Vì Sao NASA Đo Đạc Được Tâm Trái Đất Đang Dịch Chuyển?

Chúng ta thường hình dung Trái Đất như một khối cầu vững chắc với một tâm cố định tuyệt đối. Nhưng khi đọc về nghiên cứu mới của các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) của NASA, chúng tôi nhận ra rằng hình dung ấy chưa đúng. Tâm khối lượng của Trái Đất không đứng yên mà dao động nhẹ quanh một điểm tham chiếu, mỗi chu kỳ chỉ vài milimét. Một điểm đặc biệt là sự dao động này đến từ chính những thứ rất quen thuộc với chúng ta: tuyết, mưa, đại dương và không khí.

Tâm Khối Lượng Và Tâm Hình Học Khác Nhau Thế Nào?

Trước hết cần phân biệt hai khái niệm, vì cách gọi "tâm Trái Đất" dễ gây hiểu lầm.

• Tâm khối lượng (center of mass, hay geocenter): điểm cân bằng của toàn bộ hệ thống Trái Đất, gồm phần đất đá rắn, đại dương, băng và khí quyển.
• Tâm hình học (center of figure): tâm hình học của riêng lớp vỏ rắn của hành tinh.

Nếu Trái Đất là một quả cầu đặc, đồng nhất, hai điểm này trùng nhau. Nhưng thực tế nước, băng, tuyết và không khí liên tục di chuyển trên bề mặt hành tinh. Khi khối lượng phân bố lại theo mùa, tâm khối lượng dịch chuyển so với lớp vỏ rắn. Cần lưu ý rằng đây không phải là lõi Trái Đất đang trôi đi đâu đó. Tâm khối lượng là một điểm cân bằng được tính toán, giống như điểm cân bằng của một cái khay thay đổi khi bạn đặt đồ lên một bên.

(Xem thêm: Tán Xạ Rayleigh Là Gì? Vì Sao Bầu Trời TP Hồ Chí Minh Có Màu Đỏ?)

Điều Gì Khiến Tâm Khối Lượng Dịch Chuyển Theo Mùa?

Theo nhóm nghiên cứu, các nguyên nhân chính thuộc ba nhóm: đại dương, khí quyển và nước trên lục địa, bao gồm băng trên đất liền, tuyết, nước hồ sông, độ ẩm đất và nước ngầm. Một vài ví dụ giúp bạn hình dung rõ hơn.

• Tuyết ở bán cầu bắc: vào khoảng tháng 3, lượng tuyết tích tụ trên Bắc Mỹ và Á-Âu đạt đỉnh, kéo tâm khối lượng dịch về phía Bắc Cực khoảng 3 milimét.
• Mùa mưa ở Amazon: vào tháng 4, lưu vực sông Amazon chứa lượng nước cực lớn, ước tính hàng nghìn gigaton, và kéo tâm khối lượng về phía Nam Mỹ khoảng 2 milimét.
• Đại dương và khí quyển: nước biển và không khí cũng dịch chuyển theo mùa giữa các khu vực, làm thay đổi cán cân khối lượng của cả hành tinh.

Điều quan trọng là những dịch chuyển này mang tính chu kỳ và đảo chiều. Nghiên cứu không nói Trái Đất đang trôi hay lệch trục vĩnh viễn, mà chỉ làm rõ một dao động đã biết.

Vì Sao Đo Chuyển Động Vài Milimét Lại Khó Đến Vậy?

Bài toán này khiến các nhà khoa học đau đầu suốt nhiều thập kỷ. Vệ tinh luôn quay quanh tâm khối lượng, nên khoảng cách từ vệ tinh đến các trạm mặt đất cho biết điểm này nằm ở đâu. Nhưng có hai trở ngại lớn.

• Trạm đo phân bố không đều: các trạm laser mặt đất rải rác không đồng đều trên toàn cầu, nên dữ liệu thiên lệch theo khu vực.
• Chính mặt đất cũng chuyển động: cùng khối lượng nước và băng làm lệch tâm khối lượng cũng ép lớp vỏ bên dưới các trạm, khiến vị trí trạm thay đổi theo. Việc tách chuyển động thật của tâm khối lượng ra khỏi chuyển động của trạm là điều rất khó.

NASA Giải Bài Toán Này Bằng Cách Nào?

Nhóm nghiên cứu do nhà địa vật lý Donald Argus của JPL dẫn đầu đã kết hợp nhiều nguồn dữ liệu thay vì chỉ dựa vào một phương pháp.

• Đo laser tới vệ tinh LAGEOS: hai vệ tinh LAGEOS là những quả cầu kim loại nặng, phủ gương phản xạ, được thiết kế riêng cho mục đích này. Các trạm mặt đất bắn tia laser lên vệ tinh và đo thời gian phản hồi để tính khoảng cách với độ chính xác rất cao.
• Kết hợp dữ liệu GPS và vệ tinh quỹ đạo thấp: GPS có mạng trạm phân bố rộng hơn, còn các vệ tinh quỹ đạo Trái Đất thấp cung cấp thêm thông tin về tổng thể tâm khối lượng.
• Tính đến độ uốn của lớp vỏ: nhóm mô hình hóa việc lớp vỏ bị uốn cong và dịch nhẹ dưới sức nặng của nước và băng, từ đó tách được chuyển động thật của tâm khối lượng khỏi chuyển động của các trạm quan sát.
• Đối chiếu với dữ liệu trọng lực: các phép đo trọng lực từ những sứ mệnh như GRACE-FO được dùng để kiểm tra xem chuyển động suy ra có khớp với khối lượng thực sự di chuyển hay không.

Kết Quả: Dao Động Nhỏ Hơn Người Ta Từng Nghĩ

Điểm gây bất ngờ của nghiên cứu nằm ở chiều ngược lại với trực giác. Theo Donald Argus, biên độ dao động qua lại hằng năm của tâm khối lượng hiện được ước tính chỉ bằng khoảng một nửa so với những gì giới khoa học tin tưởng tám năm trước. Điều này cũng gợi ý rằng lượng nước và không khí di chuyển giữa hai bán cầu nhỏ hơn dự tính cũ.

Với chúng tôi, đây là một kiểu tiến bộ khoa học rất đẹp: không phải khám phá điều gì mới toanh, mà là nhìn rõ hơn một hiện tượng đã biết bằng cách cho các hệ thống đo đạc khác nhau cùng đồng ý với nhau.

Vì Sao Vài Milimét Lại Quan Trọng?

Tâm khối lượng là điểm neo của Hệ quy chiếu Mặt đất Quốc tế (ITRF), hệ tọa độ nằm sau định vị GPS, hàng không, bản đồ, đo mực nước biển và đo độ cao địa hình. Sai lệch vài milimét ở điểm neo này có thể truyền thành sai số trong nhiều phép đo khác.

Theo Felix Landerer, đồng tác giả của JPL, các chuyển động này có vẻ nhỏ nhưng thế giới hiện đại phụ thuộc vào các phép đo vị trí cực kỳ chính xác. Độ chính xác cao hơn giúp ích cho hàng hải, vận tải, định vị vệ tinh và nhiều ứng dụng khác như nông nghiệp chính xác. Các nhà nghiên cứu cũng nhấn mạnh việc xác định tốt tâm khối lượng giúp ước tính chính xác hơn tốc độ mực nước biển dâng và băng tan ở Greenland, Nam Cực.

Câu Hỏi Thường Gặp

• Tâm Trái Đất có thật sự dịch chuyển không? Tâm khối lượng của hệ thống Trái Đất dao động vài milimét theo mùa so với lớp vỏ rắn, vì khối lượng nước, băng, tuyết và không khí phân bố lại.
• Lõi Trái Đất có bị lệch không? Không. Tâm khối lượng là một điểm cân bằng được tính toán, không phải một vật thể di chuyển bên trong lõi.
• Dịch chuyển này có nguy hiểm không? Không. Biên độ chỉ vài milimét và đảo chiều theo mùa. Điều quan trọng là độ chính xác của các hệ định vị và bản đồ.
• NASA đo chuyển động này bằng gì? Bằng laser bắn tới vệ tinh LAGEOS kết hợp dữ liệu GPS và vệ tinh quỹ đạo thấp, có tính đến độ uốn cong của lớp vỏ Trái Đất.
• Kết quả nổi bật của nghiên cứu là gì? Biên độ dao động hằng năm của tâm khối lượng ước tính chỉ bằng khoảng một nửa so với tám năm trước.

Kết Luận

Hành tinh của chúng ta không phải một khối đá bất động mà là một hệ thống sống, nơi tuyết, mưa, biển và gió liên tục dịch chuyển khối lượng. Nghiên cứu của NASA cho thấy ngay cả trái tim của hành tinh cũng đang nhịp nhàng dao động theo các mùa, và con người đã tìm ra cách đo nó với độ chính xác tới từng milimét. Với chúng tôi, điều đáng suy ngẫm là những chuyển động nhỏ bé ấy lại là nền tảng thầm lặng của bản đồ và định vị mà chúng ta dùng mỗi ngày.

Nguồn tham khảo:

• Argus, D. F. và cộng sự, Geophysical Journal International, 2026: Estimation and cause of the seasonal oscillation between Earth's centre of mass and centre of figure
• NASA: NASA Watches Earth's Weight, Finds Center of Mass