Vì sao các mùa trong năm thay đổi
Vì sao có các mùa trong năm? Vì sao ở vùng ôn đới, hay ở miền Bắc Việt Nam như Hà Nội, xuân, hạ, thu, đông lần lượt thay nhau? Nhiều người tin rằng mùa hè và mùa đông luân phiên là do khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời thay đổi trong năm. Quả thật, Trái Đất không chuyển động quanh Mặt Trời theo một đường tròn hoàn hảo. Có những lúc Trái Đất ở xa Mặt Trời hơn, có lúc lại gần hơn. Xem hình sau:
Ta thấy khi Trái Đất ở “phía trên”, nó ở xa Mặt Trời hơn so với khi ở “phía dưới”. Thoạt nhìn có vẻ hợp lí: khi Trái Đất ở xa Mặt Trời hơn thì ta có mùa đông, khi ở gần hơn thì có mùa hè. Thế nhưng Trái Đất ở xa Mặt Trời nhất vào khoảng ngày 5 tháng 7 và gần nhất vào khoảng ngày 4 tháng 1 – tức là hoàn toàn ngược lại: khi Trái Đất ở xa Mặt Trời nhất thì ở Bắc bán cầu là mùa hè, khi ở gần nhất thì là mùa đông.
Ta cũng biết rằng khi Bắc bán cầu là mùa hè thì Nam bán cầu là mùa đông và ngược lại. Khi ở châu Âu hay miền Bắc Việt Nam đang là mùa đông lạnh giá thì ở Australia lại là mùa hè. Vậy các mùa không thể do khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời thay đổi. Nếu vậy thì cả hành tinh phải cùng là mùa hè, chứ không chỉ một bán cầu.
Ngoài ra, nhìn hình thì có vẻ khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời thay đổi rất nhiều, nhưng thực tế chênh lệch nhỏ hơn nhiều. Khi Trái Đất ở gần Mặt Trời nhất, khoảng cách là khoảng 147 triệu kilômét. Khi ở xa nhất, khoảng cách là khoảng 152 triệu kilômét. Chênh lệch chỉ khoảng 3 phần trăm, không đủ lớn để gây ra sự thay đổi thời tiết lớn như ta thấy giữa mùa hè và mùa đông.
Nguyên nhân là trục Trái Đất
Trục Trái Đất là một đường thẳng tưởng tượng mà Trái Đất quay quanh. Trục này hơi nghiêng so với mặt phẳng tưởng tượng mà Trái Đất chuyển động trên đó quanh Mặt Trời. Hãy xem hình:
Trục được vẽ bằng các đoạn thẳng màu trắng ở phía trên và phía dưới, đường màu đen cắt ngang Trái Đất là đường xích đạo. Xích đạo chia Trái Đất thành hai bán cầu – Nam bán cầu và Bắc bán cầu. Mũi tên phía dưới cho biết chiều quay của Trái Đất quanh trục. Ta thấy trục không thẳng đứng mà hơi nghiêng. Ngay trên hình này ta đã có thể nhận thấy Mặt Trời chiếu sáng Nam bán cầu nhiều hơn hẳn Bắc bán cầu. Còn có thể nhận thấy những điều khác: Mặt Trời chiếu sáng cực Nam, nhưng không chiếu tới cực Bắc. Và tình trạng này sẽ còn kéo dài. Hãy tưởng tượng 1 ngày đã trôi qua, Trái Đất đã quay một vòng quanh trục của nó. Do Trái Đất nghiêng như vậy, Mặt Trời chiếu sáng cực Nam suốt cả ngày, Mặt Trời hoàn toàn không lặn ở đó! Ngược lại – ở cực Bắc, cả ngày Mặt Trời không mọc! Và trong suốt thời gian đó, phần Nam bán cầu được Mặt Trời chiếu sáng lớn hơn nhiều so với phần Bắc bán cầu – vậy Nam bán cầu đang là mùa hè, còn Bắc bán cầu đang là mùa đông. Điều này khớp với những gì ta biết: mùa đông ngày ngắn hơn mùa hè.
Nhưng điều đó vẫn chưa giải thích vì sao Mặt Trời mùa đông “lạnh” hơn mùa hè. Được rồi, mùa đông Mặt Trời chiếu sáng ít thời gian hơn, ta đã biết vì sao – nhưng vì sao nó cũng không sưởi ấm ta như vào mùa hè? Nguyên nhân là góc tới của tia nắng.
Góc tới của tia nắng
Hãy tưởng tượng một bức tường được tia sáng chiếu vuông góc. Và một bức tường thứ hai dài bằng bức tường thứ nhất, cũng được tia sáng chiếu tới, nhưng không vuông góc – so với bức tường thứ nhất, bức tường thứ hai bị xoay đi 45°:
Ta thấy dù hai bức tường dài bằng nhau và nguồn sáng chiếu tới mạnh như nhau, bức tường thứ hai nhận được ít tia sáng hơn bức tường thứ nhất. Không chỉ vậy, các tia sáng còn rơi xuống thưa hơn. Vì vậy bức tường thứ hai không được chiếu sáng tốt bằng bức tường thứ nhất. Với tia nắng cũng vậy – điều quan trọng là chúng chiếu xuống mặt đất dưới góc nào. Nếu chiếu vuông góc thì nhiều tia rơi xuống mặt đất, và ta cảm thấy nóng. Nếu chiếu dưới góc nhỏ hơn thì ít tia rơi xuống mặt đất hơn, các tia “thưa hơn”, và ta cảm thấy lạnh. Trên Trái Đất cũng xảy ra đúng như vậy:
Mọi tia nắng chiếu vuông góc xuống mặt đất đều rơi vào Nam bán cầu. Vì vậy mỗi mét vuông ở Nam bán cầu nhận được nhiều tia nắng hơn, nên ở đó ấm hơn ở Bắc bán cầu – nơi tia nắng vẫn chiếu tới nhưng dưới góc nhỏ hơn, nên ít tia rơi xuống hơn. Cũng vì thế mà ở Bắc bán cầu, càng đi về phía bắc thường càng lạnh, càng về phía nam thường càng ấm. Ở những vùng xa hơn về phía bắc, tia nắng chiếu xuống dưới góc nhỏ hơn, nên số tia rơi xuống ít hơn so với những vùng ở phía nam.