Vì sao độ dài ngày đêm thay đổi theo mùa?

Trước hết, cần phân biệt hai yếu tố: Trái Đất tự quay quanh trục tạo ra sự luân phiên ngày và đêm trong khoảng 24 giờ, còn độ nghiêng trục kết hợp với chuyển động quanh Mặt Trời làm thay đổi độ dài ngày đêm theo mùa. Đồng thời, hiệu ứng này không giống nhau ở mọi nơi: càng xa xích đạo, sự chênh lệch giữa ngày và đêm theo mùa càng lớn

Độ dài ngày đêm phụ thuộc vào những yếu tố nào?

Có ba yếu tố chính chi phối độ dài ngày đêm trên Trái Đất: vĩ độ, thời điểm trong năm và độ nghiêng của trục Trái Đất

Vĩ độ quyết định vị trí của một địa điểm so với xích đạo. Ở gần xích đạo, thời gian Mặt Trời ở trên đường chân trời biến đổi tương đối ít trong năm. Khi đi về phía hai cực, mức chênh lệch ngày và đêm giữa các mùa tăng lên rõ rệt

Mùa xác định bán cầu đang nghiêng về phía Mặt Trời hay nghiêng ra xa Mặt Trời. Khi một bán cầu hướng về phía Mặt Trời, đường đi biểu kiến của Mặt Trời trên bầu trời kéo dài hơn và thời gian có ánh sáng ban ngày tăng lên. Bán cầu đối diện đồng thời có ngày ngắn hơn

Độ nghiêng trục Trái Đất là điều kiện hình học tạo nên sự thay đổi theo mùa. Nếu trục Trái Đất không nghiêng, lượng ánh sáng phân bố giữa hai bán cầu sẽ không thay đổi theo cách hiện nay và độ dài ngày đêm tại một địa điểm sẽ ít biến đổi theo mùa hơn

Vì sao độ nghiêng trục Trái Đất làm ngày dài đêm ngắn theo mùa?

Khi Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời, trục quay nghiêng khoảng 23,5° vẫn duy trì gần như cùng hướng. Do đó, có thời điểm Bắc bán cầu nghiêng về phía Mặt Trời, trong khi có thời điểm Bắc bán cầu nghiêng ra xa Mặt Trời

Khi Bắc bán cầu nghiêng về phía Mặt Trời, các địa điểm ở Bắc bán cầu có xu hướng được chiếu sáng trong thời gian dài hơn mỗi vòng quay. Đây là mùa hè ở Bắc bán cầu. Cùng lúc đó, Nam bán cầu nhận ánh sáng trong thời gian ngắn hơn và trải qua mùa đông

Sáu tháng sau, tình trạng đảo ngược: Nam bán cầu nghiêng về phía Mặt Trời nên ngày dài hơn, còn Bắc bán cầu có ngày ngắn hơn

Cơ chế này giải thích một điểm quan trọng: mùa không chủ yếu được tạo ra bởi việc Trái Đất lúc gần Mặt Trời, lúc xa Mặt Trời, mà chủ yếu do sự thay đổi góc chiếu sáng và thời gian chiếu sáng gây ra bởi độ nghiêng trục

Tại hai thời điểm xuân phân và thu phân, ánh sáng Mặt Trời chiếu gần vuông góc với xích đạo. Khi đó, độ dài ngày và đêm ở phần lớn các khu vực trên Trái Đất tương đối gần nhau, dù thực tế có thể không hoàn toàn đúng 12 giờ do địa hình và hiện tượng khúc xạ khí quyển

Vì sao cùng một mùa nhưng mỗi vĩ độ có độ dài ngày đêm khác nhau?

Vĩ độ quyết định mức độ khác nhau giữa ngày và đêm bởi nó thay đổi góc mà đường đi biểu kiến của Mặt Trời cắt qua đường chân trời

Ở vùng gần xích đạo, đường đi biểu kiến của Mặt Trời quanh năm tương đối ổn định về thời gian nằm trên đường chân trời. Vì vậy, ngày và đêm thường gần bằng nhau trong phần lớn năm

Khi đi lên các vĩ độ cao hơn, sự thay đổi theo mùa trở nên rõ rệt. Vào mùa hè của bán cầu đó, Mặt Trời có đường đi dài hơn phía trên đường chân trời nên ngày kéo dài. Vào mùa đông, đường đi ngắn hơn nên ngày rút ngắn

Điều này tạo ra một quy luật tổng quát:

·         Gần xích đạo: Độ dài ngày đêm thay đổi ít theo mùa

·         Vĩ độ trung bình: Độ chênh lệch ngày đêm theo mùa rõ rệt

·         Gần hai cực: Độ chênh lệch rất lớn, có thể xuất hiện ngày hoặc đêm kéo dài gần 24 giờ

Vì thế, không thể nói đơn giản rằng một mùa luôn có cùng một độ dài ngày trên toàn Trái Đất. Mùa giống nhau nhưng vĩ độ khác nhau sẽ tạo ra độ dài ngày đêm khác nhau

Vì sao ở vùng cực có ngày trắng và đêm cực?

Ở vùng cực, hiệu ứng của độ nghiêng trục đạt mức cực đại

Trong mùa hè của một bán cầu, bán cầu đó nghiêng về phía Mặt Trời đến mức tại khu vực nằm trong vòng cực, Mặt Trời có thể không lặn xuống dưới đường chân trời trong ít nhất 24 giờ. Hiện tượng này được gọi là ngày cực

Ngược lại, vào mùa đông, cùng khu vực có thể trải qua thời gian Mặt Trời không mọc lên trên đường chân trời trong ít nhất 24 giờ, tạo thành đêm cực

Khi tiến càng gần cực, thời gian của các giai đoạn này càng kéo dài. Tại vùng cực, có thể có những khoảng thời gian rất dài mà Mặt Trời liên tục ở trên hoặc dưới đường chân trời

Đây là hệ quả trực tiếp của hình học chiếu sáng: do trục Trái Đất nghiêng, đường ranh giới ngày – đêm và vùng được Mặt Trời chiếu sáng thay đổi vị trí theo mùa. Ở vùng cực, sự thay đổi này đủ lớn để một khu vực có thể nằm liên tục về phía được chiếu sáng hoặc phía khuất sáng

Ngày dài hơn có phải vì Trái Đất quay chậm hơn không?

Không. Độ dài ngày theo nghĩa thời gian Mặt Trời ở trên đường chân trời thay đổi theo mùa không phải do Trái Đất quay nhanh hay chậm theo cách tạo ra hiện tượng này

Trái Đất vẫn tự quay quanh trục để tạo nên chu kỳ ngày – đêm. Điều thay đổi theo mùa là phần quỹ đạo quay của một địa điểm nằm trong vùng được Mặt Trời chiếu sáng

Có thể hình dung Trái Đất như một quả địa cầu có trục nghiêng. Khi quả địa cầu quay, một điểm trên bề mặt lần lượt đi vào vùng sáng rồi đi vào vùng tối. Khi góc nghiêng và vị trí của Trái Đất trên quỹ đạo thay đổi tương đối so với Mặt Trời, cung đường mà điểm đó đi qua trong vùng sáng cũng thay đổi

Vì vậy, câu hỏi đúng không phải là “Trái Đất quay nhanh hơn vào mùa hè hay không”, mà là “một địa điểm nằm trong vùng được chiếu sáng bao lâu trong mỗi vòng tự quay?”

Khi nào ngày và đêm gần bằng nhau?

Hai thời điểm quan trọng là xuân phân và thu phân. Khi đó, vị trí biểu kiến của Mặt Trời nằm gần xích đạo và hai bán cầu nhận được sự phân bố ánh sáng tương đối cân bằng

Tuy nhiên, “ngày và đêm bằng nhau” là cách nói gần đúng. Thời gian Mặt Trời mọc và lặn thực tế còn chịu ảnh hưởng của khúc xạ khí quyển và kích thước biểu kiến của Mặt Trời. Vì vậy, ở nhiều nơi, thời điểm ngày thực sự dài đúng 12 giờ không trùng hoàn toàn với ngày xuân phân hoặc thu phân

Ở hai cực, cách hiểu này còn đặc biệt hơn vì Mặt Trời có thể nằm rất lâu sát hoặc dưới đường chân trời. Do đó, quy luật ngày – đêm ở vùng cực không thể đơn giản hóa thành mô hình 12 giờ sáng và 12 giờ tối

Có thể dùng quy luật nào để hiểu nhanh độ dài ngày đêm?

Có thể ghi nhớ theo mối quan hệ giữa bán cầu, mùa và vĩ độ

Nếu một bán cầu đang nghiêng về phía Mặt Trời:

·         Ngày dài hơn và đêm ngắn hơn

·         Mặt Trời có đường đi biểu kiến dài hơn trên bầu trời

·         Hiện tượng ngày dài càng rõ khi đi về phía vĩ độ cao của bán cầu đó

Nếu một bán cầu đang nghiêng ra xa Mặt Trời:

·         Ngày ngắn hơn và đêm dài hơn

·         Mặt Trời có đường đi biểu kiến ngắn hơn trên bầu trời

·         Sự rút ngắn của ngày càng rõ khi tiến về phía cực

Từ đó có thể suy ra quy luật đối xứng: khi Bắc bán cầu có ngày dài thì Nam bán cầu có ngày ngắn, và ngược lại

Như vậy, hiện tượng độ dài ngày đêm thay đổi theo mùa và theo vĩ độ xuất phát từ sự kết hợp giữa chuyển động quanh Mặt Trời và độ nghiêng khoảng 23,5° của trục Trái Đất. Độ nghiêng này làm hai bán cầu lần lượt nghiêng về phía hoặc ra xa Mặt Trời, khiến thời gian mỗi địa điểm nằm trong vùng được chiếu sáng thay đổi theo mùa. Vĩ độ càng cao thì sự thay đổi càng mạnh, đạt cực đại ở vùng cực với ngày cực và đêm cực.