztek el lézertükröket: Apollo 11 egyet, Apollo 14 egyet, Apollo 15 kettőt, Apollo 16 egyet és Apollo 17 egyet, közvetlenül a felszínen tehát 6 darab található. Holdjáróra szerelt lézertükör a Lunokhod 1 és a Lunokhod 2 részéről kettő van, tehát összesen 8 darab lézertükör található a Holdon.

A holdfogyatkozáskor tett megfigyelések megmutatták a lézertükrök változatos működését és bebizonyították a hőhatást. Leginkább a roverekre szerelt lézertükrökre volt nagy hatással a hőmérséklet-ingadozás. A két orosz lézertükör szinte használhatatlanná vált a Föld árnyékában. A hat amerikai lézertükörre nem hatott olyan nagyon a hőhatás és még mindig 20-30 százalékos hatékonysággal működnek, de nem lehet tudni, hogy meddig.

Pálfi János

A szerző nyugalmazott aradi fizikus