Vì sao Trái đất ngày càng quay chậm lại và mỗi ngày lại dài hơn hôm sau 3 mili giây?

Các nhà khoa học, kỹ sư và lập trình viên thường coi thời gian là tuyệt đối bất biến trong công việc của họ. Nhưng sự tiện lợi này là sai về mặt kỹ thuật, vì cả lý do vật lý và con người. Mọi thứ trên đời đều là tương đối.

Về mặt con người, đồng hồ và lịch của chúng ta không dựa trên ý niệm thời gian trừu tượng, tuyệt đối. Thay vào đó, chúng được so sánh với chu kỳ của các thiên thể: một ngày là một vòng quay của Trái đất quanh trục của nó và một năm là một quỹ đạo của Trái đất quanh Mặt trời. Do sự liên kết của đồng hồ với thực tế phức tạp của Trái đất, thời gian của chúng ta không phải là bất biến. Thay vào đó, thời gian dần thay đổi theo… thời gian.

Trong 50 năm qua, 27 giây nhuận đã được thêm vào thời gian của chúng ta. Vào một lúc nào đó, đồng hồ chính xác của các trung tâm đo lường sẽ kêu tích tắc bất thường: 23:59:59, 23:59:60, 00:00:00. Giây bổ sung giải thích cho những thay đổi trong vòng quay của Trái đất, do thực tế là hành tinh của chúng ta đang dần quay chậm và dao động trên đường đi.

Điều gì khiến ngày Trái đất dao động?

Có một yếu tố ổn định cũng như một loạt các yếu tố khó phán đoán.

Về yếu tố ổn định, đó là tương tác hấp dẫn giữa Trái đất và Mặt trăng quyết định quỹ đạo chung của chúng ta. Tuy nhiên, đường kính của Trái đất đủ lớn để lực hút của Mặt trăng từ phía gần hơn mạnh hơn đáng kể so với phía xa. Kết quả là lực hấp dẫn kéo mặt gần của Trái đất, trong khi mặt xa ít bị kéo hơn, tạo thành hai chỗ phình ra. Hiệu ứng này đáng chú ý trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta với tần suất thủy triều hai lần mỗi ngày.

Cần một thời gian để nước và lớp vỏ rắn chảy vào và thoát ra khỏi các khoảng bị phình ra. Do đó, chỗ bị phình nhất sẽ trễ một chút so với chuyển động của Mặt trăng, luôn đi sau mặt trăng một đoạn. Độ trễ đó tạo ra một mô men xoắn ròng xung quanh trục trung tâm của Trái đất theo hướng ngược lại với chuyển động quay của Trái đất, khiến hành tinh của chúng ta bị chậm lại một chút.

“Một chút” ở đây là một thuật ngữ phải chú ý: Trung bình, chu kỳ quay của Trái đất chỉ chậm lại 2 phần nghìn giây mỗi ngày trong một thiên niên kỷ. Tuy nhiên, sự chậm lại liên tục thể hiện tổn thất năng lượng luân phiên là 3,7 terawatt, bằng khoảng một nửa công suất của tất cả các nhà máy điện của con người cộng lại. Một số năng lượng này được chuyển đến quỹ đạo của Mặt trăng. Phần lớn nhiệt bị mất đi do ma sát của nước và đất đá khi thủy triều lên xuống làm tiêu tan nhiệt.

Theo thời gian, sự chậm lại rất nhỏ đó sẽ tích lũy thành con số đáng kể. Nhiều triệu năm trước Trái đất quay nhanh hơn, mỗi ngày trên Trái đất ngắn hơn vài giờ so với ngày nay. Trong tương lai xa, Trái đất sẽ quay chậm lại cho đến khi một ngày kéo dài gần một tháng, nếu hành tinh này tồn tại đủ lâu. Đây là hiện tượng khóa thủy triều. Không chỉ một mặt của Mặt trăng hiện bị Trái đất khóa thủy triều sẽ luôn hướng về phía chúng ta mà Trái đất khi đó cũng bị Mặt trăng khóa thủy triều lại. Khi đó, Mặt trăng sẽ luôn nằm phía trên một mặt của Trái đất, tức là người phía bên kia địa cầu không thể nhìn thấy Mặt trăng.

Các yếu tố bất thường ảnh hưởng đến vòng quay của Trái đất

Trong khi vòng quay của Trái đất chậm lại không thể tránh khỏi, dần dần một cách chậm chạp, một số hiệu ứng nhất thời và phức tạp hơn gây ra biến động về độ dài của ngày. Sự dịch chuyển về hình dạng, chính xác hơn là sự phân bố khối lượng, của Trái đất làm thay đổi mô men quán tính của nó, giống như vận động viên trượt băng nghệ thuật thường dang tay và chân để tăng tốc khi thực hiện động tác quay tròn tại chỗ. Một số sự dịch chuyển khối lượng trong Trái đất là vô hình đối với chúng ta, chẳng hạn như các dòng chảy bên trong lõi chất lỏng của Trái đất hoặc sự dịch chuyển của các lớp bao phủ. Sự dịch chuyển của khối lượng khi các lục địa trôi dạt và chỏm băng ở hai cực lan rộng hay co lại cũng tạo ra những thay đổi nhỏ. Khối lượng vật chất dồn đến các vĩ độ thấp hơn làm chậm quá trình quay, trong khi sự di chuyển về phía các cực làm tăng tốc độ quay.

Những thay đổi về khối lượng đôi khi có thể được gán cho các sự kiện hoặc nguyên nhân cụ thể. Ví dụ, trận động đất ở Ấn Độ Dương năm 2004 đã khiến khối lượng lắng xuống Trái đất, làm giảm mô men quán tính của hành tinh. Đập Tam Hiệp (ở Trung Quốc) làm giảm vòng quay của Trái đất một chút. Bê tông và thép nâng cao của cấu trúc là hậu quả tối thiểu, nhưng khối lượng nước khổng lồ mà nó buộc lên cao độ cao hơn, xa trung tâm Trái đất hơn, có những tác động tinh vi. Tương tác giữa bầu khí quyển và bề mặt cũng có thể đóng một phần. Nói chung, chúng ta có thể không hiểu hầu hết các hiệu ứng này, nhưng các nhà khoa học cẩn thận theo dõi hậu quả của chúng.

Các hiệu ứng chuyển tiếp được thêm vào đầu hiệu ứng một cách từ từ. Mặc dù chiều dài ngày nhiều hơn qua hàng thiên niên kỷ, nhưng các sự kiện không liên tục khiến ngày dao động lên xuống vài phần nghìn giây trong nhiều năm, nhiều thế kỷ và nhiều thiên niên kỷ. Đồ thị dao động giống như những chỗ lồi và chỗ lõm nhỏ dọc theo một đường mòn đi xuống.

Kể từ những năm 1960, ngày đã chậm lại và kéo dài từ dưới 86.400 giây, thêm tới 3 mili giây, thành 86.400.003 giây. Nếu mỗi ngày quay kéo dài thêm 1 mili giây, thì đồng hồ sẽ mất đi một giây sau mỗi 1.000 ngày và cần một giây nhuận để lấy lại. Biểu đồ này cho thấy độ dài của ngày và giây nhuận. Cứ sau vài năm, số mili giây tăng thêm lại cộng lại và một giây nhuận được xác nhận để lấy lại thời gian thặng dư đã tích lũy.

Cuối cùng, chúng ta cần giây nhuận vì đồng hồ của chúng ta không phải là đồng hồ đơn giản hóa của các nhà khoa học và kỹ sư phần mềm. Các chuyển động của Trái đất bị ảnh hưởng bởi vô số yếu tố, phù hợp với một vật thể thực trong vũ trụ thực. Nó không tuân theo một quy tắc toán học trừu tượng rằng một ngày chính xác là 86.400 giây vĩnh viễn. Ngay cả khi cuộc sống con người của chúng ta trở nên xa rời tự nhiên hơn, các chu kỳ của cơ thể, môi trường và xã hội của chúng ta vẫn được đồng bộ hóa theo nhịp điệu của mặt trời và các mùa. Các lập trình viên máy tính sẽ phải trở nên thông minh hơn trong việc tính toán điều này, thay vì lờ đi coi độ trễ rất nhỏ đó không tồn tại.