Bài viết trình bày một số sai lệch nhỏ về vị trí của mặt trời trên bầu trời, tạo ra bởi trục quay nghiêng so với mặt phẳng Hoàng đạo và quỹ đạo dạng ellíp của trái đất khi tịnh tiến xung quanh mặt trời.
Khoa ðịa lý - 50 năm xây dựng phát triển TRỤC NGHIÊNG, QUỸ ðẠO ELLIP CỦA TRÁI ðẤT VÀ CÁC SỐ TRÊN BẦU TRỜI TRẦN THỊ HỒNG MAI Khoa ðịa lý, Trường ðHSP Hà Nội Một số biểu chế ñộ làm việc Mặt Trời (MT) ngày đêm dài ngắn theo mùa, vị trí cao thấp MT thay ñổi theo ngày năm ñã từ lâu ñược quy cho trục xoay nghiêng Tð q trình vận động xung quanh MT Ngoài khác biệt rõ rệt tương tự chế ñộ chiếu sáng, chế ñộ nhiệt, trục xoay nghiêng Tð kết hợp với dạng ellip gần trịn quỹ đạo Tð cịn gây nên vài chuyện sai lệch nhỏ, không người tường tận không phần lý thú Chuyện thứ Khoảng thời gian lần MT lên cao bầu trời (ngày theo MT) có xê dịch năm Hình cho phép ta quan sát hệ MT-Tð từ phía Bắc Hồng đạo khoảng thời gian hai lần liên tiếp MT lên cao (ngày theo MT) hai trường hợp: Tð gần MT ( vào mùa đơng Bắc bán cầu, khoảng tháng 1) xa MT (vào mùa hè Bắc bán cầu, khoảng tháng 7) Mũi tên số thời ñiểm MT lên thiên ñỉnh lần thứ Mũi tên hướng số thời ñiểm sau Tð xoay ñược trọn vịng tức 23h 56’ 04” ðiều thể mũi tên số song song với mũi tên số Mũi tên số hai hình mơ tả thời điểm MT lên thiên đỉnh lần tiếp sau Hình Ngày theo MT vào khoảng tháng Hình Ngày theo MT vào khoảng tháng ðiểm khác hai hình khoảng cách Tð dịch chuyển hồng đạo góc mũi tên số số Trong hình hai giá trị lớn so với hình 2, tức Tð dịch ñược khoảng xa quỹ ñạo ñể MT lại lên cao kinh tuyến có mũi tên số vạch lên 23h 56’ 04” trước Tð phải xoay thêm góc lớn trường hợp hình Như vậy, ngày theo MT khơng tương đương ln dài khoảng thời gian Tð 64 Nghiên cứu khoa học ñổi nội dung, phương pháp giảng dạy ñịa lý xoay ñược vòng Ngày theo MT vòng quay Tð Tð xoay chỗ, chuyển động tịnh tiến Chuyện thứ hai Các số bầu trời Trục xoay nghiêng khơng đổi hướng Tð vị trí Tð quỹ đạo, hẳn nhiều người biết, nhân tố ñịnh thay ñổi ñộ cao MT vào ngày năm Như vậy, quan trắc MT vào định ngày khác nhau, ta thấy vị trí MT bầu trời ñịa phương thay ñổi Thực tế ñã ñược phóng viên nhiếp ảnh kiêm nghiên cứu viên thiên văn nghiệp dư minh họa hình ảnh sau chạy maratong ròng rã suốt năm quanh số ñền thờ cổ Hy Lạp Tại ñịa ñiểm, tiến hành chụp ảnh MT khn hình ñịnh, vào ñịnh ngày khác năm thu ảnh MT có dạng số với dáng vẻ khác Các số nghiêng theo chiều dấu huyền thời gian chụp buổi sáng, dấu sắc chụp buổi chiều, thẳng ñứng chụp khoảng trưa (Hình 3) Tại lại số 8? Các cực trị số theo chiều ngang theo chiều cao phản ánh điều gì? Chụp hồi 08:00:00 GMT+2 từ 12/1/02 ñến 21/ 12/02 ðền thờ Tholos, Delphi, Hy Lạp Chụp hồi 12:28:16 GMT +2 từ 12/1/02 ñến 21/ 12/02 Parthenon, Athens, Hy Lạp Chụp hồi 16:00:00 GMT +2 từ 07/1/03 ñến 20/12/03 ðền thờ Zeus, Nemea, Hy Lạp Hình Các số bầu trời Hylạp Xét hình ta thấy số hình dấu huyền ảnh MT lúc mọc Vào hồi 8h sáng ngày 21/12/02 MT lấp ló sau yên ngựa dãy núi phía nam (đằng sau) đền thờ Tholos, Delphi ngày 14 tháng 6/02 vút lên bầu trời, cao độ cao tương đối dãy núi chừng hai lần theo tỷ lệ nhìn thấy ảnh ðiểm cao theo phương thẳng ñứng số dấu huyền tương ứng với ngày MT mọc sớm năm, ñiểm thấp ứng với ngày MT mọc muộn Tương tự, số hình dấu sắc mơ tả cảnh MT lặn Vị trí cao thấp số hình dấu sắc tương ứng với ngày MT lặn muộn hay sớm 65 Khoa ðịa lý - 50 năm xây dựng phát triển Hình Các số ñường ñi MT vào ngày có TGCS dài ngắn năm bầu trời ngoại chí tuyến Vậy chuyển dịch vị trí MT theo phương ngang đâu? Ta biết vào mùa hạ MT lên cao bầu trời, mùa đơng nhơ lên khơng cao Những ảnh MT hình chụp Hylạp, vùng ngoại chí tuyến, nơi nhìn thấy MT phía nam Như vậy, nhìn vào ảnh hình 3, trước mặt hướng nam, bên phải tây, trái đơng Thời gian chiếu sáng (TGCS) dài ngày hè, ngắn mùa đơng MT phải trải qua ñoạn ñường biểu kiến dài ngắn khác nhau, vạch bầu trời ñịa phương cung trịn rộng hẹp khác Nếu MT quan sát ñánh dấu vào nhiều thời ñiểm ngày 6h, 7h, 8h, 9h, 10h, 11h, 12h, 15h, 16h, 17h, 18h xếp số lại khn hình thấy chúng dường nằm trọn vịm khum có bề rộng chiều cao số Trên hình 4, số hình đặt vào khoảng cung tròn lớn cung tròn nhỏ Cung trịn lớn tuyến chuyển động biểu kiến dài nên MT phải nhiều thời gian ñi hết, tức ngày có TGCS dài năm Cung nối ñiểm xa theo phương ngang (viễn đơng viễn tây) cao theo phương thẳng đứng ba số Cung trịn nhỏ, tương tự, quỹ ñạo chuyển ñộng biểu kiến MT ngày có TGCS ngắn năm Ta xét hình 4, số nghiêng chiều dấu huyền quỹ ñạo năm MT lúc 8h sáng Sáng ngày 22/06/02, ngày có TGCS dài hay ngày MT phải trải qua chặng ñường xa nên 8h MT ñã xuất vị trí cao (đỉnh số tính theo trục đối xứng thẳng) cung trịn lớn, hướng đơng-đơng nam bầu trời Trong đó, 22/12/02 ngày có TGCS ngắn nhất, qng đường biểu kiến cần ñi ngắn nên ñã 8h sáng MT cịn thấp, ló ra, cung trịn nhỏ chếch phía nam-đơng nam (đáy số 8) Vì phải ñi theo tuyến biểu kiến rộng, hẹp, dài, ngắn khác nhau, vị trí MT buổi sáng trải rộng theo phương ngang Sự thay ñổi vị trí theo chiều thẳng đứng chiều ngang khiến quỹ ñạo năm MT buối sáng nghiêng theo chiều dấu huyền 66 Nghiên cứu khoa học ñổi nội dung, phương pháp giảng dạy ñịa lý Bảng Thời ñiểm MT mọc lặn TGCS số ngày mùa hạ mùa đơng Ngày 14/06/01 mọc sớm 22/06/01 ngày có TGCS dài 27/06/01 lặn muộn 7/12/01 lặn sớm 22/12/01 ngày có TGCS ngắn 04/01/02 mọc muộn Thời ñiểm MT Thời ñiểm MT Khoảng thời gian mọc lặn chiếu sáng 20:51 15h03’ 5:48 5:49 20:54 15h05’ 5:51 15h04’ 20:55 7:30 9h22’ 16:52 7:40 16:55 9h15’ 17:05 9h22’ 7:43 Xét số ñứng thẳng, chụp lúc buổi trưa, ta thấy ngày MT lên cao ngày có TGCS dài nhất, ngày có TGCS ngắn ngày MT trưa thấp năm Sự trùng lặp này, tiếc, khơng thấy có hai số cịn lại MT mọc muộn (4/1), ñiểm thấp số dấu huyền lặn sớm (7/12), ñiểm thấp số dấu sắc, lại không thuộc ngày Hai ngày chẳng trùng với ngày có TGCS ngắn năm (22/12) Tương tự, MT mọc sớm nhất(14/6), lặn muộn (27/6) nằm hai ngày khác Hai ngày khơng phải ngày có TGCS dài năm(22/6) (Xem bảng 1) Chuyện thứ ba: Các số góc nhập xạ Vì MT di chuyển biểu kiến hai chí tuyến nên tia sáng MT lên cao 365 ngày năm tạo 365 góc khác so với mặt phẳng xích đạo Tð, góc xích vĩ hay độ nghiêng MT so với mặt phẳng xích đạo Người ta thiết lập biểu đồ có tên gọi Analemma (hình 5) để biểu diễn biến thiên xích vĩ MT theo ngày năm, theo thời sai, tức khoảng chênh lệch thời gian hai thời ñiểm: thời ñiểm MT lên cao bầu trời thời ñiểm trưa theo ñịa phương Theo tiếng Hy Lạp, từ Analemma có nghĩa ñiều ñã ñược chuẩn y, cần nắm bắt chỉnh sửa dùng ñồng hồ MT Trong giáo trình ðịa lý Tự nhiên tập dành cho trường Cao ñẳng SP NXB ðại học Sư phạm xuất năm 2003, tác giả Nguyễn Trọng Hiếu ñã dịch nghĩa từ theo từ ñiển ðịa cầu ñồ Tuy nhiên, Analemma biểu ñồ hành trình MT liệu ta có nên gọi Nhật cầu đồ chăng? Có điều lý thú biểu đồ có hình số Số không nằm chênh vênh bầu trời mà vững chãi yên vị hệ tọa ñộ với trục tung xích vĩ, trục hồnh thời sai Ngày tháng tương ứng với độ xích vĩ đo ñược MT ñược ghi rõ số ñể tiện tra cứu Trục hồnh biểu đồ đặt mép khung với giá trị giữa, tỏa hai bên 2M, 4M, 6M, 16M thuộc chiều âm 14M phía chiều dương Các số có nghĩa so với ñịa phương, MT lên cao bầu trời muộn (thời sai dương) hay sớm (thời sai âm) chừng phút (M- minute, theo tiếng Anh) Ví dụ: Ngày 15 tháng 5, Mặt Trời lên thiên ñỉnh vĩ ñộ 18 0B, trước thời ñiểm trưa phút, tức vào lúc 11h 56’ theo ñịa phương 67 Khoa ðịa lý - 50 năm xây dựng phát triển Ngày 10 tháng 11, Mặt Trời chiếu vng góc 170N, vào hồi 11h44’, tức sớm trưa theo ñịa phương 16 phút Ngày 30/7 MT chiếu vng góc vĩ tuyến 180B, muộn trưa 7phút, vào hồi 12h07’ theo ñịa phương MT cao trước 12h trưa MT cao sau 12h trưa Hình Analemma- Nhật cầu ñồ hay ðịa cầu ñồ? Các số dường ln khơng cân đối chân to đầu nhỏ, kể chênh vênh trời ñược ñứng trang trọng biểu ñồ analemma, sách thiên văn hay vẫy vùng mênh mơng Nam Thái Bình Dương(TBD) sóng vỗ (Trên số ðịa cầu thiên văn có vẽ analemma khu vực nam TBD) Trên analemma chân số phồng thể từ tháng ñến tháng năm sau, giá trị tuyệt ñối thời sai lớn biến ñổi nhanh theo thời gian Nếu muốn biết vào ngày 16 tháng 10 Mặt Trời chiếu vng góc vĩ độ nào, ta tìm điểm biểu thị ngày 16 tháng 10 số 8, chiếu sang trục tung, ta thấy 80Nam Ngược lại, analemma cịn cho biết vĩ tuyến nội chí tuyến Mặt Trời chiếu vng góc vào hai ngày năm Ví dụ, vĩ tuyến 12 Bắc Mặt Trời chiếu vng góc vào ngày 25 tháng 20 tháng 68 Nghiên cứu khoa học ñổi nội dung, phương pháp giảng dạy ñịa lý Với trị số tra ñược từ Analemma, ta cịn tính góc nhập xạ Mặt Trời vào ngày năm địa điểm Nếu địa điểm thuộc bán cầu mùa hè (nằm bán cầu với vĩ ñộ ñang ñược Mặt Trời ñang chiếu thẳng góc), góc nhập xạ Mặt Trời tính cách lấy 90 trừ ñi giá trị tuyêt ñối hiệu độ xích vĩ vĩ độ địa điểm ñó Nếu ñịa ñiểm ñó nằm bán cầu mùa đơng, khác bán cầu so với nơi có MT chiếu vng góc, h tính cách lấy 90 trừ tổng xích vĩ vĩ độ địa điểm Ví dụ: Ngày 20 tháng 8, xích vĩ 12 B: Tại địa điểm có vĩ độ 30 N, khác bán cầu, góc nhập xạ h= 90 0- (30 0+12 0) = 480 Tại địa điểm có vĩ độ 30 B, bán cầu, góc nhập xạ h= 90 0- /12 0-30 0/ = 72 Theo tác giả viết này, biến thiên xích vĩ năm dao ñộng góc tia cố ñịnh (tia sáng MT mặt phẳng Hồng đạo) bề mặt cong khum (bề mặt Tð) ñang nằm tổ hợp chuyển ñộng cong phức tạp (xoay quanh trục tịnh tiến theo quỹ đạo cong khơng đều) Vì vậy, biến thiên xích vĩ khơng thể biến thiên tuyến tính Nếu bạn có ý định tính xích vĩ ngày năm theo cách chia biến thiên xích vĩ ngày chí ngày phân cho số ngày hai thời ñiểm nhân với số ngày từ thời điểm chí (hoặc phân) đến ngày bạn muốn xác định xích vĩ (theo cách tính biến thiên tỷ lệ thuận tuyến tính) e kết bạn nhận có chênh lệch lớn so với giá trị đích thực Trên analemma cho thấy khoảng từ thu phân đến đơng chí, xích vĩ biến đổi khơng ñều Từ 10/11 ñến 10/12 30 ngày, xích vĩ chênh lệch Trong từ 30/9 ñến 30/10, 30 ngày, xích vĩ ñã dao ñộng 11 0, gần gấp ñôi so với giai ñoạn bên Chuyện thứ tư: Vì MT chẳng ñúng giờ? Nhiều người cho 12 trưa thời ñiểm Mặt Trời lên cao bầu trời Vậy theo analemma MT đồng hồ hồn tồn khơng đáng tin cậy Trong năm, có ngày MT (16/4, 15/6, 3/8 25/12), lên cao bầu trời vào thời điểm12h trưa Trong 361 ngày cịn lại MT sớm muộn gần có hệ thống Vì vậy? MT lên cao bầu trời vào thời ñiểm giá trị hàm ña biến với biến vận ñộng xoay quanh trục nghiêng Tð, chuyển dịch quỹ đạo cong khơng ñều (câu chuyện thứ nhất) Giá trị hàm này, rõ ràng bất biến Hành vi sớm muộn thất thường MT, ta thấy, có lẽ nhiều “lỗi” nhà thiên văn quy ñịnh thời gian ngày Xuất phát từ mong muốn có đơn vị đo thời gian tự nhiên chu kỳ quay quanh trục 23h56’04” Tð, họ vê trịn chu kỳ lại, ngày 24 h Một số 24h cứng nhắc, bất di bất dịch từ ngày sang ngày khác, năm tới năm kia! Thật dễ hiểu khơng thể có trùng khớp đem đối chiếu giá trị trung bình, ln cố định 24 h giá trị quan trắc tức thời, dao động quanh (Thực chiều dài 24 h /ngày tính gần khoảng thời gian trung bình lần liên tiếp kinh tuyến Tð đạt vị trí thiên đỉnh so với MT Vòng xoay Tð 69 Khoa ðịa lý - 50 năm xây dựng phát triển khoảng thời gian lần liên tiếp kinh tuyến Tð đạt vị trí thiên đỉnh so với ngơi xa, nằm ngồi hệ MT Giữa ngày theo có sai lệch sai lệch so với ngày theo MT) Chuyện thứ năm: Tơi muốn vẽ analemma có khơng? Các hành tinh khác có analemma khơng? Muốn kiểm tra tồn thật analemma khơng khó Dùng que gậy dài chừng 1m20-1m30 cắm thẳng ñứng sát cửa sổ Chừng 10 ngày lần vào định, đánh dấu vị trí bóng đầu gậy tường ñối diện Sau năm bạn có số ðiều đặc biệt thuộc tính số hoàn toàn ngược với số ta nói bên trên: đầu to, chân nhỏ, buổi sáng hình dấu sắc, chiều hình dấu huyền, điểm cao đánh dấu vào ngày mùa đơng, ñiểm thấp, mùa hè Nhìn sang hành tinh khác hệ MT, trừ Thủy tinh Kim tinh khơng có analemma chu kỳ xoay chúng quanh trục xấp xỉ chu kỳ dịch chuyển quanh MT Từ sáu hành tinh lại hệ MT Diêm vương tinh (Sau 70 năm cơng nhận, ngày 28/08/06 Diêm Vương tinh ñã bị Hiệp hội thiên văn Quốc tế tước danh hiệu hành tinh) ñều quan sát thấy MT di chuyển vị trí bầu trời theo vòng cong xoắn khác tuỳ theo tốc ñộ xoay, ñộ nghiêng trục quay ñộ cong quỹ ñạo chúng Hoả tinh Mộc tinh Thổ tinh Thiên Vương tinh Hải Vương tinh DiêmVương tinh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http:// www.ngdc.noaa.gov [2] http:// www.scienasoft.com [3] Nguyễn Trọng Hiếu, 2002 ðịa lý tự nhiên ñại cương, tập NXB ðHSP TĨM TẮT Bài viết trình bày số sai lệch nhỏ vị trí MT bầu trời, tạo trục quay nghiêng so với mặt phẳng Hồng đạo quỹ đạo dạng ellíp Tð tịnh tiến xung quanh MT SUMMARY TRAN HONG MAI The article overly describes and discusses on the topic of why the Sun locations have several small discrepancies, made up by the tilt of the Earth rotation axis and the elliptical form of its orbit around the Sun 70 ... Chuyện thứ hai Các số bầu trời Trục xoay nghiêng khơng đổi hướng Tð vị trí Tð quỹ đạo, hẳn nhiều người biết, nhân tố ñịnh thay ñổi ñộ cao MT vào ngày năm Như vậy, quan trắc MT vào ñịnh ñó ngày... dấu vào nhiều thời ñiểm ngày 6h, 7h, 8h, 9h, 10h, 11h, 12h, 15h, 16h, 17h, 18h xếp số lại khuôn hình thấy chúng dường nằm trọn vịm khum có bề rộng chiều cao số Trên hình 4, số hình đặt vào khoảng... hình số Số không nằm chênh vênh bầu trời mà vững chãi yên vị hệ tọa ñộ với trục tung xích vĩ, trục hồnh thời sai Ngày tháng tương ứng với độ xích vĩ đo MT ñược ghi rõ số ñể tiện tra cứu Trục