Ngày và đêm hình thành do Trái Đất tự quay thế nào?

Nói chính xác hơn, chuyển động tự quay không tạo ra ánh sáng hay bóng tối. Ánh sáng đến từ Mặt Trời, còn hình dạng Trái Đất khiến không phải toàn bộ bề mặt được chiếu sáng cùng lúc. Vai trò của sự tự quay là làm thay đổi liên tục phần bề mặt đang hướng về Mặt Trời, vì vậy ngày và đêm luân phiên tại phần lớn các địa điểm trên Trái Đất.

Vì sao một nửa Trái Đất là ngày và nửa kia là đêm?

Mặt Trời chiếu ánh sáng về phía Trái Đất từ một hướng xác định. Do Trái Đất có dạng gần hình cầu, phần bề mặt hướng về phía Mặt Trời nhận ánh sáng trực tiếp, trong khi phần ở phía đối diện bị chính Trái Đất che khuất.

Về hình học, hai vùng này được phân chia bởi đường phân chia sáng – tối, thường gọi là terminator. Một địa điểm nằm phía được chiếu sáng sẽ trải qua ban ngày; khi nằm phía không nhận ánh sáng trực tiếp từ Mặt Trời, địa điểm đó trải qua ban đêm.

Ranh giới quan sát thực tế không hoàn toàn sắc nét. Khí quyển làm ánh sáng Mặt Trời bị tán xạ và khúc xạ, tạo ra bình minh và hoàng hôn trước hoặc sau thời điểm Mặt Trời thực sự đi qua đường chân trời. Tuy vậy, cơ chế cơ bản vẫn là sự phân chia giữa phần Trái Đất hướng về Mặt Trời và phần quay ra xa Mặt Trời.

Nếu Trái Đất không tự quay nhưng vẫn giữ cùng một hướng đối với Mặt Trời, một phía có thể duy trì trạng thái được chiếu sáng còn phía đối diện duy trì bóng tối. Chính sự tự quay khiến một địa điểm trên bề mặt không ở mãi trong một trạng thái như vậy.

Trái Đất tự quay tạo chu kỳ ngày – đêm ra sao?

Trái Đất tự quay quanh một trục tưởng tượng đi qua gần Bắc Cực và Nam Cực. Hướng quay là từ tây sang đông. Vì vậy, một điểm trên bề mặt Trái Đất liên tục thay đổi vị trí so với hướng chiếu sáng của Mặt Trời.

Có thể hình dung một địa điểm trải qua chu kỳ như sau: khi địa điểm đó quay vào vùng được Mặt Trời chiếu sáng, Mặt Trời xuất hiện ở đường chân trời và bình minh xảy ra. Khi Trái Đất tiếp tục quay, địa điểm tiến sâu hơn vào vùng sáng; Mặt Trời lên cao hơn trên bầu trời. Sau đó địa điểm tiến gần ranh giới sáng – tối còn lại, Mặt Trời hạ thấp rồi lặn. Khi địa điểm quay sang phía không được chiếu sáng, ban đêm bắt đầu. Chuyển động tiếp tục cho đến khi địa điểm lại đi vào vùng sáng của chu kỳ kế tiếp.

Như vậy, ngày và đêm không phải hai trạng thái lần lượt xuất hiện trên toàn bộ Trái Đất. Chúng tồn tại đồng thời ở những khu vực khác nhau. Khi Việt Nam đang ở phía được chiếu sáng, một số khu vực ở phía đối diện của Trái Đất đang ở trong ban đêm.

Cơ chế này cũng giải thích vì sao sự hình thành ngày và đêm xảy ra có tính chu kỳ. Trái Đất không ngừng tự quay, nên vị trí tương đối giữa một địa điểm trên bề mặt với Mặt Trời cũng liên tục thay đổi.

Một chu kỳ ngày – đêm kéo dài bao lâu?

Trong đời sống, một ngày được quy ước khoảng 24 giờ. Đây là khoảng thời gian để Mặt Trời trở lại gần cùng một vị trí trên bầu trời đối với một địa điểm, thường được gọi là ngày Mặt Trời.

Nếu đo chuyển động tự quay của Trái Đất so với các ngôi sao ở rất xa, một vòng quay chỉ mất khoảng 23 giờ 56 phút. NASA cũng phân biệt chu kỳ tự quay khoảng 23 giờ 56 phút so với các sao với ngày Mặt Trời trung bình khoảng 24 giờ.

Hai con số không mâu thuẫn. Trong thời gian Trái Đất tự quay quanh trục, nó đồng thời chuyển động một đoạn trên quỹ đạo quanh Mặt Trời. Sau khi quay đủ 360° so với các sao, Trái Đất cần quay thêm một góc nhỏ để Mặt Trời trở lại cùng vị trí tương đối trên bầu trời. Phần chuyển động bổ sung này làm ngày Mặt Trời dài hơn ngày sao khoảng bốn phút.

Vì thế, khi giải thích chu kỳ ngày – đêm trong đời sống, 24 giờ là giá trị phù hợp. Con số 23 giờ 56 phút hữu ích khi cần hiểu chính xác hơn chuyển động tự quay của Trái Đất.

Độ nghiêng của trục Trái Đất có tạo ra ngày và đêm không?

Trục tự quay của Trái Đất nghiêng khoảng 23,4° so với phương vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo. Tuy nhiên, độ nghiêng này không phải nguyên nhân cơ bản tạo ra sự luân phiên ngày và đêm.

Ngay cả khi trục Trái Đất không nghiêng, một nửa hành tinh vẫn hướng về Mặt Trời và một nửa vẫn quay ra xa; chuyển động tự quay vẫn làm các địa điểm đi qua vùng sáng và vùng tối.

Độ nghiêng trục chủ yếu làm thay đổi thời gian được chiếu sáng trong một ngày theo vĩ độ và thời điểm trong năm. Đây là lý do ban ngày có thể dài hơn ban đêm vào một mùa và ngắn hơn vào mùa khác. Gần thời điểm xuân phân và thu phân, ngày và đêm tại nhiều nơi có độ dài gần nhau, nhưng không nhất thiết chính xác 12 giờ do cách xác định lúc Mặt Trời mọc, lặn và tác động của khí quyển.

Ở những vùng gần Bắc Cực hoặc Nam Cực, ảnh hưởng của độ nghiêng trục còn rõ hơn. Một địa điểm có thể nhận ánh sáng liên tục hoặc ở trong bóng tối lâu hơn 24 giờ vào một số thời điểm trong năm. Hiện tượng này không phủ nhận cơ chế tự quay; nó cho thấy quỹ đạo chuyển động hằng ngày của địa điểm đó có thể nằm hoàn toàn trong vùng sáng hoặc vùng tối trong một khoảng thời gian.

Do đó cần phân biệt hai vai trò: sự tự quay tạo nên quá trình luân phiên ngày – đêm, còn độ nghiêng trục làm thay đổi độ dài và đặc điểm của ngày – đêm theo vị trí và mùa.

Vì sao Mặt Trời có vẻ mọc ở phía đông và lặn ở phía tây?

Trái Đất tự quay từ tây sang đông nên người quan sát trên bề mặt có cảm giác bầu trời chuyển động theo chiều ngược lại. Vì thế, Mặt Trời thường có vẻ mọc ở phía đông, dịch chuyển dần về phía tây rồi lặn.

Chuyển động nhìn thấy của Mặt Trời trong một ngày vì vậy chủ yếu là chuyển động biểu kiến do chính Trái Đất đang quay. Mặt Trời không thực sự quay quanh Trái Đất một vòng mỗi 24 giờ.

Quan sát này là biểu hiện trực tiếp của cùng cơ chế tạo ra ngày và đêm: khi Trái Đất quay về phía có ánh sáng, Mặt Trời xuất hiện trên đường chân trời; khi địa điểm quay ra khỏi vùng được chiếu sáng, Mặt Trời khuất xuống dưới đường chân trời.

Sự hình thành ngày và đêm bắt nguồn từ việc Trái Đất có phần hướng về Mặt Trời được chiếu sáng và phần quay ra xa nằm trong bóng tối, còn chuyển động tự quay làm mỗi địa điểm liên tục thay đổi giữa hai vùng này. Vì Trái Đất quay từ tây sang đông và hoàn thành một ngày Mặt Trời trung bình trong khoảng 24 giờ, phần lớn các địa điểm trải qua chu kỳ bình minh, ban ngày, hoàng hôn và ban đêm lặp lại đều đặn.

Độ nghiêng của trục Trái Đất không tạo ra ngày và đêm mà chủ yếu quyết định sự thay đổi độ dài ban ngày và ban đêm theo vĩ độ và mùa. Phân biệt hai cơ chế này giúp giải thích đúng cả nguyên nhân của chu kỳ ngày – đêm lẫn những trường hợp ngày và đêm không kéo dài bằng nhau.