Hiện tượng Trái Đất tự xoay quanh trục của nó

Hiện tượng Trái Đất tự xoay là quá trình hành tinh Trái Đất quay quanh trục của chính nó. Trái Đất quay từ tây sang đông. Khi nhìn từ sao Bắc Cực Polaris, sự quay của Trái Đất diễn ra theo chiều ngược kim đồng hồ.

Bắc Cực, hay còn gọi là Cực Bắc địa lý, là điểm ở Bán cầu Bắc nơi trục quay của Trái Đất chạm mặt đất. Điểm này khác với Cực Bắc từ của Trái Đất. Nam Cực là điểm còn lại nơi trục quay của Trái Đất gặp mặt đất ở Châu Nam Cực.

Trái Đất hoàn thành một vòng quay quanh trục của nó trong khoảng 24 giờ so với Mặt Trời và 23 giờ, 56 phút, 4 giây so với các ngôi sao (xem chi tiết). Tốc độ tự quay của Trái Đất giảm dần theo thời gian, dẫn đến việc một ngày trong quá khứ ngắn hơn hiện tại. Hiện tượng này là do ảnh hưởng của thủy triều Mặt Trăng đối với Trái Đất. Các đồng hồ nguyên tử hiện nay cho thấy một ngày hiện tại chậm hơn khoảng 1,7 mili giây so với một thế kỷ trước, với tốc độ Giờ Phối hợp Quốc tế được điều chỉnh bằng giây nhuận. Phân tích các ghi chép thiên văn trong lịch sử cho thấy sự chậm lại khoảng 2,3 mili giây mỗi thế kỷ kể từ thế kỷ thứ 8 TCN.

Lịch sử

Trong số các nhà triết học Hy Lạp cổ đại, một số trường phái của Pythagoras tin rằng Trái Đất tự quay thay vì việc quay vòng ngày đêm của các thiên thể. Có thể Philolaus (470–385 TCN) là người đầu tiên nêu ra ý tưởng này, mặc dù hệ thống của ông khá phức tạp và bao gồm một phản-Trái Đất quay hàng ngày quanh một ngọn lửa trung tâm.

Một quan điểm phổ biến hơn được Hicetas, Heraclides và Ecphantus ủng hộ vào thế kỷ thứ 4 TCN, những người cho rằng Trái Đất quay nhưng không phải quanh Mặt Trời. Trong thế kỷ thứ 3 TCN, Aristarchus của Samos đề xuất lý thuyết nhật tâm.

Tuy nhiên, Aristotle vào thế kỷ thứ 4 chỉ trích ý tưởng của Philolaus vì cho rằng nó dựa trên lý thuyết hơn là quan sát thực tế. Ông đề xuất rằng một quả cầu định tinh quay quanh Trái Đất, ý tưởng này được chấp nhận bởi nhiều người sau đó, đặc biệt là Claudius Ptolemy (thế kỷ thứ 2 SCN), người cho rằng Trái Đất sẽ bị hủy diệt bởi bão nếu nó thực sự quay.

Vào năm 499 SCN, nhà thiên văn học Ấn Độ Aryabhata đã khẳng định rằng Trái Đất có hình dạng tròn và quay quanh trục của nó mỗi ngày. Ông cho rằng sự chuyển động của các sao trên bầu trời là kết quả của sự quay của Trái Đất. Ông đưa ra một phép so sánh rằng khi một người đứng trên thuyền nhìn các vật tĩnh trên bờ, chúng có vẻ như đang di chuyển ngược lại với hướng đi của thuyền, tương tự như các ngôi sao ở Lanka dường như di chuyển về phía tây.

Trong thế kỷ 10, một số nhà thiên văn học Hồi giáo đã chấp nhận ý tưởng rằng Trái Đất quay quanh trục của nó. Al-Biruni và Abu Sa'id al-Sijzi (mất khoảng năm 1020) đã phát minh ra một công cụ đo lường gọi là al-zūraqī, dựa trên quan điểm rằng 'sự chuyển động mà chúng ta thấy là do sự dịch chuyển của Trái Đất, không phải do bầu trời.' Quan điểm này đã được xác nhận bởi các nguồn từ thế kỷ 13, cho rằng: 'Theo các nhà hình học [hoặc kỹ sư] (muhandisīn), Trái Đất có chuyển động tròn không thay đổi, và sự chuyển động của các thiên thể là do sự quay của Trái Đất, không phải do các ngôi sao.' Các luận án tranh luận về khả năng này, bao gồm những bác bỏ hoặc nghi ngờ đối với lý thuyết của Ptolemy. Tại các đài thiên văn Maragha và Samarkand, sự quay của Trái Đất đã được Tusi (sinh năm 1201) và Qushji (sinh năm 1403) thảo luận; lý lẽ và bằng chứng của họ tương tự như của Copernicus trong việc ủng hộ sự quay của Trái Đất.

Ở châu Âu Trung Cổ, Thomas Aquinas đã chấp nhận quan điểm của Aristotle và do đó, mặc dù miễn cưỡng, John Buridan và Nicole Oresme trong thế kỷ 14 cũng làm theo. Chỉ đến khi Nicolaus Copernicus công bố hệ thống nhật tâm vào năm 1543, sự quay của Trái Đất mới được xác nhận rõ ràng. Copernicus đã chỉ ra rằng Trái Đất đang chuyển động mạnh mẽ, và sự chuyển động của các ngôi sao cũng vậy. Ông đã ghi nhận công lao của Pythagoras và đưa ra ví dụ về các chuyển động có liên quan. Đối với Copernicus, đây là bước đầu tiên để xây dựng mô hình đơn giản hơn về các hành tinh xoay quanh Mặt Trời.

Tycho Brahe, với các quan sát chính xác mà các định luật của Kepler dựa vào, đã sử dụng công trình của Copernicus làm cơ sở cho hệ thống mà cho rằng Trái Đất đứng yên. Năm 1600, William Gilbert đã ủng hộ mạnh mẽ sự quay của Trái Đất trong luận án của mình về từ trường của Trái Đất, và ảnh hưởng của ông đối với nhiều đồng nghiệp là rất lớn. Những người như Gilbert, không hoàn toàn ủng hộ hoặc phản đối sự quay của Trái Đất quanh Mặt Trời thường được gọi là 'những người bán Copernicus'. Một thế kỷ sau Copernicus, Riccioli đã phản bác mô hình Trái Đất quay do không quan sát thấy sự lệch hướng về phía đông của các vật rơi, hiện tượng này sau đó được gọi là hiệu ứng Coriolis. Tuy nhiên, những đóng góp của Kepler, Galileo và Newton đã hỗ trợ mạnh mẽ lý thuyết về sự quay của Trái Đất.

Chu kỳ quay

Ngày Mặt Trời thực

Chu kỳ quay của Trái Đất so với Mặt Trời, từ trưa thực đến trưa thực, được gọi là ngày Mặt Trời thực. Thời gian này bị ảnh hưởng bởi chuyển động quỹ đạo của Trái Đất và do đó thay đổi theo sự biến động của độ lệch tâm và độ nghiêng quỹ đạo. Cả hai yếu tố này đều biến đổi qua hàng nghìn năm, dẫn đến sự thay đổi của ngày Mặt Trời thực hàng năm. Thông thường, ngày Mặt Trời thực dài hơn ngày Mặt Trời trung bình trong hai giai đoạn của năm và ngắn hơn trong hai giai đoạn còn lại. Gần điểm cận nhật, ngày Mặt Trời thực dài hơn khoảng 10 giây so với bình thường do Mặt Trời di chuyển qua mặt phẳng hoàng đạo với góc lớn hơn. Ngược lại, gần điểm viễn nhật, ngày Mặt Trời thực ngắn hơn khoảng 10 giây. Gần điểm chí, ngày Mặt Trời thực dài hơn khoảng 20 giây vì Mặt Trời di chuyển qua góc lớn hơn. Ngược lại, gần điểm phân, ngày Mặt Trời thực ngắn hơn khoảng 20 giây. Hiện nay, hiệu ứng điểm cận nhật và điểm chí làm ngày Mặt Trời thực dài hơn khoảng 30 giây gần ngày 22 tháng 12, nhưng hiệu ứng điểm chí bị giảm bớt bởi hiệu ứng điểm viễn nhật gần ngày 19 tháng 6 chỉ còn dài hơn 13 giây. Hiệu ứng điểm phân làm ngày ngắn lại gần ngày 26 tháng 3 và ngày 16 tháng 9 bởi 18 giây và 21 giây tương ứng.

Ngày Mặt Trời trung bình

Trung bình của các ngày Mặt Trời thực trong suốt năm được gọi là ngày Mặt Trời trung bình, với độ dài bằng 86.400 giây Mặt Trời trung bình. Hiện tại, mỗi giây này dài hơn một chút so với giây SI vì ngày Mặt Trời trung bình hiện tại dài hơn một chút so với thế kỷ 19 do ảnh hưởng của ma sát thủy triều. Độ dài trung bình của ngày Mặt Trời trung bình kể từ khi giới thiệu giây nhuận vào năm 1972 dao động từ 0 đến 2 ms so với 86.400 giây SI, với sự biến động ngẫu nhiên từ kết nối lõi-manti có biên độ khoảng 5 ms. Giây Mặt Trời trung bình được chọn bởi Simon Newcomb vào năm 1895 làm đơn vị thời gian độc lập trong Bàn Mặt Trời của ông. Bàn này đã được sử dụng để tính lịch thiên văn thế giới từ năm 1900 đến 1983, vì vậy giây này còn được gọi là giây lịch thiên văn. Từ năm 1967, giây SI được định nghĩa dựa trên giây lịch thiên văn.

Thời gian Mặt Trời biểu kiến đo sự quay của Trái Đất, và sự khác biệt giữa nó và thời gian Mặt Trời trung bình được gọi là phương trình thời gian.

Ngày sao và ngày thiên thể

Chu kỳ quay của Trái Đất so với các ngôi sao được gọi là ngày sao

, theo Tổ chức Quốc tế về Sự Xoay của Trái Đất và Các Hệ Thống Tham Chiếu (IERS) là 86.164,098 903 691 giây thời gian Mặt Trời trung bình (UT1) (23 56 4,098 903 691, 0,997 269 663 237 16 ngày Mặt Trời trung bình). Chu kỳ quay của Trái Đất so với điểm xuân phân trung bình, gọi là ngày thiên thể, là 86.164,090 530 832 88 giây thời gian Mặt Trời trung bình (UT1) (23 56 4,090 530 832 88, 0,997 269 566 329 08 ngày Mặt Trời trung bình). Vì vậy, ngày thiên thể ngắn hơn ngày sao khoảng 8,4 ms.

Cả ngày sao và ngày thiên thể đều ngắn hơn ngày Mặt Trời trung bình khoảng 3 phút 56 giây. Thời gian của ngày Mặt Trời trung bình theo giây SI có thể được tham khảo tại IERS trong các giai đoạn năm 1623–2005 và 1962–2005.

Gần đây (1999–2010), độ dài trung bình hàng năm của ngày Mặt Trời trung bình đã thay đổi từ 0,25 ms đến 1 ms so với 86.400 giây SI, và cần được thêm vào cả ngày sao và ngày thiên thể để có giá trị chính xác trong giây SI (xem Biến động độ dài ngày).

Vận tốc góc

Vận tốc góc của Trái Đất trong không gian quán tính là (7,2921150 ± 0,0000001) ×10 radian trên giây SI (giây Mặt Trời trung bình). Khi nhân với (180°/π radian)×(86.400 giây/ngày Mặt Trời trung bình), ta được 360.9856°/ngày Mặt Trời trung bình, cho thấy Trái Đất quay hơn 360° so với các ngôi sao trong một ngày Mặt Trời. Do sự di chuyển của Trái Đất trên quỹ đạo gần như tròn khi nó quay quanh trục, Trái Đất phải quay thêm một chút so với các ngôi sao cố định trước khi Mặt Trời trung bình có thể hiện diện lại, mặc dù nó chỉ quay một vòng (360°) so với Mặt Trời trung bình. Khi nhân giá trị rad/s với bán kính xích đạo của Trái Đất 6.378.137 m (theo hệ WGS84) và hệ số 2π radian (cần giản ước), ta được vận tốc xích đạo 465,1 m/s, tương đương với 1.674,4 km/h hoặc 1.040,4 mph. Một số nguồn cho rằng vận tốc xích đạo là thấp hơn, chẳng hạn như 1.669,8 km/h. Điều này tính toán dựa trên chu vi xích đạo Trái Đất chia cho 24 giờ. Tuy nhiên, việc sử dụng chu vi xích đạo chỉ dựa vào một vòng quay trong không gian quán tính, do đó đơn vị thời gian phù hợp là ngày sao. Điều này được xác nhận bằng cách nhân số ngày sao trong một ngày Mặt Trời trung bình, 1,002 737 909 350 795, với tốc độ xích đạo trong giờ Mặt Trời trung bình là 1.674,4 km/h.

Tốc độ tiếp tuyến của sự quay Trái Đất tại một điểm cụ thể được ước lượng bằng cách nhân vận tốc xích đạo với cos của vĩ độ. Ví dụ, trung tâm không gian Kennedy ở vĩ độ 28,59° Bắc, nên vận tốc sẽ là: cos 28,59° x 1.674,4 km/h (1.040,4 mph; 465,1 m/s) = 1.470,23 km/h (913,56 mph; 408,40 m/s)

Thay đổi trong chuyển động quay

Biến động của trục quay

Trục quay của Trái Đất có sự dịch chuyển so với các ngôi sao cố định (không gian quán tính), với hai thành phần chính là tiến động và chương động. Nó cũng có sự dịch chuyển so với vỏ Trái Đất, được gọi là chuyển động cực.

Tiến động là hiện tượng quay của trục Trái Đất, chủ yếu do mô men xoắn từ lực hấp dẫn của Mặt Trời, Mặt Trăng và các thiên thể khác. Chuyển động cực chủ yếu do chương động lõi tự do và sự thay đổi Chandler.

Biến động trong tốc độ quay

Trong hàng triệu năm, sự tự quay của Trái Đất đã giảm rõ rệt do tác động của gia tốc thủy triều từ Mặt Trăng. Mô men động lượng được chuyển từ Trái Đất sang Mặt Trăng theo tỷ lệ với $r^{-<!--\; -\; -->6}$, với $r$ là bán kính quỹ đạo của Mặt Trăng. Quá trình này dẫn đến việc độ dài ngày gia tăng đến mức hiện tại và kết quả là Mặt Trăng bị khóa thủy triều với Trái Đất.

Sự giảm tốc quay của Trái Đất đã được ghi nhận qua các ước lượng độ dài ngày từ quan sát rhythmit và stromatolit. Các nghiên cứu cho thấy độ dài ngày đã tăng đều từ khoảng 21 giờ cách đây 600 triệu năm đến hiện tại là 24 giờ. Bằng cách đếm các lớp cực nhỏ hình thành trong các điều kiện thủy triều cao, tần số thủy triều (và do đó độ dài ngày) có thể được ước lượng, tương tự như phương pháp đếm vòng cây, mặc dù các ước lượng có thể kém chính xác hơn với thời gian.

Ngoài ra, một số sự kiện lớn như trận động đất và sóng thần Ấn Độ Dương năm 2004 đã làm tăng tốc độ quay của Trái Đất thêm khoảng 3 micro giây do thay đổi mô men quán tính. Sự hồi sinh sau thời kỳ băng hà, tiếp tục từ Kỷ băng hà, cũng đã làm thay đổi phân bố khối lượng của Trái Đất, ảnh hưởng đến mô men quán tính và do đó chu kỳ quay của Trái Đất.

Đo lường

Quan sát lâu dài về sự quay của Trái Đất được thực hiện bằng cách sử dụng giao thoa kế đường cơ sở cực dài kết hợp với hệ thống Định vị Toàn cầu, vệ tinh định tầm laser, và các kỹ thuật vệ tinh khác. Những phương pháp này cung cấp các dữ liệu chính xác để xác định giờ quốc tế, tiến động, và chương động.

Nguồn gốc

Hiện tượng quay nguyên thủy của Trái Đất là dấu vết của mô men động lượng ban đầu từ đám mây bụi, đá và khí đã kết hợp để hình thành Hệ Mặt Trời. Đám mây nguyên thủy này bao gồm hiđrô và heli tạo ra từ Vụ Nổ Lớn, cùng với các nguyên tố nặng hơn do siêu tân tinh phát tán. Do bụi vũ trụ không đồng nhất, bất kỳ sự bất đối xứng nào trong quá trình bồi lắng hấp dẫn đều dẫn đến mô men động lượng của hành tinh được tạo ra.

Nếu giả thuyết về vụ va chạm lớn, là nguyên nhân hình thành Mặt Trăng, là chính xác, thì tốc độ quay ban đầu của Trái Đất đã bị thay đổi do va chạm với Theia cách đây 4,5 tỷ năm. Dù tốc độ và độ nghiêng của sự quay trước va chạm có như thế nào, sau va chạm, một ngày trên Trái Đất dài khoảng 5 giờ. Hiệu ứng thủy triều sau đó đã làm giảm tốc độ quay xuống mức hiện tại.

Chú thích

1. ^ Khi độ lệch tâm của Trái Đất vượt quá 0,047 và điểm cận nhật xảy ra tại phân điểm hoặc chí điểm, sẽ chỉ có một giai đoạn với một cao điểm cân bằng với hai cao điểm còn lại.
2. ^ Aoki, nguồn dữ liệu này, sử dụng thuật ngữ 'giây UT1' thay vì 'giây Mặt Trời trung bình'.
3. ^ Trong thiên văn học, khác với hình học, 360° có nghĩa là quay trở lại cùng một điểm trong chu kỳ thời gian, một ngày Mặt Trời trung bình hoặc một ngày sao đối với sự quay quanh trục của Trái Đất, hoặc một năm sao hay một năm nhiệt đới trung bình hoặc năm Julius trung bình là 365,25 ngày cho sự quay quanh Mặt Trời.