Tâm khối Trái Đất liên tục dịch chuyển theo mùa: Khoa học giải mã nhịp lắc vô hình

Trái Đất không phải là một viên bi hoàn hảo đứng yên trên trục của nó. Trọng tâm thực sự của hành tinh — tức tâm khối — liên tục dịch chuyển qua lại vài milimét mỗi năm so với tâm hình học. Nguyên nhân đến từ sự di chuyển liên tục của hàng tỷ tấn nước mưa, băng tuyết dồn dịch trên các lục địa và các luồng khí quyển biến đổi theo mùa giữa hai bán cầu. Dù sự lệch nhịp này rất nhỏ, việc đo đạc chính xác từng gây nhiều tranh cãi trong cộng đồng khoa học vũ trụ. Nhờ kết hợp dữ liệu laser vệ tinh, hệ thống GPS cùng mô hình biến dạng vỏ Trái Đất, một nhóm nghiên cứu do Phòng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) thuộc NASA dẫn đầu đã xác định chuyển động này với độ chính xác cao chưa từng có. [1]

Tâm khối và tâm hình học: Sự lệch nhịp của một hành tinh động

Nếu Trái Đất là một khối đặc ruột đồng chất, tâm khối của nó sẽ trùng khít với tâm hình học. Tuy nhiên, bề mặt hành tinh luôn chuyển động không ngừng. Sự phân bố lại khối lượng của lớp nước, băng tuyết và không khí khiến trọng tâm địa cầu xoay quanh tâm hình học một khoảng nhỏ tính bằng milimét. [1]

Việc xác định con số chính xác là thách thức kéo dài nhiều thập kỷ. Năm 2017 và 2023, hai phép đo quốc tế độc lập từng đưa ra kết quả lệch nhau khoảng 7 milimét — tương đương chiều cao của ba đồng xu xếp chồng. Mức chênh lệch này gần bằng chính khoảng cách dịch chuyển cần đo đạc. Trong nghiên cứu mới trên tạp chí Geophysical Journal International, nhà địa cầu học Donald Argus cùng đồng nghiệp tại JPL và các viện nghiên cứu đối tác đã thu hẹp đáng kể độ bất định này. Phép tính mới cho thấy biên độ dao động hằng năm của tâm khối Trái Đất chỉ bằng khoảng một nửa so với ước tính cách đây 8 năm, đồng nghĩa lượng nước và không khí luân chuyển giữa hai bán cầu ít hơn nhận định trước đó. [1]

Vệ tinh "bóng disco" và bài toán đo khoảng cách cực mịn

Do lực hấp dẫn kéo các vật thể về phía trọng tâm Trái Đất, mọi vệ tinh nhân tạo đều bay quanh tâm khối thực sự chứ không phải tâm hình học. Đặc tính này biến vệ tinh thành công cụ đo lường tự nhiên. NASA đã khai thác hai vệ tinh đặc biệt là LAGEOS 1 (phóng năm 1976) và LAGEOS 2 (phóng năm 1992). [1]

Mỗi vệ tinh LAGEOS nặng khoảng 408 kg, mang hình dáng quả cầu kim loại phủ hàng trăm lăng kính phản xạ trông như quả bóng disco. Trạm quan sát từ hơn 20 quốc gia bắn tia laser lên vệ tinh và đo thời gian tín hiệu phản hồi. Tuy nhiên, do các trạm laser mặt đất phân bố không đều, nhóm nghiên cứu JPL đã kết hợp dữ liệu laser với GPS và thông tin quỹ đạo của nhiều vệ tinh ở quỹ đạo thấp. Họ cũng tính đến việc khối lượng nước và băng làm uốn cong lớp vỏ Trái Đất, khiến chính các trạm đo trên mặt đất cũng nhích nhẹ theo sự biến dạng địa hình. [1]

Cuộc di chuyển của tuyết, mưa bão và các luồng khí quyển

Nhóm nghiên cứu bóc tách chuyển động theo mùa của tâm khối Trái Đất thành ba yếu tố: đại dương, khí quyển và nước trên lục địa (gồm tuyết, băng, sông hồ, độ ẩm đất và nước ngầm). Sự dồn dịch khối lượng này thay đổi rõ rệt qua các tháng trong năm. [1]

Vào tháng 3, lượng tuyết tích tụ ở Bắc Mỹ và khu vực Á - Âu đạt đỉnh, kéo tâm khối Trái Đất nhích khoảng 3 milimét về phía Bắc Cực. Đến tháng 4, lưu vực sông Amazon ở Nam Mỹ tích khoảng 2.400 gigaton nước mưa, kéo trọng tâm hành tinh nhích 2,2 milimét về hướng Nam Mỹ. Sáu tháng sau, vào tháng 11, lượng nước mưa gió mùa ở Đông Nam Á đạt đỉnh khoảng 600 gigaton, tiếp tục tạo ra lực hút điều chỉnh trọng tâm. Bên cạnh đó, mô hình từ Trung tâm Dự báo Thời tiết Tầm trung Châu Âu (ECMWF) cho thấy không khí mùa đông lạnh dồn khối lượng về phía Ả Rập, Châu Á và Bắc Phi vào khoảng ngày 21 tháng 12, trước khi chuyển hướng sang Nam Mỹ và Nam Phi vào khoảng ngày 21 tháng 6. [1]

Lực kéo đại dương và sự kiểm chứng từ cặp vệ tinh song sinh

Nước biển cũng giữ vai trò quan trọng trong nhịp lắc của trọng tâm Trái Đất. Từ tháng 8 đến tháng 10, nước băng tan và mưa bão đổ thêm khối lượng vào các đại dương, đẩy tâm khối hành tinh dịch chuyển về phía Nam Thái Bình Dương. Diện tích rộng lớn của Thái Bình Dương làm cho sự biến đổi khối lượng tại đây vượt trội so với các vùng biển nhỏ như Địa Trung Hải, Biển Đỏ, Biển Bắc, Biển Baltic hay Biển Barents. [1]

Kết quả tính toán của nhóm JPL trùng khớp với dữ liệu thu thập từ nhiệm vụ vệ tinh GRACE-FO do NASA và Trung tâm Nghiên cứu Địa chất Đức (GFZ) hợp tác phóng năm 2018. Cặp vệ tinh này bay theo đội hình chính xác để đo biến thiên trường trọng lực. Khi vệ tinh dẫn đường qua khu vực tích tụ nhiều khối lượng hơn — như lưu vực sông đầy nước —, lực hấp dẫn tăng lên sẽ làm thay đổi khoảng cách giữa hai vệ tinh một lượng rất nhỏ nhưng đo được. Để nối dài chuỗi dữ liệu gần 25 năm, hai cơ quan đang chuẩn bị cho nhiệm vụ tiếp theo mang tên GRACE-Continuity (GRACE-C), dự kiến phóng vào cuối năm 2028. [1]

Ứng dụng thiết thực từ những dịch chuyển chỉ vài milimét

Dù chuyển động của tâm khối Trái Đất chỉ tính bằng milimét, ý nghĩa của việc đo đạc này lại rất lớn đối với đời sống thực tế. Theo nhà nghiên cứu Felix Landerer tại JPL, thế giới hiện đại phụ thuộc mạnh mẽ vào các phép đo định vị có độ chính xác cao. Trọng tâm Trái Đất đóng vai trò là gốc tọa độ chuẩn cho toàn bộ hệ thống định vị vệ tinh và phép đo độ cao bề mặt hành tinh. [1]

Việc xác định chuẩn xác gốc tọa độ giúp cải thiện các mô hình bản đồ và hệ thống dẫn đường. Nhờ đó, các hoạt động hàng hải quốc tế, công tác giám sát mực nước biển dâng hay vận hành nông nghiệp chính xác đều được tối ưu hóa. Kết quả nghiên cứu không chỉ mang lại công cụ đo lường sắc bén hơn mà còn cho thấy Trái Đất là một hành tinh động, liên tục biến đổi khối lượng theo chu kỳ sinh hoạt của nước và không khí. [1]