1. Hiện tượng tự quay của Trái Đất
1.1. Các thuyết địa tâm hệ và thuyết nhật tâm hệ
Do sự tự quay của Trái Đất miền nào cũng lần lượt được nhận ánh sáng Mặt Tròi rồi lại khuất vào bóng tối tạo nên quá trình kế tiếp liên tục giữa ngày và đêm. Do đó trên Trái Đất ta thấy được vòng tuần hoàn của Mặt trời và các vì sao trên bầu trồi.
Vào thế kỷ thứ IV trước công nguyên, nhà toán học Hy Lạp Pitagor đã biết Trái Đất tự quay quanh trục mà sinh ra ngày và đêm. Nhưng các nhà thiên văn học thòi thượng cổ vẫn giải thích hiện tượng ấy với giả thuyết rằng Trái Đất là trung tâm vũ trụ, Mặt Tròi và các tinh tú quay quanh Trái Đất. Quan niệm đó được nhà thiên văn học Ptôlêmê xây dựng thành học thuyết vào thế kỷ thứ II gọi là hệ thống “địa tâm” Ptôlêmê. Nhưng nếu chúng ta giả thuyết ngược lại là Mặt Trời và các tinh tú đứng yên mà chính Trái Đất tự quay quanh mình thì vẫn thấy Mặt Tròi và các tinh tú mọc và lặn như thế và trên Trái Đất vẫn có ngày và đêm. Như vậy chuyển động của các tinh tú trên bầu trời là chuyển động biểu kiến.
Nhà thiên văn học Ba Lan Côpecnic (1473 – 1543) là người đầu tiên trong lịch sử nhận biết có cơ sỏ khoa học vận động tự quay của Trái Đất. Quan niệm của Côpecnic ngược lại với quan niệm của Ptôlêmê nên gọi là hệ thống “nhật tâm ” Côpecnic. Phát minh vĩ đại của Côpecnic đã bác bỏ quan niệm vũ trụ quan thần bí của nhà thờ Cơ đốc giáo và mở đường cho sự nhận thức thế giới theo quan điểm khoa học.
1.2. Những bằng chứng chủ yếu về sự tự quay của Trái Đ ất quanh Mặt Trời
– Trái Đất có hình dạng elipxoit, phình ra ở xích đạo và dẹt ở hai cực. Độ dẹt ấy chỉ có thể xuất hiện khi có sự tham gia của lực li tâm, lực này chỉ phát triển được ở vật thể
– Nơi nào trên Trái Đất, nếu treo một quả lắc dài có khả năng tự do dao động trong một mặt phẳng nào đó, sau khi xác định được hướng dao động đầu tiên, ta sẽ thấy rằng dần dần mặt phẳng dao động sẽ quay theo chiều kim đồng hồ (ở Bắc bán cầu). Thực ra, đấy là dao động biểu kiến, bề mặt dao động của quả lắc vẫn giữ nguyên không đổi mà chính Trái Đất dưới quả lắc đã quay từ tây sang đông.
Tốc độ góc quay của Trái Đất ở bất cứ điểm nào cũng như nhau và bằng 15°/giờ. Tốc độ tự quay của Trái Đất ở xích đạo là 464m/s và giảm dần từ xích đạo về hai cực. Tốc độ ở vĩ độ φ được tính theo công thức: V = 464 cos φ m/s.
2. Ý nghĩa địa lý của vận động tự quay của Trái Đất
2.1. Sinh ra nhịp điệu ngày và đêm
Khi Trái Đất tự quay thì một nửa hướng về Mặt Tròi có ánh sáng gọi là ban ngày, nửa khuất sau không có ánh sáng là ban đêm. Sự kế tiếp nhau liên tục này tạo ra nhịp điệu ngày đêm trên Trái Đất.
Do Trái Đất tự quay vối tốc độ tương đối lớn khi chuyển động quanh Mặt Tròi làm cho ngày đêm trên Trái Đất không dài. Vào ban ngày m ặt đất không nóng lên quá, vào ban đêm không lạnh đi nhiều, tạo ra điều kiện thuận lợi cho đời sông của con người, cho sự tồn tại và phát triển của muôn loài sinh vật trên hành tinh.
2.2. Sự khác nhau của giờ địa phương
Trái Đất quay từ Tây sang Đông nên trong cùng một lúc ỏ tất cả các kinh tuyến đều có giờ địa phương khác nhau. Như vậy, miền nào trên Trái Đất cũng có giờ riêng gọi là giờ địa phương hay giờ thực. Nếu theo giờ thực thì các địa phương khác nhau không nằm trên cùng một kinh tuyến có giờ thực khác nhau, gây khó khăn trong việc tổ chức, quản lý mọi hoạt động kinh tế, xã hội, nhất là trong ngành giao thông, cho nên trong mỗi nước thường lấy giờ thủ đô là giờ chính thức. Trên thế giới người ta thống nhất tính thời gian theo giờ quốc tế. Bề mặt Trái Đất được chia thành 24 múi giờ. Mỗi múi giờ rộng 15°, giờ chính thức là giờ của kinh tuyến đi qua giữa múi (Hình 1).
Mỗi nước có một giờ, nên muốn tính giờ của các nước khác nhau, Hội nghị quốc tế năm 1884 đã qui định lấy giờ của kinh tuyến gốc đi qua đài thiên văn Greenwich ỏ ngoại ô Luân Đôn làm giờ quốc tế viết tắt là giờ GMT. Múi giờ Greenwich được đánh số không. Các múi tiếp theo được đánh số từ 1 đến 23 theo hướng đông của múi gốc. Số thứ tự của mỗi múi cho biết giờ của múi ấy khi múi Greenwich 0 giờ hay 24 giờ. Theo quy ước trên, Hà Nội nằm ở múi giờ thứ 7.
Sơ đồ phân chia múi giờ trên thế giới
Do quy ước tính giờ như trên mà ỗ hai phía Tây và Đông bán cầu lúc nào cũng có hai ngày khác nhau trên lịch, nên kinh tuyến 180° được lấy làm kinh tuyến đổi ngày. Nếu qua kinh tuyến này từ Tây sang Đông phải tính muộn hơn một ngày, ngược lại nếu đi theo hướng từ Đông sang Tây phải tính sớm hơn một ngày.
2.3. Sư lệch hướng của tất cả các vật thể chuyển động theo chiều ngang trên Trái Đất
Do sự tự quay của Trái Đất, tất cả các vật thể chuyển động theo chiểu ngang ở Bắc bán cầu đều lệch về phía tay phải, ở Nam bán cầu về phía tay trái khi người quan sát nhìn về hướng vận động của vật thể (định luật Ber – Coriolis). Có thể lấy thí dụ đơn giản sau đây để minh họa cho kết luận trên. Nếu một cơn gió thổi theo hướng kinh tuyến từ xích đạo lên chí tuyến, ngoài bị ảnh hưởng của hướng chuyển động Nam – Bắc, còn chịu sự chi phối của vân động tự quay của Trái Đất theo hướng Tây – Đông. Do đó, gió không giữ nguyên hướng Nam – Bắc mà chuyển động theo hướng Tây Nam – Đông Bắc.
Lực ảnh hướng tới mọi chuyển động ngang của vật thể trên bề mặt Trái Đất do chuyển động tự quay gọi là lực Coriolis, được tính theo công thức:
F = 2ω v sin φ
trong đó:
- F – lực Coriolis;
- ω – tốc độ góc quay của Trái Đất;
- v – tốc độ chuyển động của vật thể;
- φ – vĩ độ của điểm đã cho.
Công thức trên cho thấy lực Coriolis tỷ lệ thuận với tốc độ của vật thể và vĩ độ địa lý.
Lực Coriolis có ảnh hưởng tới vận động của các khối khí, các dòng biển, các dòng sông và một số hiện tượng khác.
2.4. Sự hình thành những đợt triều trong vật thể Trái Đất
Dưới ảnh hưởng sức hút của Mặt Trăng, Mặt Trời, vật thể Trái Đất chịu sự biến dạng đàn hồi. Trong thạch quyển, thủy quyển và khí quyển hình thành những đợt sóng triều lên quanh Trái Đất ngược vối hướng tự quay của nó, nghĩa là từ Đông sang Tây. Sự biến dạng rõ nhất biểu hiện ở đại dương thế giới. Đỉnh sóng đi qua địa điểm nào gây ra ỏ đó hiện tượng triều lên, chân sóng đi qua điểm nào gây ra ở đó hiện tượng triều xuống. Làn sóng triều trên đại dương làm chậm vòng tự quay của Trái Đất quanh trục 1 giây cứ sau 40.000 năm. Con sô’ nhỏ này vẫn có ý nghĩa khi nghiên cứu cổ địa lý. Với tính toán trên, cách đây 1 tỷ năm về trước (vào nguyên đại Nguyên sinh) một ngày đêm chỉ dài 17 giờ. Khi đó áp cao nhiệt đối nằm ở vĩ độ 22° Bắc và Nam (ngày nay đang nằm ở vĩ độ 32° Bắc và Nam) và kết quả là hoàn lưu khí quyển lúc bấy giờ rất khác ngày nay. Sau 1 tỷ năm nữa độ dài của một ngày đêm sẽ lên tới 31 giờ.
3. Sự chuyển động của Trái Đất quanh Mặt Trời
Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời theo quỹ đạo hình elip, dài 993.040.000km và hoàn thành một vòng mất 365 ngày 5 giờ 48 phút 46 giây. Chuyển động của Trái Đất quanh Mặt Trời căn bản là chuyển động tịnh tiến trên hoàng đạo theo hướng từ Tây sang Đông (ngược chiều kim đồng hồ). Trên hoàng đạo Trái Đất đến gần Mặt Trời nhất vào ngày 1 – 3 / 1 gọi là điểm cận nhật với khoảng cách tới Mặt Trời tương ứng là 147.000.000km và 152.000.000km.
Trong khi Trái Đất chuyển động, mặt phẳng xích đạo nghiêng so với mặt phang hoàng đạo 23°27’và trục nghiêng với mặt phẳng hoàng đạo 66°63’.
Hàng năm vào ngày 22/6, Bắc bán cầu chúc về phía Mặt Trời, do đó tia sáng Mặt Trời chiếu thẳng góc vào một đường song song với xích đạo và cách xích đạo 23°27’ tương đương 2500 km. Đường đó gọi là chí tuyến Bắc. Đường tương tự như vậy ở Nam bán cầu là chí tuyến Nam được tia sáng Mặt Trời chiếu thẳng góc vào ngày 22/12. Hai ngày hạ chí và đông chí là các ngày tia sáng Mặt Trời chiếu thẳng góc xuống chí tuyến Bắc (22/6) và xuống chí tuyến Nam (22/12).
Như vậy, do trục Trái Đất nghiêng với hoàng đạo mà từ 22/6 đến 22/12 tia sáng Mặt Trời lần lượt chiếu thẳng góc với tất cả các miền từ chí tuyến Bắc tới chí tuyến Nam. Ngược lại từ 22/12 – 22/6 tia sáng Mặt Trời lại lần lượt chiếu thẳng góc tới tất cả các miền từ chí tuyến Nam tói chí tuyến Bắc. Chỉ có 2 ngày trong năm Mặt Trời chiếu thẳng góc xuống xích đạo là ngày xuân phân 21/3 và ngày thu phân 23/9.
4. Hệ quả chuyển động của Trái Đất quanh Mặt Trời.
Do địa trục nghiêng trên mặt phẳng hoàng đạo, nên góc nhập xạ của tia sáng Mặt Trời xuống các miền khác nhau trên Trái Đất thay đổi theo thời gian trong năm tạo ra nhịp điệu mùa.
4.1. Các mùa có ngày đêm dài ngắn khác nhau
Nhờ có địa trục nghiêng mà từ 21/3 đến 23/9 ở Bắc bán cầu, góc nhập xạ lớn và diện tích phơi ra ánh sáng rộng hơn ở Nam bán cầu. Càng lên phía Bắc các khu vực ở trong ánh sáng nhiều hơn trong bóng tối, nên ngày dài hơn đêm ở Bắc bán cầu và đêm dài hơn ngày ở Nam bán cầu. Ngược lại trong thời gian Nam bán cầu ngả về phía Mặt Trời từ 23/9 đến 21/3, ở Nam bán cầu ngày dài hơn đêm và ở Bắc bán cầu đêm dài hơn ngày.
Ở xích đạo ngày và đêm luôn dài bằng nhau. Càng tiến về phía 2 vòng cực độ dài ngày đêm càng chênh lệch nhau nhiều.
Ở các vĩ độ từ hai vòng cực về phía hai cực, các vĩ độ đều có ngày đêm dài 24 giờ, càng gần cực số ngày đêm 24 giờ càng nhiều. Tại hai cực, số ngày dài 24 giờ suốt thời gian 6 tháng lúc bán cầu đó nghiêng về phía Mặt Trời, còn ở bán cầu kia đêm 24 giờ kéo dài 6 tháng.
4.2. Các mùa trong năm thay đổi tùy theo từng miền vĩ độ trên Trái Đất
Chế độ nhiệt làm sinh ra các mùa và thay đổi phụ thuộc vào vĩ độ.
Ở xích đạo suốt năm chỉ có một mùa nóng, không có mùa lạnh. Hai thòi điểm có nhiệt độ cao nhất là vào khoảng xuân phân và thu phân.
Ở những miền xa xích đạo, gần các chí tuyến có biểu biện 4 mùa và thường lấy các ngày xuân phân, hạ chí, thu phân và đông chí làm 4 ngày chính giữa 4 mùa, cụ thể ở Bắc bán cầu các mùa được phân ra như sau:
- Mùa xuân: từ 5/2 đến 6/5;
- Mùa hạ: từ 6/5 đến 8/8;
- Mùa thu: từ 8/8 đến 8/11;
- Mùa đông: từ 8/11 đến 5/2.
Những miền nằm giữa chí tuyến đến vòng cực có các mùa biểu hiện rõ rệt.
Từ ngày xuân phân (21/3) đến hạ chí (22/6) của bán cầu Bắc khi Mặt Trời chuyển từ xích đạo lên chí tuyến, góc chiếu của các tia sáng xuống mặt đất tăng dần, mặt đất nhận nhiều nhiệt và ngày dài thêm ra. Nhưng vì mặt đất còn bị lạnh trong thòi gian Mặt Trời còn ở bán cầu kia nên nhiệt độ chưa cao, thời tiết ấm áp, thời gian này là mùa xuân.
Từ ngày hạ chí (22/6) đến thu phân (23/9), Mặt Trời chuyển từ chí tuyến đến xích đạo, nguồn nhiệt Mặt Trời cung cấp vẫn nhiều và ngày vẫn dài như trong mùa xuân, nên lượng nhiệt mặt đất tích được trong thòi gian này lên cao, đó là mùa hạ.
Từ ngày thu phân (23/9) đến đông chí (22/12), khi Mặt Trời chuyển từ xích đạo đến chí tuyến của bán cầu kia, tia sáng chiếu chếch hơn, ngày ngắn dần, nguồn nhiệt Mặt Trời cung cấp giảm bớt, nhiệt độ mặt đất giảm, nhưng không giảm xuống thấp lắm do vẫn còn nguồn nhiệt tích lại trong mùa hạ, nên thời tiết m át mẻ, đó là mùa thu.
Từ ngày, đông chí (22/12) đến xuân phân (21/3) của bán cầu Bắc, Mặt Trời chuyển từ chí tuyến Nam lên xích đạo. Nguồn nhiệt mặt đất nhận được không nhiều và ngày vẫn ngắn như trong mùa thu, nhưng do mặt đất đã bị lạnh đi trong mùa thu nên càng trở nên lạnh gay gắt hơn, đó là mùa đông.
Như vậy các ngày xuân phân, hạ chí, thu phân và đông chí là ngày giữa đầu của bốn mùa xuân, hạ, thu, đông (Hình 1).
Hình 1. Quỹ đạo chuyển động của Trái Đất xung quanh Mặt Trời và bốn mùa trong năm
Những miền từ hai vòng cực đến hai địa cực. Ở đây, ngày và đêm cứ dài dần từ 24 giờ đến 6 tháng. Tại hai cực có 6 tháng ngày và 6 tháng đêm. Ngày là thời gian từ xuân phân đến thu phân, lúc Mặt Trời chuyển động từ xích đạo lên chí tuyến rồi từ chí tuyến về xích đạo. Đêm là thòi gian từ thu phân đến xuân phân lúc Mặt Trời chuyển động trên bán cầu kia. Vào ban đêm thời gian dài không có ánh sáng Mặt Trời, mặt đất rất lạnh, đó là mùa đông địa cực. Vào ban ngày mặt đất tích nhiệt và ấm hơn, có hiện tượng băng tan, nhưng do tia sáng Mặt Trời quá chếch nên mùa hạ ở địa cực cũng không ấm hơn mùa đông ở các miền khác trên Trái Đất nên có thể coi ở địa cực vĩnh viễn chỉ có một mùa lạnh.
4.3 Những vòng đai chiếu sáng – nhiệt.
Các đường chí tuyến và vòng cực là ranh giới phân chia bề mặt Trái Đất thành những vòng đai chiếu sáng – nhiệt bao gồm:
Vòng đai nội chí tuyến nằm giữa hai chí tuyến Bắc và Nam. ở đây có hai lần Mặt Trời qua thiên đỉnh nên nóng gần suốt năm, mùa đông là lúc nhiệt độ hơi hạ thấp và trong năm mùa nóng là chủ yếu, độ chênh ngày đêm nhỏ.
Hai vòng đai ngoại chí tuyến trong vòng cực từ hai chí tuyến đến hai vòng cực, không bao giờ có tia chiếu Mặt Trời thẳng góc xuống mặt đất, trong năm có 4 mùa rõ rệt, chế độ nóng lạnh tương đối điều hòa, chu kỳ quang dài.
Hai vòng đai ngoại chí tuyến vòng cực. Ở đây tia chiếu Mặt Trời chếch nên mặt đất tiếp thu nhiệt ít và quanh năm rất lạnh. Do đó có thể xem vòng này chỉ có mùa đông lạnh giá. Chu kỳ quang rất dài, từ 24 giờ đến 6 tháng.
