Ai cũng biết rằng một ngày (một chu kỳ tự quay quanh trục của hành tinh) trên Trái Đất dài 24 giờ. Tuy nhiên, không phải ai cũng biết rằng thời gian của mỗi ngày là không đều nhau chằn chặn, dù khác biệt thời gian là khó nhận ra.
Qua từng thập kỷ, từng mùa và thậm chí là qua từng ngày, thời gian của mỗi ngày đều có biến động do tốc độ quay của Trái Đất nhanh lên hoặc chậm đi, thêm vào hoặc bớt đi một vài phần mili giây vào khoảng thời gian đúng nghĩa của 1 ngày là 24 giờ.
Ngoài ảnh hưởng của việc tự quay quanh trục, những sự sai khác về thời gian ngày này còn bị ảnh hưởng bởi các tảng băng cổ, gió mạnh và động lực học của tâm Trái Đất.
Nhưng có vài ngày đặc biệt khi mà khác biệt sẽ trở nên rất lớn. Lấy ví dụ như ngày 29/6/2022, có thời gian ngắn hơn 24 giờ tới 1,59 mili giây, là ngày ngắn nhất được ghi lại trong lịch sử. Với giới khoa học hành tinh, điều này không có gì bất ngờ.
Tuy nhiên, không phải ai cũng nhận ra rằng trong hơn nửa thế kỷ qua, tốc độ quay của Trái Đất đã tăng dần lên, từ từ cắt bớt một vài phần của 1 mili giây trong thời gian mỗi ngày.
Sự "ăn bớt" trong chu kỳ lớn này của độ dài ngày, các tác động theo mùa đối với vòng quay của Trái Đất và một chút ảnh hưởng từ các hiệu ứng khí hậu hàng ngày như sự thay đổi của gió cộng lại khiến ngày 29/6 trở thành một kỷ lục - tất cả đều nhờ vào việc bảo toàn mômen động lượng.
Lý do đằng sau
Nguyên lý thú vị này trong vật lý là thứ mà nhiều người trong chúng ta hiểu được bằng trực giác. Tưởng tượng bạn đang ngồi quay trên một chiếc ghế xoay văn phòng - hoặc, nếu bạn thích một lựa chọn thể thao hơn, hãy xỏ một đôi giày trượt băng vào và quay một vòng. Khi cánh tay của bạn duỗi ra ngoài, chuyển động quay của bạn sẽ chậm lại. Khi thu cánh tay lại, bạn sẽ quay nhanh hơn.
Mômen động lượng có 3 thành phần: khối lượng của vật quay, tốc độ chuyển động của vật đó và khoảng cách đến điểm nó đang quay xung quanh. Trong trường hợp của ghế văn phòng, khi cánh tay của bạn duỗi ra hoàn toàn, chúng sẽ xa ghế hơn, điều này làm tăng mômen động lượng của phần này của cơ thể bạn.
Giống như khối lượng và năng lượng, mômen động lượng không thể tạo ra từ hư không: Cánh tay dang ra của bạn về cơ bản phải mượn mômen động lượng từ phần còn lại của cơ thể (và cả chiếc ghế). Bạn không thể đột ngột giảm số cân của mình, vì vậy, lựa chọn còn lại duy nhất là giảm tốc độ. Trên quỹ đạo quay của nó xung quanh mặt trời, Trái Đất bị ràng buộc bởi các quy tắc tương tự.
Trái Đất - bao gồm đá rắn bên dưới chân chúng ta, đại dương và khí quyển - liên tục phân phối lại khối lượng và mô men động lượng, có nghĩa là tốc độ quay và độ dài ngày của nó cũng đang điều chỉnh. Nhà trắc địa Jianli Chen của Đại học Bách khoa Hồng Kông cho biết: "Độ dài của ngày là thước đo của (toàn bộ) Trái Đất. Đó không chỉ là một con số. Bạn có thể kể rất nhiều câu chuyện đằng sau nó".
Một trong những yếu tố kiểm soát mạnh mẽ nhất vòng quay của Trái đất trong suốt cả năm - và là nhân tố góp phần vào sự thâm hụt 1,59 phần nghìn giây của ngày 29/6 - là gió, đặc biệt là luồng dòng tia mạnh thổi ở Bắc bán cầu. Sigrid Böhm, nhà trắc địa tại Đại học Vienna, giải thích: "Bất cứ khi nào chúng mạnh hơn, momen động lượng của khí quyển tăng lên và momen động lượng rắn của Trái Đất giảm. Vào mùa đông, Trái Đất quay chậm hơn và vào mùa hè, nó quay nhanh hơn".
Dòng tia là những luồng gió thổi nhanh trong các dòng hẹp nằm ở độ cao đỉnh tầng đối lưu.
Ma sát giữa không khí và đất, do đồi núi gây ra, cho phép khí quyển trao đổi mômen động lượng với đất. Mối liên kết đó giải thích tại sao luồng dòng tia ở Nam bán cầu - nơi thổi chủ yếu qua đại dương - lại không có tác động đáng chú ý như vậy.
Sự lưu thông trong các đại dương gây ra tác động tương tự nhưng nhỏ hơn nhiều đối với sự quay của Trái Đất, và ngay cả những thay đổi ngắn hạn về gió và thời tiết cũng có thể đủ để điều chỉnh độ dài của một ngày bằng một phần mili giây, gây nhiễu các xu hướng hàng năm và thập niên, Chen nói.
Chuyển động từ từ của khối lượng trong phần rắn của Trái Đất cũng tác động đến chuyển động quay của hành tinh. Khoảng 20.000 năm trước, ở đỉnh cao của kỷ băng hà gần đây nhất, những tảng băng khổng lồ, dày hàng km bao phủ phần lớn Bắc bán cầu. Những tảng băng này khổng lồ đến nỗi chúng ép chặt một số phần lớp phủ của hành tinh chúng ta - lớp đá chảy chậm bên dưới lớp vỏ ngoài cùng mà chúng ta gọi là nhà.
Những lớp băng khổng lồ ở kỷ băng hà ép chặt tầng địa chất xuống.
Bây giờ, khi những tảng băng đó đã tan chảy, phần địa chất bên dưới chúng đang bật trở lại rất chậm, đá di chuyển xung quanh và dẫn đến sự rút ngắn có thể dự đoán được về thời lượng ngày qua từng năm.
Nhưng các nhà khoa học nghi ngờ rằng việc ngày ngắn đi mà chúng ta đã thấy kể từ những năm 1960 - đỉnh điểm là kỷ lục vào ngày 29/6 - đến từ lý do sâu gần 3.000km dưới chân chúng ta, nơi đá trong lớp phủ gặp kim loại nóng, dày đặc của lõi Trái Đất.
Một khả năng khác là xu hướng kéo dài hàng thập kỷ đến từ các tác động phụ của việc Trái Đất không hoàn toàn là hình cầu, một hiệu ứng được gọi là dao động Chandler. Sự dao động này trong quá trình quay của Trái Đất xảy ra do trục mà hành tinh của chúng ta quay quanh không hoàn toàn thẳng hàng với trục đối xứng hình học thực tế của nó, khiến trục quay tiếp tục cố gắng điều chỉnh.
Việc điều chỉnh trục quay này cũng có thể có vai trò trong việc xác định độ dài ngày, nhưng tầm quan trọng của vai trò đó vẫn còn là một câu hỏi chưa có lời giải.
Việc dự đoán độ dài ngày có thể thay đổi như thế nào trong tương lai là "rất phức tạp vì mọi thứ được hòa lẫn với nhau" Chen nói. Tuy nhiên, theo ông, điều đã giúp ngày 29/6 phá kỷ lục có thể là một hiện tượng khí hậu ngắn hạn - có lẽ chỉ là sự thay đổi tốc độ gió cao trong khí quyển.
Nguồn: Scientific American