Bí ẩn sâu trong lòng Trái Đất đang âm thầm thay đổi độ dài của mỗi ngày

Chúng ta thường xem 24 giờ là một hằng số gần như tuyệt đối của cuộc sống. Một ngày có 24 giờ, một giờ có 60 phút và một phút có 60 giây. Tuy nhiên, xét trên phương diện vật lý, thời gian một vòng quay của Trái Đất quanh trục của nó không hoàn toàn cố định.

Độ dài của một ngày có thể thay đổi rất nhỏ dưới tác động của nhiều quá trình tự nhiên. Khí quyển, đại dương, thủy triều do Mặt Trăng gây ra và những chuyển động sâu bên trong hành tinh đều có thể ảnh hưởng đến tốc độ quay của Trái Đất.

Một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature đang giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn một trong những biến động khó giải thích nhất: những thay đổi về tốc độ quay của Trái Đất diễn ra trên quy mô vài thập niên. Theo nghiên cứu, câu trả lời có thể nằm sâu hàng nghìn kilomet dưới chân chúng ta, tại nơi lõi Trái Đất tương tác với lớp phủ bao quanh nó.

Một ngày Trái Đất thực sự không phải lúc nào cũng dài đúng 24 giờ

Con số 24 giờ chủ yếu là một quy ước thuận tiện cho đời sống và hệ thống đo thời gian. Trên thực tế, tốc độ quay của Trái Đất luôn dao động ở những mức rất nhỏ.

Điều đó có nghĩa là nếu sử dụng các phép đo cực kỳ chính xác, thời gian để Trái Đất hoàn thành một vòng quay có thể dài hơn hoặc ngắn hơn một chút so với giá trị trung bình.

Những thay đổi này nhỏ đến mức con người gần như không thể cảm nhận được. Chúng không khiến chúng ta thức dậy sớm hơn vài phút hay làm một ngày làm việc kéo dài thêm hàng giờ. Thay vào đó, sự khác biệt thường chỉ được tính bằng mili giây.

Tuy nhiên, đối với các nhà địa vật lý và những hệ thống đo thời gian cực kỳ chính xác, vài mili giây lại chứa đựng một lượng thông tin đáng kể về những gì đang xảy ra bên trong hành tinh.

Giống như việc quan sát sự rung động của một chiếc chuông để tìm hiểu cấu trúc bên trong nó, các nhà khoa học có thể nghiên cứu những biến động trong chuyển động quay của Trái Đất để suy luận về những quá trình diễn ra ở những khu vực mà con người không thể trực tiếp quan sát.

Bí ẩn nằm ở quy mô thời gian vài thập niên

Các nhà khoa học từ lâu đã biết rằng tốc độ quay của Trái Đất chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau. Nhưng mỗi yếu tố lại có ảnh hưởng rõ rệt trên những thang thời gian khác nhau.

Trong khoảng thời gian ngắn, chẳng hạn vài ngày hoặc vài năm, sự trao đổi mômen động lượng giữa khí quyển, đại dương và Trái Đất có thể làm tốc độ quay thay đổi.

Ở quy mô cực kỳ dài, kéo dài hàng triệu năm, tương tác thủy triều giữa Trái Đất và Mặt Trăng đóng vai trò quan trọng. Năng lượng thủy triều làm Mặt Trăng dần dịch ra xa Trái Đất và đồng thời khiến tốc độ quay của Trái Đất thay đổi theo thời gian.

Nhưng nằm giữa hai khoảng thời gian đó là một hiện tượng phức tạp hơn: những dao động kéo dài vài thập niên.

Đây chính là khoảng thời gian mà nghiên cứu mới tập trung giải thích. Nhóm nghiên cứu do Huifeng Zhang, nghiên cứu sinh tại Đại học Alberta ở Canada, cùng người hướng dẫn Mathieu Dumberry thực hiện đã tìm cách xác định những cơ chế sâu bên trong Trái Đất có thể tạo ra các biến động này.

Ba cơ chế đang “kéo co” với tốc độ quay của Trái Đất

Nhóm nghiên cứu tập trung vào ba cơ chế chính liên quan đến sự tương tác giữa lõi Trái Đất và lớp phủ. Mỗi cơ chế tác động theo một cách khác nhau, và sự kết hợp giữa chúng có thể quyết định Trái Đất quay nhanh hay chậm hơn trong từng giai đoạn.

1. Tương tác hấp dẫn giữa lõi và lớp phủ

Cơ chế đầu tiên là tương tác hấp dẫn, hay có thể hiểu đơn giản là lực xoắn hấp dẫn giữa lõi trong của Trái Đất và lớp phủ.

Lõi trong là một khối vật chất rắn nằm sâu ở trung tâm hành tinh, chủ yếu gồm sắt và niken. Bao quanh nó là lõi ngoài, một lớp kim loại nóng chảy, tiếp đó là lớp phủ và cuối cùng là lớp vỏ nơi chúng ta sinh sống.

Những lớp này không hoàn toàn chuyển động như một khối duy nhất. Chúng có thể trao đổi mômen động lượng với nhau. Khi tốc độ chuyển động của một phần thay đổi, phần khác có thể phản ứng theo cách làm tốc độ quay tổng thể của Trái Đất thay đổi rất nhỏ.

Nghiên cứu mới cho thấy tương tác hấp dẫn giữa lõi trong và lớp phủ có thể là yếu tố chi phối đáng kể những biến động kéo dài nhiều thập niên.

2. Tương tác điện từ

Cơ chế thứ hai liên quan đến lực điện từ.

Lõi ngoài của Trái Đất chứa kim loại nóng chảy có khả năng dẫn điện. Những chuyển động của vật chất dẫn điện này đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra từ trường Trái Đất.

Khi các lớp bên trong có sự tương tác điện từ, mômen động lượng có thể được truyền qua ranh giới giữa lõi và lớp phủ. Điều này tạo thêm một lực tác động đến tốc độ quay của hành tinh.

Đặc điểm của lớp vật chất nằm ở đáy lớp phủ, bao gồm độ dẫn điện và độ dày của một số khu vực, vì thế có thể ảnh hưởng đến mức độ mạnh yếu của cơ chế này.

3. Tương tác địa hình ở ranh giới lõi - lớp phủ

Cơ chế thứ ba được gọi là tương tác địa hình. Nó liên quan đến những bất thường hoặc không đồng đều tại ranh giới giữa lõi và lớp phủ.

Ranh giới này không phải là một bề mặt hoàn toàn trơn nhẵn. Những khác biệt về cấu trúc vật chất và địa hình ở đó có thể tạo ra các tương tác cơ học khi vật chất bên trong Trái Đất chuyển động.

Những tác động tưởng như rất nhỏ này có thể góp phần truyền mômen động lượng giữa các lớp sâu của hành tinh.

Điều đáng chú ý là ba cơ chế trên không hoạt động độc lập. Chúng có thể đồng thời tác động lên chuyển động của Trái Đất, trong đó một cơ chế có thể thúc đẩy thay đổi tốc độ quay trong khi những cơ chế khác làm giảm hoặc cân bằng tác động đó.

Lực hấp dẫn dường như đóng vai trò nổi bật

Để kiểm tra mức độ đóng góp của từng cơ chế, Zhang và Dumberry đã sử dụng các mô hình thống kê, đối chiếu nhiều tổ hợp tương tác khác nhau với dữ liệu quan sát sự quay của Trái Đất trong khoảng sáu thập niên.

Kết quả cho thấy tương tác hấp dẫn dường như có ảnh hưởng lớn nhất đến những biến động về tốc độ quay trong khoảng thời gian này.

Trong khi đó, tương tác điện từ và tương tác địa hình có vẻ hoạt động giống như những cơ chế “đệm”, giúp chống lại một phần tác động của lực hấp dẫn và làm biến động tổng thể trở nên phức tạp hơn.

Nói cách khác, tốc độ quay của Trái Đất không đơn giản là tăng hoặc giảm theo một quy luật duy nhất. Nó là kết quả của một cuộc “kéo co” liên tục giữa nhiều quá trình vật lý nằm sâu bên trong hành tinh.

Chỉ vài mili giây nhưng chứa đựng thông tin quan trọng

Trong giai đoạn từ đầu những năm 1970 đến năm 2021, các cơ chế liên quan đến lõi Trái Đất đã tạo ra những thay đổi chỉ ở mức vài mili giây đối với độ dài của một ngày.

Đối với con người, con số này gần như không đáng kể. Nếu một ngày dài thêm vài mili giây, chúng ta sẽ không nhận thấy sự khác biệt trong sinh hoạt hằng ngày.

Nhưng đối với khoa học Trái Đất, đây lại là một tín hiệu rất giá trị.

Những thay đổi cực nhỏ trong tốc độ quay có thể đóng vai trò như một “cửa sổ gián tiếp” cho phép các nhà khoa học nghiên cứu những khu vực nằm sâu hàng nghìn kilomet bên dưới bề mặt mà không thể khoan tới hoặc quan sát trực tiếp.

Điều này đặc biệt quan trọng vì phần sâu nhất của Trái Đất vẫn là một trong những môi trường khó nghiên cứu nhất trên hành tinh. Các nhà khoa học không thể đơn giản đặt một thiết bị đo xuống lõi Trái Đất. Thay vào đó, họ phải dựa vào các tín hiệu gián tiếp như sóng địa chấn, từ trường, chuyển động của lõi và những biến đổi cực nhỏ trong tốc độ quay của hành tinh.

Trái Đất đang quay nhanh hơn hay chậm hơn?

Một trong những điều thú vị là xu hướng tổng thể của độ dài ngày không thể được giải thích bằng một yếu tố duy nhất.

Trong nghiên cứu mới, các cơ chế liên quan đến lõi đã góp phần tạo ra những biến đổi theo thời gian, trong khi các quá trình khác lại tác động theo những hướng khác nhau.

Điều đó giúp giải thích tại sao độ dài ngày có thể dao động thay vì đơn giản tăng hoặc giảm đều đặn.

Về lâu dài, tương tác thủy triều với Mặt Trăng vẫn là một trong những yếu tố quan trọng khiến Trái Đất quay chậm dần. Nhưng ở những khoảng thời gian ngắn hơn, đặc biệt là vài năm đến vài thập niên, các quá trình trong lòng Trái Đất có thể tạo ra những biến động đáng kể so với xu hướng dài hạn.

Vì sao chúng ta quan tâm đến vài mili giây?

Có thể đặt câu hỏi: nếu con người không cảm nhận được sự khác biệt chỉ vài mili giây, tại sao các nhà khoa học lại dành nhiều công sức để nghiên cứu nó?

Câu trả lời nằm ở chỗ sự thay đổi của tốc độ quay không chỉ nói về thời gian. Nó là dấu hiệu của những quá trình vật lý đang diễn ra bên trong Trái Đất.

Giống như việc bác sĩ có thể sử dụng nhịp tim để đánh giá hoạt động của cơ thể, các nhà địa vật lý có thể sử dụng biến động tốc độ quay như một chỉ dấu để nghiên cứu chuyển động của những lớp vật chất sâu bên trong hành tinh.

Một thay đổi rất nhỏ ở bề mặt có thể là kết quả của một quá trình khổng lồ đang diễn ra cách chúng ta hàng nghìn kilomet.

Theo Zhang, việc kết hợp những quan sát ngày càng chính xác về sự quay của Trái Đất với các phép đo chuyển động của lõi trong có thể giúp xây dựng một bức tranh chi tiết hơn về cách những lớp sâu của hành tinh tương tác với nhau.

Nghiên cứu cũng giúp “nhìn” vào phần sâu nhất của hành tinh

Một trong những giá trị lớn nhất của nghiên cứu không nằm ở việc xác định một ngày dài thêm hay ngắn đi vài mili giây, mà ở lượng thông tin mà những thay đổi đó cung cấp về cấu trúc bên trong Trái Đất.

Nhiều đặc tính vật lý của lõi và ranh giới lõi - lớp phủ vẫn chưa được hiểu hoàn toàn. Các mô hình mới có thể giúp giới hạn phạm vi của những đặc tính đó bằng cách so sánh dự đoán với dữ liệu quan sát thực tế.

Nói cách khác, các nhà khoa học đang sử dụng chính chuyển động của toàn bộ hành tinh để tìm hiểu những gì đang diễn ra bên trong nó.

Đây là một phương pháp đặc biệt hữu ích bởi phần lớn cấu trúc bên trong Trái Đất nằm ngoài khả năng tiếp cận trực tiếp của con người.

Một bí ẩn khác vẫn chưa có lời giải hoàn chỉnh

Phát hiện mới không có nghĩa là mọi biến động của độ dài ngày đã được giải thích. Ngược lại, nó mở ra thêm nhiều câu hỏi.

Nhóm nghiên cứu hiện cũng quan tâm đến một hiện tượng khác: một dạng dao động kéo dài khoảng sáu năm trong độ dài của ngày.

Liệu các cơ chế tương tác giữa lõi và lớp phủ được xác định trong nghiên cứu mới có liên quan đến hiện tượng này hay không vẫn cần được nghiên cứu thêm.

Đây là một ví dụ cho thấy việc giải quyết một bí ẩn khoa học đôi khi không kết thúc bằng một câu trả lời duy nhất. Một lời giải tốt thường mở ra thêm nhiều câu hỏi mới, đồng thời cung cấp những công cụ tốt hơn để tìm câu trả lời.

Trái Đất không phải một quả cầu bất động

Trong đời sống thường ngày, chúng ta thường hình dung Trái Đất như một quả cầu khổng lồ quay đều đặn trong không gian. Nhưng thực tế phức tạp hơn nhiều.

Khí quyển luôn chuyển động. Đại dương liên tục phân phối lại khối lượng. Các tảng băng tan và nước biển thay đổi vị trí. Mặt Trăng tác động thông qua thủy triều. Bên dưới lớp vỏ, lớp phủ chuyển động rất chậm. Lõi ngoài kim loại nóng chảy tạo ra từ trường. Và lõi trong cũng có những chuyển động tương đối so với các lớp bên ngoài.

Tất cả những quá trình đó có thể tác động đến cách hành tinh quay.

Vì vậy, 24 giờ không phải là một chiếc đồng hồ thiên nhiên hoàn toàn cứng nhắc. Đó là kết quả trung bình của một hệ thống địa vật lý khổng lồ, luôn vận động và liên tục trao đổi năng lượng cũng như mômen động lượng giữa các thành phần khác nhau.

Mỗi ngày trôi qua đang kể một câu chuyện về lòng Trái Đất

Nghiên cứu mới cho thấy những thay đổi tưởng như vô nghĩa trong thời lượng một ngày có thể mang lại manh mối quan trọng về thế giới sâu bên dưới chúng ta.

Những biến động chỉ vài mili giây không làm thay đổi cuộc sống hằng ngày, nhưng chúng giúp các nhà khoa học theo dõi những tương tác diễn ra ở độ sâu hàng nghìn kilomet.

Quan trọng hơn, kết quả nghiên cứu cho thấy tốc độ quay của Trái Đất là sản phẩm của nhiều quá trình liên kết với nhau. Lực hấp dẫn giữa lõi và lớp phủ, tương tác điện từ và những đặc điểm địa hình tại ranh giới giữa các lớp sâu đều có thể góp phần định hình cách hành tinh quay trong những khoảng thời gian kéo dài hàng chục năm.

Trong tương lai, khi các phép đo sự quay của Trái Đất trở nên chính xác hơn và các mô hình địa vật lý được cải thiện, những thay đổi nhỏ trong độ dài của ngày có thể giúp con người hiểu rõ hơn về một trong những vùng bí ẩn nhất của hành tinh.

Và có lẽ điều đáng kinh ngạc nhất là: mỗi khi đồng hồ chuyển sang một ngày mới, chuyển động tưởng như đều đặn ấy thực chất đang phản ánh một thế giới sâu bên dưới vẫn không ngừng chuyển động.