Trục nghiêng Trái Đất và nguyên nhân hình thành các mùa trong năm

Hầu hết con người sống ở khu vực vĩ tuyến ở giữa. Vào những khoảng thời gian khác nhau trong năm, ánh sáng Mặt Trời chiếu vào mỗi khu vực sẽ khác nhau, tạo nên hiện tượng thời tiết mà ta gọi là mùa (season). Càng di chuyển rộng theo trục bắc năm thì ta càng cảm nhận sự thay đổi rõ rệt của mùa. Mùa ở Bán Cầu Nam sẽ trái ngược với Bán Cầu Bắc. Vậy thì có thể chúng ta sẽ tự hỏi, mùa do đâu mà có?

Nhiều người tin rằng hiện tượng mùa là do Trái Đất thay đổi khoảng cách với Mặt Trời. Nghe có vẻ hợp lý: nếu Trái Đất đi xa khỏi Mặt Trời thì sẽ lạnh, tiến gần thì sẽ nóng. Nhưng thực tế không phải như vậy. Tuy Trái Đất xoay quanh Mặt Trời theo quỹ đạo hình elipse, nhưng khoảng cách của nó thay đổi không đáng kể, chỉ 3%, không đủ để tạo ra sự khác biệt quá lớn về lượng nhiệt tiếp nhận từ Mặt Trời. Ta biết rằng tháng Một Trái Đất sẽ gần Mặt Trời nhất, nhưng khi đó Bán Cầu Bắc đang ở giữa mùa Đông. Và nếu khoảng cách là nguyên nhân, thì tại sao mùa ở hai bán cầu lại trái ngược nhau? Như chúng ta sẽ thấy hiện tượng mùa xảy ra là do trục Trái Đất nghiêng 23.5^O.

Các bài trước:
Xác định vị trí trên Trái Đất và trên Bầu Trời như thế nào?
Hải Vương tinh được khám phá thế nào nhờ lực hấp dẫn?
Các phi thuyền và vệ tinh được điều khiển thế nào?

Hiện tượng mùa và ánh sáng Mặt Trời

Hình bên dưới minh họa một vòng Trái Đất xoay quanh Mặt Trời, với trục nghiêng 23.5^O. Để ý thấy trục Trái Đất luôn chỉ cùng một hướng bất kể thời gian nào trong năm. Khi Trái Đất di chuyển quanh Mặt Trời, vào tháng Sáu, Bắc Bán Cầu sẽ nghiêng về phía Mặt Trời, và nhận nhiều ánh sáng hơn. Đến tháng 12, tình hình sẽ đảo ngược, Bán Cầu Nam hướng về phía Mặt Trời, còn Bán Cầu Bắc hướng ra xa. Vào tháng Chín và tháng Ba, Trái Đất nghiêng sang một bên, không phải về phía Mặt Trời mà cũng không phải nghiêng ra xa, vậy nên hai bán cầu nhận được lượng ánh sáng như nhau.

Vậy thì Mặt Trời tác động thế nào đến chúng ta? Có hai tác động chính mà chúng ta cần quan tâm. Khi Trái Đất nghiêng về phía Mặt Trời, ánh sáng sẽ chiếu thẳng lên bề mặt, nên hiển nhiên bề mặt sẽ tiếp nhận được lượng nhiệt lớn hơn. Cũng giống như khi bạn chiếu đèn pin lên tường, nếu chiếu thẳng góc thì sẽ sáng hơn nhiều nếu bạn chiếu nghiêng. Vào tháng Sáu, ánh sáng Mặt Trời chiếu thẳng vào Bắc Bán Cầu, nên vùng này sẽ nhận được nhiều nhiệt hơn.

Tác động thứ hai là thời gian Mặt Trời nằm trên đường chân trời. Dù không quan tâm thiên văn học thì hẳn bạn cũng có thấy rõ rằng vào mùa hè thời gian ban ngày dài hơn mùa đông. Ở Việt Nam ta có câu đêm tháng Năm chưa nằm đã sáng, ngày tháng Mười chưa cười đã tối là vì vậy. Ta hãy xem thử coi tại sao lại như vậy?

Trong bài Sự khai sinh của thiên văn học hiện đại, chúng ta đã nói rằng khi Trái Đất xoay quanh Mặt Trời trong vòng một năm thì ta có cảm tưởng rằng chính Mặt Trời đang xoay quanh Trái Đất (và hành trình của Mặt Trời ta gọi là Hoàng Đạo). Vì trục Trái Đất nghiêng nên mặt phẳng hoàng đạo cũng nghiêng một góc 23.5^O so với thiên xích đạo (Đường xích đạo của thiên cầu). Kết quả là ta sẽ thấy thời gian ban ngày ban đêm thay đổi ngắn dài tùy thời gian trong năm.

Vào thắng Sáu, Mặt Trời nằm phía trên thiên xích đạo, nên người ở Bắc Bán Cầu sẽ thấy ngày dài hơn. Ở Mỹ, ban ngày dài tới 15 tiếng đồng hồ. Vậy thì, Mặt Trời không chỉ chiếu ánh sáng vuông góc lên bề mặt Trái Đất, mà thời gian chiếu còn kéo dài hơn. Vậy nên, vào tháng Sáu, Bắc Bán Cầu sẽ nhận được nhiệt nhiều hơn, còn Nam Bán Cầu nhận được nhiệt ít lại. Vì khi ngày ở Bắc Bán Cầu dài thì ở Nam Bán Cầu sẽ ngắn. Chẳng hạn ở Chile, tháng Sáu trời rất lạnh, đêm rất dài. Đến tháng 12, thứ tự sẽ đảo lại.

Ta hãy xem thử ánh sáng Mặt Trời thay đổi thế nào vào từng thời điểm cụ thể trong năm, khi hai tác động vừa nói trên đạt mức cực đại. Khoảng thời gian 21/6 hàng năm (thời điểm này người ở Bắc Bán Cầu gọi là Hạ chí, tức là ngày đầu tiên của mùa Hè), Mặt Trời sẽ chiếu vuông góc lên bề mặt Trái Đất ở BBC. Nó xuất hiện khoảng 23^O phía trên xích đạo, và vì thế, vào ngày này, nó sẽ đi qua thiên đỉnh ở những nơi nằm trên vĩ tuyến 23^O của Trái Đất. Hình bên dưới miêu tả cụ thể tình huống này. Đối với một người đứng ở vĩ độ 23^O Bắc (chẳng hạn như Hawaii) thì Mặt Trời sẽ nằm chính giữa đỉnh đầu vào buổi trưa. Vĩ độ mà ở đó Mặt Trời nằm ngay trên đỉnh đầu vào buổi trưa của ngày hạ chí được gọi là Hạ Chí Tuyến (Tropic of Cancer).

Cũng trong hình dưới, ta thấy ánh sáng Mặt Trời chiếu lên toàn bộ vùng Bắc Vực vào ngày Hạ Chí ngày. Vì Trái Đất nghiêng nên Bắc Cực sẽ được chiếu sáng liên tục. Tất cả những nơi trong phạm vị 23^O của cực sẽ có ngày dài 24 tiếng. Vĩ tuyến 67^O Bắc là vĩ tuyến thấp nhất mà ở đó Mặt Trời không bao giờ lặn (24/24 trên đường chân trời), và vĩ tuyến này tạo thành cái gọi là Vòng Bắc Cực (Artic Circle) như hình dưới.

Các nền văn hóa sơ khai thường tổ chức lễ hội vào ngày hạ chí, ngày dài nhất trong năm, để cảm tạ thần linh đã ban cho con người hơi ấm. Để tính được ngày hạ chí thì họ phải theo dõi độ dài một ngày, và quan sát độ dịch chuyển của Mặt Trời về hướng bắc để biết đúng thời điểm tổ chức lễ hội. (Bạn cũng có thể quan sát giống họ bằng cách theo dõi trong nhiều tuần vị trí mọc và lặn của Mặt Trời. Vào mùa Xuân, Mặt Trời sẽ mọc mỗi ngày một xa hơn về hướng bắc của phía đông, còn lặn về hướng bắc của phía tây, đạt đến cực điểm vào khoảng ngày hạ chí.)

Xem lại Nam Cực trong hình trên. Vào ngày 21/6, tất cả mọi điểm trong phạm vi 23^O của Nam Cực – gọi là Vòng Nam Cực – cả ngày sẽ không nhìn thấy Mặt Trời.

Tình huống sẽ đảo ngược về phía Bắc Cực sau 6 tháng, tức khoảng ngày 21/12 (gọi là ngày đông chí, tức ngày đầu tiên của mùa đông Bắc Bán Cầu), như trong hình bên dưới. Lúc này, ban đêm ở Vòng Bắc Cực kéo dài 24 tiếng, còn ở Vòng Nam Cực ban ngày 24 tiếng. Ở vĩ tuyến 23^O, gọi là Chí Tuyến Nam (Tropic of Capricorn), Mặt Trời sẽ đi qua thiên đỉnh vào giữa trưa. Ngày sẽ dài hơn ở Nam Bán Cầu, ngắn hơn ở Bắc Bán Cầu. Tại Mỹ và châu Âu, ngày chỉ dài khoảng 9 đến 10h. Ở Bắc Bán Cầu là mùa động, còn ở NBC là mùa hè.

Các nền văn hóa phát triển về phía bắc xích đạo có một lễ hội cử hành vào ngày 21/12 để giúp đỡ người dân đối phó với áp lực thiếu ánh mặt trời, và nhiệt độ lạnh đến mức nguy hiểm. Ban đầu thì người ta thường sum họp với gia đình và bạn bè vào thời gian này, để chia sẻ đồ ăn thức uống. Một số nền văn hóa còn chế tạo những công cụ dự báo thời điểm ngày ngắn nhất trong năm. Di tích Stonehenge ở Anh là một công cụ như thế, được chế tạo từ rất lâu trước khi chữ viết ra đời. Hiện nay vẫn còn nhiều lễ hội có nguồn gốc xa xưa được cử hành vào ngày đông chí.

Nằm chính giữa hai điểm chí, khoảng ngày 21/3 và 21/9, Mặt Trời sẽ nằm trên đường thiên xích đạo (celestial equator). Lúc này mọi nơi trên Trái Đất sẽ cân bằng giữa ngày và đêm. Ở những điểm mà Mặt Trời băng qua thiên xích đạo được gọi là Xuân Phân (vernal) và Thu phân (equinoxes).