Một ngày được định nghĩa là thời gian Trái Đất cần để xoay một vòng quanh trục của nó, thông thường là 24 giờ/ngày. Con số này có sự khác biệt với thời gian thực tế khi có nhiều yếu tố tác động: thủy triều, động đất và các siêu công trình mà con người xây dựng khiến Trái Đất quay chậm lại.

Tổ tiên loài người từ xa xưa đã dựa vào thời gian mặt trời mọc và lặn để phân chia cuộc sống của họ thành những đơn vị cơ bản như ngày, tháng, năm trong hàng ngàn thiên niên kỷ. Khi đó, chúng ta vẫn dễ nhầm lẫn rằng một ngày là 24 giờ, tương ứng với 86.400 giây. Tuy nhiên, đây được gọi là ngày mặt trời và loài người lấy con số trung bình là 24 để dễ dàng đo lường thời gian. Trên thực tế, thời gian thực sự của một ngày chỉ gần với con số này. Vào thế kỷ 20, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng thời gian mà Trái Đất hoàn thành một vòng mỗi ngày là khác nhau. Chính vì thế, việc định nghĩa con số 24h là một cách để đơn giản hóa các hoạt động hằng ngày trên các khu vực và múi giờ khác nhau.

Những yếu tố nào tác động đến tốc độ quay của trái đất?

Có rất nhiều yếu tố gây ảnh hưởng đến tốc độ quay của Trái Đất. Đầu tiên có thể nói tới là động đất. Trận động đất tại Nhật Bản vào năm 2011, kích hoạt thảm họa hạt nhân Fukushima, đã làm tốc độ quay của Trái Đất tăng thêm 1.8 phần triệu của giây.

Mặt trăng cũng là một tác nhân khiến tốc độ quay thay đổi theo hướng chậm đi khiến ngày dài ra hơn. Trọng lực của mặt trăng có vai trò đảm bảo định vị đại dương trên Trái Đất như hiện tại thông qua lực hấp dẫn và tạo ra thủy triều. Khi Trái Đất quay quanh trục, các đại dương sẽ bị kéo theo tạo ra hiện tượng ma sát thủy triều. Hiện tượng này sẽ tạo ra sức cản đối với sự quay của Trái Đất và từ từ làm chậm lại tốc độ quay theo thời gian. Theo ước tính của các nhà khoa học, độ dài của một ngày tăng khoảng hai phần nghìn giây (2 mili giây) cho mỗi thế kỷ.

Hai yếu tố trên cùng với nhiều yếu tố khác tác động lên khái niệm ngày mà chúng ta vẫn hiểu. Thời gian một ngày có sự biến động với xu thế ngắn hạn cho thấy ngày mỗi lúc một ngắn hơn. Ví dụ, ngày 29 tháng 6 năm 2022 được ghi nhận là ngày ngắn nhất từ trước đến nay khi Trái Đất hoàn thành một vòng quay nhanh hơn 1.59 mili giây so với khoảng thời gian trung bình 24 giờ, vượt qua kỷ lục đã lập trước đó vào năm 2020. Các nhà khoa học cho rằng sự thất thường này có thể do nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm những thay đổi sâu bên trong lõi Trái Đất, hoạt động địa chấn và sự thay đổi trong lưu thông đại dương.

Loài người cũng gây ra tác động lớn đến tốc độ quay với hoạt động lên môi trường

Các nhà khoa học cũng đã phát hiện ra rằng loài người thông qua tác động lên môi trường cũng ảnh hưởng đến thời gian của một ngày. Một ví dụ rõ nét nhất là các công trình lớn như Đập Tam Hiệp. Đây là con đập lớn nhất trên thế giới với chiều cao 185m, trải dài hơn 2.300 m trên sông Dương Tử, Trung Quốc. Nó được xây dựng từ 28 triệu tấn xi măng và lượng thép cần để xây dựng con đập này đủ để xây dựng 63 tháp Eiffel tại Paris. Ngoài ra, nó có thể trữ hơn 40 tỷ m³ nước, tương đương với 16 triệu hồ bơi theo kích thước Olympic.

Năm 2005, nhà khoa học NASA Benjamin Fong Chao đã tính rằng khi toàn bộ khối lượng nước của con đập này tập trung tại một điểm, nó đủ tạo ra tác động lớn khiến một ngày dài thêm 0.06 micro giây. Ngoài ra, khối lượng nước khổng lồ của nó có thể làm dịch chuyển nhẹ các cực của Trái Đất khoảng 2 cm. Câu hỏi đặt ra là làm sao những công trình này lại có thể tác động lên tốc độ quay của Trái Đất?

Câu trả lời có liên quan đến khái niệm mô men quán tính. Mô men quán tính đề cập đến khả năng của một vật chống lại sự thay đổi trong chuyển động của nó. Một vật có khối lượng càng lớn và khối lượng đó càng xa trục quay thì mô men quán tính càng lớn. Đập Tam Hiệp khi đầy nước có khối lượng rất lớn cùng khoảng cách lớn so với trục quay của Trái Đất khiến mô men quán tính của nó rất lớn. Điều này tạo ra một sự kháng cự nhỏ đối với sự quay của Trái Đất, gây ra một sự giảm nhẹ trong tốc độ quay (khoảng 60 tỷ phần triệu giây).

Ngoài ra, khi một vật quay xung quanh trục, nó sẽ tạo ra mô men động lượng và giá trị này được bảo toàn trong một hệ thống quay quanh trục như Trái Đất. Anh em có thể tưởng tượng tới hình ảnh các vận động viên trượt băng: khi các vận động viên kéo tay vào gần cơ thể, họ quay nhanh hơn vì họ giảm mô men quán tính trong khi vẫn duy trì cùng mô men động lượng. Khi dang tay ra, tốc độ quay chậm hơn với mô men quán tính tăng lên với cùng mô men động lượng đó. Ví dụ này tương tự với Mặt trăng và Trái Đất: lực hấp dẫn của Mặt trăng làm Trái Đất quay chậm đi nhưng để duy trì cùng mô men động lượng, Mặt trăng đang có xu hướng di chuyển ra xa khỏi Trái Đất với tốc độ 3,8 cm mỗi năm.

Các hoạt động khác của con người cũng gây tác động lên tốc độ quay của Trái Đất. Biển Aral là một ví dụ: đây từng là hồ nước lọc lớn thứ tư trên thế giới cho tới khi Liên Xô quyết định thay đổi dòng chảy cho các dự án tưới tiêu khiến nó mất đi ¾ lượng nước từ những năm 1960. Các nhà nghiên cứu đã ước tính rằng việc suy giảm thể tích nước của Biển Aral đã khiến tốc độ quay của Trái Đất chậm lại với mức tác động gấp 3 lần so với Đập Tam Hiệp. Hay biến đổi khí hậu khiến băng ở Greenland tan chảy đã phân phối lại khối lượng trên Trái Đất, dẫn đến những thay đổi trong trục quay theo hướng lệch về Canada. Các nhà khoa học đã ước tính rằng sự dịch chuyển này dẫn đến những thay đổi về độ dài ngày khoảng gấp mười lần so với tác động của đập Tam Hiệp.

Thời gian khác biệt liệu có tác động gì tới con người hay không?

Thực ra, sự khác biệt trong thời gian quay không ảnh hưởng lớn đến cuộc sống hàng ngày của loài người. Chúng ta vẫn tiếp tục sử dụng con số 24 giờ/ngày để đo lường thời gian. Điều các nhà khoa học quan tâm là tác động của sự khác biệt này lên các hệ thống vệ tinh và tàu vũ trụ, khi các hệ thống này cần độ chính xác cao để vận hành và cần biết được hướng quay, chu kỳ quay của Trái Đất ở mức chính xác nhất.

Có rất nhiều lý do cho việc này. Các vệ tinh, đặc biệt là các vệ tinh liên quan tới hệ thống GPS, phụ thuộc vào thời gian chính xác để tính toán vị trí và thời gian tín hiệu di chuyển giữa các vệ tinh và trạm mặt đất. Một mili giây sai lệch có thể dẫn tới sai số hàng trăm km. Ngoài ra, để các vệ tinh giao tiếp hiệu quả với nhau và với các trạm mặt đất, đồng hồ của chúng phải được đồng bộ hóa. Sự đồng bộ hóa này đảm bảo rằng việc truyền dữ liệu diễn ra vào đúng thời điểm để việc phối hợp được diễn ra trơn tru. Cuối cùng, các vệ tinh trải qua các lực hấp dẫn và vận tốc khác nhau so với các vật thể trên Trái Đất. Điều này dẫn đến các hiệu ứng tương đối phải được tính toán trong việc đo thời gian. Ví dụ, các vệ tinh GPS chạy nhanh hơn so với đồng hồ trên mặt đất dẫn đến sự khác biệt khoảng 38 micro giây mỗi ngày. Nếu những hiệu ứng này không được điều chỉnh, các lỗi có thể tích tụ nhanh chóng và dẫn đến sai số điều hướng đáng kể.

Khi sự sai số xảy ra, nó có thể dẫn tới rất nhiều rủi ro như việc định vị vệ tinh hoặc tàu vũ trụ không chính xác dẫn tới việc bỏ lỡ mục tiêu hay va chạm trong không gian. Ngoài ra, sự gián đoạn giao tiếp cũng có thể xảy ra dẫn đến việc mất dữ liệu hoặc chậm trễ trong các sứ mạng quan trọng. Với những yếu tố đó, việc sử dụng thời gian quay quanh trục của Trái Đất không phải là một giải pháp đáng tin cậy. Thay vào đó, các nhà khoa học đã sử dụng đồng hồ nguyên tử dựa vào sự dao động của nguyên tử caesium. Loại đồng hồ này rất chính xác với khả năng hoạt động trong khoảng 300 triệu năm mà không bị mất hoặc thêm thời gian, qua đó đảm bảo việc kiểm soát các hoạt động của vệ tinh và tàu vũ trụ.