Ngày trên Trái Đất đang dài ra rất chậm, trung bình khoảng 1,8 phần nghìn giây mỗi thế kỷ, vì lực thuỷ triều của Mặt Trăng đang "hãm" sự quay của Trái Đất. Đổi lại, Mặt Trăng nhận thêm mô men động lượng và lùi xa dần khỏi Trái Đất khoảng 3,8 cm mỗi năm — con số đo được bằng tia laser bắn tới những tấm gương mà các phi hành gia Apollo để lại trên Mặt Trăng. Khoảng 400 triệu năm trước, một năm có tới gần 400 ngày, bằng chứng nằm trong những vòng sinh trưởng của san hô hoá thạch.
Thuỷ triều là một cái phanh
Như bài về thuỷ triều đã giải thích, lực thuỷ triều của Mặt Trăng làm đại dương phình ra ở hai phía. Nếu Trái Đất không quay, hai chỗ phình sẽ nằm đúng trên đường nối Trái Đất – Mặt Trăng. Nhưng Trái Đất quay nhanh hơn Mặt Trăng đi quanh nó (một vòng mỗi ngày so với một vòng mỗi 27,3 ngày). Ma sát giữa nước biển và đáy biển, bờ biển kéo hai chỗ phình đi trước một chút theo chiều quay của Trái Đất.
Hai chỗ phình lệch khỏi đường nối Trái Đất – Mặt Trăng gây ra hai hiệu ứng:
- Mặt Trăng kéo ngược chỗ phình, tạo một mô men lực ngược chiều quay của Trái Đất. Trái Đất quay chậm dần, ngày dài ra.
- Chỗ phình kéo Mặt Trăng về phía trước trên quỹ đạo, cho Mặt Trăng thêm năng lượng và mô men động lượng. Mặt Trăng chuyển lên quỹ đạo cao hơn, lùi xa dần.
Tổng mô men động lượng của hệ Trái Đất – Mặt Trăng được bảo toàn (bài về bảo toàn mô men động lượng): Trái Đất mất bao nhiêu, Mặt Trăng nhận bấy nhiêu. Năng lượng thì không bảo toàn ở dạng chuyển động: một phần biến thành nhiệt do ma sát của nước biển — khoảng vài terawatt, phần lớn tiêu tán ở các vùng biển nông.
Đo bằng tia laser tới Mặt Trăng
Năm 1969, các phi hành gia Apollo 11 đặt trên Mặt Trăng một tấm gương phản xạ đặc biệt gồm nhiều lăng kính góc — loại gương phản xạ ánh sáng về đúng hướng nó đến. Apollo 14 và 15 cũng đặt các tấm như vậy, và hai tàu tự hành Lunokhod của Liên Xô mang theo gương tương tự.
Từ các đài quan sát trên Trái Đất, các nhà khoa học bắn xung laser mạnh lên Mặt Trăng, đo thời gian ánh sáng đi và về (khoảng 2,5 giây). Từ đó tính được khoảng cách tới Mặt Trăng với độ chính xác cỡ milimét. Sau hơn năm mươi năm đo, kết quả cho thấy Mặt Trăng đang lùi ra xa với tốc độ khoảng 3,8 cm mỗi năm — cỡ tốc độ móng tay mọc dài ra.
Bằng chứng từ nhật thực cổ
Ngày dài ra 1,8 phần nghìn giây mỗi thế kỷ nghe rất nhỏ. Nhưng hiệu ứng cộng dồn theo thời gian. Nếu ngày ngắn hơn một chút trong quá khứ, thì "đồng hồ Trái Đất" chạy lệch ngày càng xa so với một đồng hồ đều đặn. Sau 2.000 năm, sai lệch tích luỹ lên tới vài giờ.
Các nhà thiên văn so sánh ghi chép nhật thực, nguyệt thực cổ của Babylon, Trung Hoa, Hy Lạp, Ả Rập với tính toán quỹ đạo. Nếu Trái Đất quay đều như bây giờ, nhật thực toàn phần năm 136 trước Công nguyên mà người Babylon ghi lại đáng lẽ phải được thấy ở một vùng cách Babylon hàng nghìn kilômét. Chỉ khi tính tới việc ngày dài dần, dải nhật thực mới đi qua đúng Babylon. Các nghiên cứu của Richard Stephenson và cộng sự (Đại học Durham, Anh) dựa trên hàng trăm ghi chép như vậy cho ra con số trung bình khoảng 1,8 phần nghìn giây mỗi thế kỷ trong khoảng 2.700 năm qua.
Con số này nhỏ hơn mức mà riêng lực thuỷ triều gây ra (khoảng 2,3 phần nghìn giây mỗi thế kỷ). Phần chênh được giải thích chủ yếu là do Trái Đất "phục hồi" sau kỷ băng hà: khi các khối băng khổng lồ tan, vỏ Trái Đất ở vùng cực nhô dần lên, Trái Đất bớt dẹt, mô men quán tính giảm, quay nhanh lên một chút — đúng như người trượt băng thu tay vào.
San hô hoá thạch đếm ngày của quá khứ
Năm 1963, nhà cổ sinh vật học John Wells (Đại học Cornell, Mỹ) đếm các vân sinh trưởng siêu nhỏ trên san hô hoá thạch kỷ Devon, khoảng 380–400 triệu năm trước. San hô tạo một vân mỏng mỗi ngày, và các dải dày mỏng theo mùa. Đếm số vân ngày trong một dải năm, ông thấy mỗi năm có khoảng 400 ngày.
Năm (thời gian Trái Đất quay quanh Mặt Trời) gần như không đổi, nên 400 ngày mỗi năm nghĩa là mỗi ngày chỉ dài khoảng 22 giờ. Kết quả khớp đáng kinh ngạc với tốc độ hãm do thuỷ triều tính theo lý thuyết. Các nghiên cứu sau này trên trầm tích thuỷ triều cổ và các dạng hoá thạch khác cho kết quả tương tự.
| Thời điểm (ước tính) | Độ dài ngày gần đúng | Số ngày mỗi năm |
|---|---|---|
| Hiện nay | 24 giờ | khoảng 365 |
| Khoảng 400 triệu năm trước (kỷ Devon) | khoảng 22 giờ | khoảng 400 |
| Hàng tỷ năm trước | Ngắn hơn nhiều; các ước tính khác nhau, còn tranh luận | Nhiều hơn nhiều |
Giây nhuận: khi đồng hồ nguyên tử chạy nhanh hơn Trái Đất
Từ năm 1967, giây được định nghĩa theo đồng hồ nguyên tử xêzi, đều tuyệt đối. Nhưng Trái Đất quay không đều tuyệt đối. Để giờ chuẩn quốc tế (UTC) không lệch xa với vị trí Mặt Trời trên bầu trời, từ năm 1972 các cơ quan đo thời gian thỉnh thoảng thêm một "giây nhuận" vào cuối ngày 30 tháng 6 hoặc 31 tháng 12. Tính tới nay có 27 giây nhuận đã được thêm, lần gần nhất vào cuối năm 2016.
Giây nhuận gây phiền phức cho các hệ thống máy tính, mạng viễn thông, tài chính. Năm 2022, Đại hội Cân đo Quốc tế (CGPM) quyết định sẽ ngừng dùng giây nhuận chậm nhất từ năm 2035, chấp nhận để UTC lệch dần với Trái Đất và điều chỉnh theo cách khác trong tương lai xa.
Điều thú vị: những năm gần đây Trái Đất lại quay hơi nhanh hơn bình thường một chút, vài ngày trong các năm 2020–2024 ngắn hơn 24 giờ hơn một phần nghìn giây. Nguyên nhân liên quan tới chuyển động của lõi Trái Đất, khí quyển, đại dương — những dao động ngắn hạn chồng lên xu hướng chậm dần dài hạn. Các trận động đất rất lớn cũng làm thay đổi nhẹ tốc độ quay: trận động đất Sumatra năm 2004 được tính toán đã làm ngày ngắn đi vài phần triệu giây, do dịch chuyển khối lượng về gần tâm Trái Đất hơn.
Tương lai xa của Trái Đất và Mặt Trăng
Nếu quá trình hãm tiếp tục rất lâu, theo lý thuyết, Trái Đất sẽ quay chậm dần cho tới khi một ngày bằng một tháng — khi đó Trái Đất cũng luôn quay một mặt về phía Mặt Trăng, như Mặt Trăng đã làm với Trái Đất. Nhưng quá trình này cần hàng chục tỷ năm, lâu hơn tuổi thọ còn lại của Mặt Trời. Mặt Trời sẽ thay đổi mạnh trước khi điều đó xảy ra.
Còn một hệ quả gần hơn: vì Mặt Trăng lùi xa dần, nó trông nhỏ đi rất chậm trên bầu trời. Hiện nay Mặt Trăng và Mặt Trời có kích thước biểu kiến gần bằng nhau — sự trùng hợp cho phép có nhật thực toàn phần. Trong tương lai rất xa (hàng trăm triệu năm), Mặt Trăng sẽ không còn che kín được Mặt Trời, và chỉ còn nhật thực hình khuyên.
Góc nhìn hôm nay: thấy được sự "hãm" chậm rãi
- Ngắm Mặt Trăng: luôn chỉ một mặt quay về phía Trái Đất. Đó là dấu vết của chính quá trình hãm thuỷ triều — Trái Đất đã hãm sự tự quay của Mặt Trăng từ rất lâu.
- Tìm hiểu về giây nhuận: các trang của Dịch vụ Quay Trái Đất và Hệ quy chiếu Quốc tế (IERS) công bố số liệu chiều dài ngày đo hằng ngày.
- Nếu có dịp tới các bảo tàng địa chất, xem các mẫu san hô hoá thạch và trầm tích phân lớp — những "cuốn lịch" của quá khứ.
Câu hỏi thường gặp
Ngày trên Trái Đất có đang dài ra không?
Có, rất chậm. Theo ghi chép nhật thực cổ, ngày dài ra trung bình khoảng 1,8 phần nghìn giây mỗi thế kỷ, chủ yếu do lực thuỷ triều của Mặt Trăng hãm sự quay của Trái Đất. Trong ngắn hạn, tốc độ quay còn dao động lên xuống.
Vì sao Mặt Trăng lùi xa khỏi Trái Đất?
Chỗ phình thuỷ triều bị Trái Đất quay kéo đi trước, kéo Mặt Trăng về phía trước trên quỹ đạo, cho nó thêm mô men động lượng. Mặt Trăng chuyển lên quỹ đạo cao hơn, lùi xa khoảng 3,8 cm mỗi năm, đo bằng laser bắn tới gương Apollo.
400 triệu năm trước một ngày dài bao lâu?
Theo đếm vân sinh trưởng trên san hô hoá thạch kỷ Devon của John Wells năm 1963, mỗi năm khi đó có khoảng 400 ngày, tức mỗi ngày dài khoảng 22 giờ.
Giây nhuận là gì?
Là một giây được thêm vào giờ chuẩn quốc tế UTC để giữ nó khớp với sự quay không đều của Trái Đất. Từ năm 1972 đã có 27 giây nhuận, lần gần nhất cuối năm 2016. Năm 2022, quốc tế quyết định ngừng dùng giây nhuận chậm nhất từ năm 2035.
Vì sao Mặt Trăng luôn quay một mặt về Trái Đất?
Vì lực thuỷ triều của Trái Đất đã hãm sự tự quay của Mặt Trăng từ rất lâu, cho tới khi thời gian Mặt Trăng tự quay một vòng bằng đúng thời gian nó quay quanh Trái Đất. Hiện tượng này gọi là khoá thuỷ triều.