Độ nghiêng của Trái Đất tạo ra bốn mùa như thế nào?

Trong bốn ảnh chụp toàn bộ mặt sáng của Trái Đất vào các điểm chí và điểm phân, các lục địa dường như dịch chuyển, vùng cực lúc hiện rõ, lúc khuất hẳn, còn trong một số ảnh, hành tinh trông lớn hơn trong những ảnh khác. Những thay đổi ấy đến từ hai cơ chế riêng biệt: độ nghiêng khoảng 23,5° quyết định cách ánh sáng Mặt Trời phân bố giữa hai bán cầu, trong khi khoảng cách và góc quan sát của tàu DSCOVR quyết định kích thước cùng độ tròn biểu kiến của Trái Đất. [1]

Vì vậy, một bức ảnh Trái Đất từ xa đồng thời chứa thông tin về mùa và vị trí của máy ảnh. Muốn đọc đúng hình, cần tách ba câu hỏi: bán cầu nào đang nghiêng về phía Mặt Trời, tàu vũ trụ đang cách Trái Đất bao xa, và Mặt Trời, Trái Đất cùng tàu đang tạo thành góc quan sát như thế nào. [1]

Độ nghiêng làm thay đổi điều gì?

Có thể hình dung Trái Đất như một con quay có trục lệch khỏi phương thẳng đứng của mặt phẳng quỹ đạo. Khi hành tinh chuyển động quanh Mặt Trời, độ nghiêng này khiến hai bán cầu lần lượt hướng về phía nguồn sáng nhiều hơn. Vào khoảng điểm chí tháng 6, bán cầu Bắc nghiêng về phía Mặt Trời; đến điểm chí tháng 12, lợi thế ấy chuyển sang bán cầu Nam. [1]

Bán cầu nghiêng về phía Mặt Trời nhận tia sáng trực diện hơn và có thời gian ban ngày dài hơn. Cùng một lượng ánh sáng khi chiếu gần vuông góc sẽ tập trung trên diện tích nhỏ hơn so với khi chiếu xiên, nên năng lượng đến bề mặt cũng tập trung hơn. Đồng thời, khoảng thời gian được chiếu sáng kéo dài. Hai tác động phối hợp tạo nên mùa ấm ở bán cầu đang nghiêng về phía Mặt Trời, trong khi bán cầu kia có ngày ngắn và ánh sáng xiên hơn. [1]

Cơ chế này cũng giải thích vì sao hai bán cầu có mùa đối nghịch. Khi tháng 6 mở đầu mùa hè ở phần lớn bán cầu Bắc, bán cầu Nam bước vào mùa đông; đến tháng 12, tình thế đảo lại. Không phải một bán cầu vĩnh viễn nhận nhiều ánh sáng hơn, mà ưu thế thay đổi theo vị trí của Trái Đất trên hành trình hằng năm quanh Mặt Trời. [1]

Điểm phân nằm ở đâu trong chu kỳ mùa?

Điểm xuân phân vào khoảng tháng 3 và điểm thu phân vào khoảng tháng 9 nằm giữa hai trạng thái cực đại của các điểm chí. Trong ảnh toàn cầu, dấu hiệu đáng chú ý là đường phân cách sáng tối, còn gọi là terminator, đi qua cả hai cực. Hai bán cầu khi ấy nhận lượng ánh sáng gần tương đương, còn ngày và đêm có độ dài gần bằng nhau. [1]

Điểm phân không xóa bỏ độ nghiêng của trục Trái Đất. Trục vẫn nghiêng khoảng 23,5°, nhưng tại vị trí đó trên quỹ đạo, không bán cầu nào hướng nổi trội về phía Mặt Trời. Sau điểm phân, sự chênh lệch tiếp tục tăng theo một hướng cho tới điểm chí kế tiếp, rồi giảm và đảo chiều trong nửa chu kỳ sau. [1]

Có thể xem điểm chí là lúc sự tương phản chiếu sáng giữa hai bán cầu nổi bật nhất, còn điểm phân là lúc hai bên đi qua trạng thái cân bằng tương đối. Cách nhìn này giúp nối bốn mốc quen thuộc thành một chu kỳ liên tục, thay vì coi chúng là bốn sự kiện tách rời. [1]

Bốn ảnh EPIC cho thấy mùa ra sao?

EPIC, viết tắt của Earth Polychromatic Imaging Camera, được đặt trên tàu DSCOVR và quan sát gần như liên tục bán cầu đang được Mặt Trời chiếu sáng. Từ khu vực giữa Mặt Trời và Trái Đất, cách hành tinh trung bình khoảng 1,6 triệu km, thiết bị ghi ảnh toàn đĩa sau mỗi vài giờ khi Trái Đất tự quay. [1]

Trong bộ ảnh được chụp vào thời điểm gần giống nhau trong ngày, sự khác biệt rõ nhất xuất hiện giữa hai điểm chí. Ở ảnh tháng 12, Nam Mỹ nằm gần tâm đĩa, phần lớn Nam Cực hiện ra, còn Bắc Mỹ bị đẩy một phần khỏi vùng nhìn thấy. Sang ảnh tháng 6, Bắc Mỹ và bán cầu Bắc tiến gần trung tâm hơn, băng biển Bắc Cực xuất hiện, Nam Mỹ lệch sang bên và Nam Cực khuất khỏi tầm nhìn. [1]

Các lục địa không thực sự trượt lên xuống trên bề mặt hành tinh. Vị trí biểu kiến của chúng thay đổi vì trục nghiêng làm bán cầu hướng về máy ảnh thay đổi theo mùa. Đây là tín hiệu trực quan của độ nghiêng: điểm nằm gần tâm đĩa là khu vực được nhìn trực diện hơn, còn nơi gần rìa bị thu ngắn theo phối cảnh và có thể ra khỏi trường nhìn. [1]

Vì sao Trái Đất lúc lớn, lúc nhỏ trong ảnh?

Trong bốn ảnh EPIC, Trái Đất trông nhỏ hơn đôi chút vào hai điểm phân được chọn. Hiện tượng này không phải hậu quả của độ nghiêng trục. Khi những ảnh đó được chụp, DSCOVR ở xa Trái Đất hơn hàng chục nghìn kilômét so với lúc chụp các ảnh điểm chí. Cùng một hành tinh sẽ chiếm phần nhỏ hơn trong khung hình khi máy ảnh lùi xa hơn. [1]

Một cặp số đo cho thấy mức chênh lệch: ngày 21/12/2023, DSCOVR cách Trái Đất khoảng 1,45 triệu km, còn ngày 22/9/2024 khoảng cách gần 1,56 triệu km. Hai mốc thuộc hai năm khác nhau và chỉ mô tả hình học của những ảnh cụ thể. Chúng không có nghĩa DSCOVR luôn ở xa hơn vào điểm phân. [1]

Khoảng cách biến đổi vì DSCOVR không đứng yên tại một điểm cố định. Tàu đi theo quỹ đạo Lissajous, một đường vòng ba chiều quanh vùng lân cận điểm Lagrange 1 của hệ Mặt Trời - Trái Đất. Tại khu vực này, tác động hấp dẫn và chuyển động của tàu tạo điều kiện để duy trì vị trí quan sát với lượng nhiên liệu tương đối ít. [1]

DSCOVR đi qua các khoảng cách cực đại và cực tiểu theo chu kỳ xấp xỉ ba tháng, nhưng thời điểm của chu kỳ trôi dần do ảnh hưởng của Mặt Trăng và các lần điều chỉnh quỹ đạo. Năm 2024, vị trí quỹ đạo tình cờ khiến tàu ở xa hơn vào cả hai điểm phân. Sự trùng hợp đó không phải một quy luật của mùa. [1]

Độ tròn của hành tinh còn phụ thuộc vào đâu?

Khoảng cách quyết định Trái Đất chiếm bao nhiêu chỗ trong ảnh, còn góc giữa Mặt Trời, Trái Đất và DSCOVR ảnh hưởng đến phần đĩa được chiếu sáng mà máy ảnh nhìn thấy. Do quỹ đạo Lissajous, góc này thay đổi trong khoảng 2° đến 12°. Khi góc nhỏ, đĩa Trái Đất trông gần đầy; khi góc lớn, một phần rìa tối xuất hiện, tương tự pha khuyết chưa tròn của Mặt Trăng. [1]

Trong bộ ảnh được phân tích, ảnh ngày 22/9 có góc khoảng 8,1°, nhỏ hơn mức 10,3° của ảnh ngày 21/12, nên đĩa Trái Đất tháng 9 trông tròn và đầy hơn đôi chút. Hai ảnh còn lại có góc trong khoảng 9° đến 10°. Đây là khác biệt về hình học quan sát, không phải hành tinh thay đổi hình dạng. [1]

Bốn ảnh vì thế cần được đọc theo hai lớp. Sự thay đổi nổi bật về vị trí lục địa và vùng cực phản ánh độ nghiêng trục cùng chu kỳ mùa. Những khác biệt tinh tế về kích thước và phần rìa sáng lại phản ánh chuyển động của chính tàu quan sát. Một tấm ảnh tưởng như đơn giản về Trái Đất thực ra ghi đồng thời chuyển động của hành tinh và vị trí của người quan sát trong không gian. [1]