Holdfázisok, holdfogyatkozások és az árapály

A Hold Földünk kísérője. Földközelben 354 ezer km-re, földtávolban 404 ezer km-re, átlagosan pedig 384 ezer km-re van bolygónktól. A Földet 27,3 nap alatt kerüli meg. Keringésének időtartama pontosan egybeesik tengelyforgásának időtartamával, azaz mindig ugyanazt az oldalát fordítja a Föld felé, ezt nevezik kötött tengelyforgásnak. (A kötött tengelyforgás természetesen csak a Földre vonatkoztatva igaz.) A Hold felszínén ugyanúgy váltakoznak a nappalok és az éjszakák, mint bolygónkon, de egy holdi nap hosszabb az előbb említett 27,3 napos időtartamnál. Ennek oka, hogy a Föld kering a Nap körül, így változik a Nap csillagokhoz viszonyított helyzete. A Holdnak kicsit tovább kell haladnia pályáján, hogy ezt az elmozdulást kompenzálja, és a Nap ismét arról az adott holdrajzi pontról deleljen – ehhez 2,2 nap kell. Egy holdi nap időtartama így 29,5 nap, és ennek megfelelően figyelhetjük meg periodikus fényváltozását.

A holdfázisok kialakulása a Nap, a Hold és a Föld egymáshoz viszonyított relatív helyzetétől függ. A Nap állandóan ugyanakkora részét világítja meg égi kísérőnknek, a fázis nagyságát az határozza meg, hogy mi mekkora hányadát látjuk ennek. Amikor Holdunk, a Földről nézve a Nap közelében tartózkodik, megvilágított részét nem láthatjuk, ekkor van újhold. Az esti láthatósága során napsütötte részéből egyre többet figyelhetünk meg, és amikor ennek fele válik láthatóvá, elérkezünk az első negyedhez. teliholdkor a teljes megvilágított félgömböt láthatjuk, utolsó negyedkor, hajnalban pedig ismét csak a felét. Amikor a Hold relatíve közel látszik a Naphoz (első negyed előtt, utolsó negyed után), árnyékos oldalán megfigyelhetjük a Föld légköréről a Holdra vetülő, majd onnan ismét visszaverődő fényt, ezt nevezik hamuszürke fénynek.

A Föld és a Hold is – mint minden átlátszatlan test – árnyékot vet a Nap fényében. Amikor a Hold árnyéka a Föld felszínére vetül, napfogyatkozásról, amikor a Föld árnyéka a Hold felszínére, holdfogyatkozásról beszélünk. A Hold kb. 400-szor közelebb van a Földhöz, mint a Nap, de kb. 400-szor kisebb is annál. Ennek következtében nagyjából azonos méretű korongnak látjuk mindkét égitestet.

Napfogyatkozás csak újholdkor következik be. Annak magyarázata, hogy miért nincs napfogyatkozás minden újhold alkalmával, a Hold pályájának a Földéhez viszonyított helyzetében keresendő. A Hold pályasíkja 5 fokkal hajlik az ekliptikához, így csak akkor lehet fogyatkozás, amikor a Hold ennek a két pályasíknak valamelyik metszéspontjában vagy annak közelében tartózkodik. A Hold természetesen havonta kétszer áthalad ezeken a pontokon, ez azonban ritkán esik egybe az újholddal vagy a teliholddal. Amennyiben újholdkor ér a csomópontba, napfogyatkozás van. Ha a Hold teljesen eltakarja a napkorongot, akkor teljes napfogyatkozás következik be. Mivel a Hold kis égitest, ezért árnyékkúpja csak kis területre vetül a Föld felszínén. Teljes napfogyatkozás így mindig csak egy szűk sávból látható. A legkedvezőbb esetben egy adott ponton a teljes napfogyatkozás maximális időtartama 7,5 perc. A teljes fogyatkozás zónáján kívül széles sávban részleges a fogyatkozás, itt a Hold nem takarja el az egész napkorongot. Amikor a Hold földtávolban, a Föld pedig napközelben van, a Nap látszólagos átmérője nagyobb a Holdénál. Ekkor a Hold nem tudja eltakarni a teljes napkorongot és ilyenkor következik be gyűrűs napfogyatkozás, maximális időtartama 12,5 perc. Teljes fogyatkozás alkalmával a nappali égen feltűnnek a fényesebb csillagok és bolygók, valamint megfigyelhetővé válik a napkorona.
A Föld árnyékkúpjának csúcsa elméletileg átlagosan 217 földsugárnyira terjed, a Hold átlagosan 60 földsugár távolságban kering. A Föld azonban légkörrel rendelkezik, így a Nap sugarait megtöri. Emiatt a teljes árnyék kúpja lerövidül, és közelebb kerül a Hold távolságánál, így az a valóságban soha sem éri el égi kísérőnket. A légkör által szórt fény nagysága és színe a légkör állapotától függ, így a holdfogyatkozások alkalmával több-kevesebb fényt kap égi kísérőnk, aminek következtében általában sötétvörös színben dereng. Teljes a fogyatkozás, ha a Hold teljes terjedelmében az árnyékkúpba merül. (Centrálisnak nevezzük, amennyiben a Hold az árnyékkúp tengelyén halad át, ekkor a fogyatkozás mindig teljes.) Részleges a fogyatkozás, ha a Hold nem pontosan a csomóponton halad át holdtöltekor, így csak részben merül bele bolygónk árnyékába.

Az égitestek egymásra kifejtett gravitációs hatása következtében tapasztalható – többek között – az árapály jelensége is. A Földön legerősebben a Hold és a Nap hatása érvényesül. Az általános tömegvonzás törvénye értelmében a vonzóerő a távolság négyzetével fordított arányban áll. A Hold így nagyobb erővel húzza maga felé bolygónknak a hozzá közelebb eső részét, mint a távolabbit: azaz a Földnek a Hold felőli oldala enyhén kidudorodik. A Föld a Föld-Hold rendszer tömegközéppontja körül kering, amely bolygónk belsejében található. Emiatt a Holddal ellentétes oldalon centrifugális erő lép fel, ez az átellenben lévő oldalon hoz létre dagályt. Ugyanilyen hatást fejt ki a Nap is, ennek mértéke azonban kisebb – a Hold kis tömegét ugyanis ellensúlyozza közelsége. A Hold és a Nap által a Földre kifejtett árapály torzulás egymásra rakódik, erősítik vagy gyengítik egymást. Újhold és telihold környékén, a Hold által keltett dagálykúp a Nap által létrehozottal egybeesik, ekkor éri el az árhullám maximális méretét, ez a szökőár. Első vagy utolsó negyed környékén pedig gyengítik egymás hatását, ezt nevezik vakárnak. Bolygónk a tengelyforgás következtében elfordul a dagály kúpok alatt, így egy adott földrajzi ponton egy nap folyamán majdnem két alkalommal figyelhető meg apály és dagály. A valóságban 24 óra 50 perc alatt zajlik le két dagály és két apály. Ennek oka, hogy amíg a Föld egyszer megfordul tengelye körül, a Hold kissé tovább mozog pályáján, amit bolygónknak kompenzálnia kell. (24 óra 50 perc a Hold két delelése közötti időtartam.) A jelenség következtében a szilárd kéregben létrejövő apály és dagály hullámok magasságkülönbsége centiméteres, a folyékony vízburokban méteres nagyságrendű. A Föld, tengelyforgása során megpróbálja "magával húzni" a dagálykúpot, amelyet a Hold nem enged. Mivel a Föld folyamatosan elfordul a dagálykúp alatt, súrlódás lép fel, ami bolygónk tengelyforgását lassítja, és a Hold pályájának sugarát fokozatosan növeli.