Kinh tuyến và vĩ tuyến: Những đường tưởng tượng đo Trái Đất ra sao?

Kinh tuyến và vĩ tuyến không nằm trên mặt đất như đường ray, cũng không tạo thành những vạch nhìn thấy từ ngoài không gian. Thế nhưng nhờ chúng, một vị trí có thể được gọi tên bằng tọa độ, hướng di chuyển của tàu có thể được theo dõi, còn những thay đổi rất nhỏ trong tư thế Trái Đất có thể được phát hiện. Câu hỏi trung tâm là: một hệ đường tưởng tượng biến thành công cụ đo đạc bằng cách nào? Câu trả lời bắt đầu từ việc thống nhất một điểm gốc, một hướng đo và một đơn vị góc. [1]

Vĩ độ bắt đầu từ đâu?

Vĩ tuyến là những đường tưởng tượng chạy theo hướng đông–tây, dùng để đo khoảng cách của một địa điểm về phía bắc hoặc phía nam. Đường xích đạo được quy ước là vĩ độ 0°, chia Trái Đất thành Bắc bán cầu và Nam bán cầu. Càng đi về một trong hai cực, con số vĩ độ càng tăng, tới 90° ở mỗi cực. Vì các vĩ tuyến song song, chúng tạo ra một thước đo đều đặn theo hướng bắc–nam, dù bề mặt Trái Đất thực tế là một khối cong. [1]

Điểm quan trọng nằm ở chỗ vĩ độ không cần một vạch sơn trên mặt đất. Nó là quan hệ hình học giữa vị trí đang xét, tâm Trái Đất và mặt phẳng xích đạo. Khi vị trí thay đổi, góc tương ứng cũng thay đổi. Nhờ vậy, hai người ở rất xa nhau vẫn có thể mô tả vị trí bằng cùng một quy tắc. Trong đời thường, có thể hình dung đây như việc chia một quả cam bằng các vòng ngang: những vòng ấy không phải vật liệu mới, nhưng cho phép so sánh xem một điểm nằm gần đầu nào của quả hơn.

Vì sao góc lại thành khoảng cách?

Một độ vĩ tuyến tương ứng với khoảng 111 km trên bề mặt Trái Đất; mỗi độ lại chia thành 60 phút, mỗi phút chia thành 60 giây. Vì thế, vĩ độ chuyển một câu hỏi trừu tượng như “ở phía bắc bao xa?” thành một giá trị có thể sử dụng trên bản đồ và trong đo đạc. Cách chia này cũng cho phép diễn tả chênh lệch rất nhỏ giữa hai vị trí mà không cần đặt thêm một hệ đơn vị riêng. [1]

Khi cần xác định vị trí ngoài thực địa, người đo có thể dùng một hướng tham chiếu ổn định trên bầu trời. Về nguyên tắc, góc giữa đường chân trời và một thiên thể cho biết người quan sát đang ở khoảng vĩ độ nào; trước đây, Mặt Trời hoặc Sao Bắc Cực thường được dùng cho việc đó. Cách đo này từng thuận lợi hơn việc xác định kinh độ trong những chuyến đi biển, bởi góc quan sát có thể liên hệ trực tiếp với vị trí bắc–nam. Ở Nam bán cầu, việc dựa vào Sao Bắc Cực không thực hiện được vì ngôi sao này không nhìn thấy. [1]

Kinh tuyến làm gì trong hệ tọa độ?

Vĩ độ chỉ cho biết vị trí theo hướng bắc–nam, nên chưa đủ để phân biệt mọi điểm trên một vĩ tuyến. Kinh độ bổ sung chiều đông–tây. Khi hai giá trị được đặt cạnh nhau, một địa điểm có thể được xác định trong mạng lưới chung thay vì chỉ được mô tả bằng tên vùng, bờ biển hay hướng đi tương đối. Đây là lý do bản đồ, hàng hải và các hệ thống định vị cần cả kinh tuyến lẫn vĩ tuyến. [1]

Có một khác biệt hình học đáng chú ý: các vĩ tuyến vẫn song song, còn các kinh tuyến tiến lại gần nhau khi hướng về hai cực. Điều đó khiến cùng một thay đổi kinh độ không luôn tương ứng với cùng một khoảng cách đông–tây ở mọi vĩ độ. Vì vậy, tọa độ là ngôn ngữ vị trí, không phải lúc nào cũng là thước đo khoảng cách trực tiếp. Muốn tính quãng đường, người sử dụng còn phải xét độ cong của Trái Đất và vị trí cụ thể trên mạng lưới. [1]

Các đường đặc biệt liên quan gì đến khí hậu?

Một số vĩ tuyến có tên riêng vì chúng gắn với vị trí biểu kiến của Mặt Trời trong chu kỳ Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời. Hai chí tuyến nằm xấp xỉ ở 23° bắc và 23° nam, được xem là ranh giới của vùng nhiệt đới. Vòng Bắc Cực và vòng Nam Cực nằm xấp xỉ ở 66° bắc và 66° nam, đánh dấu ranh giới các vùng cực. Những đường này không phải bức tường chia khí hậu, nhưng giúp con người nói về các miền nhận ánh sáng và có đặc điểm thời tiết, khí hậu, hải lưu khác nhau bằng một cách thống nhất. [1]

Giá trị của chúng nằm ở việc biến vị trí thành biến số để so sánh. Khi một bản đồ khí hậu, thời tiết hoặc hải lưu được đặt trên cùng hệ vĩ độ, nhà nghiên cứu có thể xem một hiện tượng phân bố theo hướng bắc–nam ra sao. Bản thân vĩ tuyến không gây ra hiện tượng; nó chỉ cung cấp khung quy chiếu. Đây là điểm dễ bị bỏ qua: đường tưởng tượng không phải tác nhân vật lý, nhưng vẫn có thể làm công cụ tổ chức quan sát rất hiệu quả.

Vĩ tuyến 39 theo dõi điều gì?

Lịch sử quan trắc tại vĩ tuyến 39 cho thấy tọa độ có thể phục vụ cả nghiên cứu chuyển động của hành tinh. Từ năm 1899, một đài quan sát gần nhà một nhà khoa học ở Gaithersburg, Maryland, bắt đầu thu thập số đo vĩ độ trong một dự án quốc tế theo dõi độ lắc của Trái Đất quanh trục cực. Sau đó, một đài khác được xây dựng tại Ukiah, California, cùng các trạm ở những nơi nằm dọc vĩ tuyến 39 bắc. Các trạm không cần nằm trên một đường vật lý; điều quan trọng là chúng cùng tuân theo một mốc vĩ độ. [1]

Nếu hướng của trục Trái Đất thay đổi rất nhỏ, vị trí thiên văn suy ra tại một trạm cũng có thể dao động. Đo lặp lại tại các địa điểm có cùng vĩ tuyến giúp tách biến đổi của hệ quy chiếu khỏi sai khác do mỗi nơi dùng một mốc riêng. Đây là diễn giải về vai trò của mạng lưới: vĩ tuyến cung cấp điều kiện so sánh chung, còn các phép đo lặp lại mới tạo ra chuỗi quan sát. Từ thập niên 1980, dữ liệu vệ tinh thay thế quan sát bằng con người trong công việc này, nhưng dữ liệu từ các đài vẫn tiếp tục được sử dụng. [1]

Từ thiên văn đến định vị hiện đại

Ngày nay, việc xác định tọa độ vẫn dựa trên hình học, nhưng công cụ đã thay đổi. Hơn 30 vệ tinh định vị toàn cầu truyền tín hiệu tới các máy thu trên mặt đất. Mạng các trạm tham chiếu hoạt động liên tục CORS do National Geodetic Survey quản lý cung cấp các điểm cố định để đối chiếu dữ liệu định vị. Khi kết hợp với những dữ liệu khác trong National Spatial Reference System, vị trí vĩ độ, kinh độ và độ cao có thể đạt độ chính xác tới vài centimet. [1]

Mức chính xác ấy cũng cho thấy vì sao cách định nghĩa vĩ độ phải được chọn cẩn thận. Nếu coi Trái Đất là hình cầu hoàn hảo, ta có thể dùng góc giữa đường nối một điểm với tâm Trái Đất và hướng tới xích đạo. Nhưng Trái Đất hơi dẹt ở hai cực do chuyển động quay, nên các phép đo địa trắc dùng mô hình phù hợp hơn với hình dạng, hướng trong không gian và trường trọng lực thực tế. Một đường tưởng tượng chỉ hữu ích khi quy tắc tạo ra nó phù hợp với câu hỏi cần đo. [1]