Liệu sách giáo khoa có sai về quỹ đạo hình elip của Trái đất?

Chúng ta được dạy rằng quỹ đạo của Trái đất hình elip nên khi Trái đất ở vị trí xa Mặt trời hơn thì thời tiết là mùa đông và khi ở gần là mùa hè. Trên thực tế, điều này không hoàn toàn chính xác.

Đa số mọi người vẫn cho rằng vào mùa hè, Trái đất ở gần Mặt trời hơn so với mùa đông. Điều này đúng với mùa hè ở bán cầu nam, nhưng không đúng với mùa hè ở bán cầu bắc.

Bán cầu nam vào mùa hè ở gần Mặt trời hơn vào mùa đông 5 triệu km, nhưng điều này ngược lại ở bán cầu bắc. Khoảng cách trung bình giữa Trái đất và Mặt trời là 150 triệu km, và lý do chính khiến thời tiết trên Trái đất có các mùa là do Trái đất nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo, vì thế mỗi cực có lúc hướng về gần Mặt trời hơn và có lúc ngã xa khỏi Mặt trời hơn.

Còn quỹ đạo của Trái đất vốn được gọi là hình elip nhưng thực ra chỉ dẹt hơn một chút so với hình tròn tuyệt đối. Vậy mà nó lại thường được minh họa như hình dáng của một quả trứng. Vậy làm thế nào để chúng ta mường tượng chính xác hình dạng của quỹ đạo Trái đất?

Giảng viên cao cấp Stephen Hughes ở Trường đại học Toán và Vật lý, Đại học Queensland, Úc, đã giảm tỷ lệ để so sánh hình dạng quỹ đạo của Trái đất với một chiếc vành xe đạp có đường kính 66cm và xin ý kiến của kỹ thuật viên ở cửa hàng xe đạp về mức độ biến dạng thực tế của một chiếc vành xe. Kết quả rất bất ngờ.

Quỹ đạo Trái đất rất gần với một vòng tròn hoàn hảo. Nếu quỹ đạo này là một vành xe đường kính 66cm thì nó chỉ dẹt đi 0,1mm so với vòng tròn hoàn hảo. Độ dày 0,1mm tương đương với một lớp sơn mỏng, có thể nói là không thể nhận ra nó là vòng tròn hoàn hảo hay không nếu chỉ nhìn bằng mắt thường.

Nếu quỹ đạo Trái đất bằng một chiếc vành xe đạp đường kính 66 cm thì độ biến dạng của nó so với một vòng tròn tuyệt đối chỉ là một lớp sơn mỏng. (Ảnh: Stephen Hughes).

Ông Hughes cũng xem xét quỹ đạo của các hành tinh khác để có cái nhìn bao quát hơn. Quỹ đạo của sao Kim và sao Hải Vương cũng gần như tròn tuyệt đối. Độ biến dạng của quỹ đạo sao Kim chỉ là 14μm và của sao Hải Vương chỉ là 31μm (1μm hay 1 micro mét là 1 phần triệu của 1 mét).

Hai hành tinh có quỹ đạo ít tròn nhất là sao Hỏa và sao Thủy. Nếu giảm tỷ lệ quỹ đạo sao Hỏa xuống bằng một chiếc vành xe đạp đường kính 66cm thì độ biến dạng chưa đến 3 mm, một độ dẹt mà bạn gần như không cảm nhận được nếu đi trên chiếc xe đạp này. Quỹ đạo sao Thủy là dẹt nhất, với độ biến dạng 14mm, và như vậy chỉ có 2%.

Độ biến dạng nhỏ tí xíu

Suy nghĩ theo kiểu toán học thì sau khi đọc xong phần trên, có thể bạn sẽ có một câu hỏi: Nếu khoảng cách trung bình giữa Trái đất và Mặt trời là 150 triệu km và khoảng cách này dao động 5 triệu km tùy thời điểm trong năm, thì phải chăng độ biến dạng của quỹ đạo so với hình tròn tuyệt đối chỉ là hơn 3% thôi đúng không?

Hình dạng thực của quỹ đạo Trái đất: gần như là một vòng tròn hoàn hảo. Độ dài a là bán trục lớn và độ dài b là bán trục nhỏ của hình elip. Aphelion (điểm viễn nhật) là khoảng cách xa nhất và perihelion (điểm cận nhật) là khoảng cách gần nhất từ Trái đất đến Mặt trời (Ảnh: Stephen Hughes).

Câu trả lời là Mặt trời không nằm ở chính giữa hình elip mà lệch sang một bên ở vị trí tiêu điểm. Nếu trong quá trình hình thành, một hành tinh di chuyển với tốc độ chính xác để chống lại lực hấp dẫn thì nó sẽ chuyển động theo một vòng tròn.

Tuy nhiên, trên thực tế, các hành tinh hiếm khi di chuyển với một tốc độ ổn định để có thể vẽ nên một quỹ đạo hình tròn. Đôi khi chúng di chuyển nhanh hơn, đôi khi lại chậm hơn vì thế mà quỹ đạo có hình elip.

Gần đạt đến vòng tròn hoàn hảo

Cách đây hàng nghìn năm, người Hy Lạp cổ đại tin rằng tất cả các vật thể trong vũ trụ đều quay quanh Trái đất theo những vòng tròn tuyệt đối. Người ta tin như vậy cho đến khi nhà thiên văn học người Ba Lan Nicolaus Copernicus (1473-1543) nhận thấy rằng các hành tinh, trong đó có Trái đất, thực sự quay quanh Mặt trời.

Nhà thiên văn học Copernicus cho rằng quỹ đạo của các hành tinh là hình tròn. Sau đó, nhà thiên văn học và toán học người Đức Johannes Kepler (1571-1630) phát hiện ra rằng Copernicus đã sai và ông đã đưa ra 3 định luật chuyển động của các hành tinh.

Định luật thứ nhất là quỹ đạo của các hành tinh có hình elip chứ không phải hình tròn. Định luật thứ ba liên kết kích thước của quỹ đạo một hành tinh với thời lượng hành tinh đó quay trên quỹ đạo theo một cách rất phức tạp và không cần thiết để chúng ta đề cập đến ở đây.

Còn định luật thứ hai nói về tốc độ mà mỗi hành tinh di chuyển trên quỹ đạo của nó. Nếu bạn vẽ một đường thẳng từ Mặt trời đến bất kỳ hành tinh nào thì cùng với chuyển động của hành tinh đó, đường thẳng này sẽ quét thành một vùng mà để đi hết vùng đó hành tinh sẽ mất thời gian bằng hành tinh khác đi qua vùng quét của hành tinh khác. Đó là vì các hành tinh chuyển động nhanh hơn khi chúng ở gần Mặt trời hơn.

Lý do chính để các cuốn sách vẽ hình quỹ đạo thành hình elip rõ rệt là để minh họa cho định luật thứ hai của Kepler. Nếu quỹ đạo của Trái đất được vẽ với tỷ lệ chính xác thì mắt thường không thể nhìn thấy sự khác biệt nào giữa các vùng quét.

Hình minh họa trong các cuốn sách thường dẫn đến hiểu nhầm rằng quỹ đạo Trái đất quay quanh Mặt trời có hình như thế này. (Ảnh: Stephen Hughes).

Tuy nhiên, việc vẽ hình quá lên như vậy khiến người xem dễ nhầm lẫn rằng quỹ đạo Trái đất rất dẹt.

Mặc dù người Hy Lạp cổ đại đã nhầm khi cho rằng Trái đất là trung tâm của Hệ Mặt trời nhưng họ không nhầm mấy về hình dạng quỹ đạo của các hành tinh. Như vậy, nếu bỏ qua cách vẽ hình quá lên để dễ dàng minh họa cho định luật thứ hai của Kepler, thì chúng ta có thể nói quỹ đạo của Trái đất là hình tròn.

• Giải mã khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời
• Khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời là bao nhiêu?
• Điều gì sẽ xảy ra nếu Trái đất là hành tinh duy nhất trong Hệ Mặt trời?