Tổ tiên xa xưa của chúng ta đã chia cuộc sống của mình thành các ngày, theo nhịp điệu tự nhiên (natural rhythm) của mặt trời mọc và lặn. Hệ thống này đã hoạt động hiệu quả trong hàng thiên niên kỷ, nhưng đến thế kỷ 20, các nhà khoa học đã có một phát hiện gây sửng sốt: Trái Đất thực ra là một chiếc đồng hồ thời gian (timekeeper) tồi tệ.

Tại sao? Hóa ra, không có hai vòng quay nào – không có hai ngày nào – có độ dài chính xác như nhau.

Có nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến vòng quay của Trái Đất, bao gồm cả động đất. Trận động đất năm 2011 ở Nhật Bản – trận động đất đã gây ra sự cố hạt nhân Fukushima – đã làm tăng tốc vòng quay của Trái Đất thêm 1,8 phần triệu giây.

Trọng lực của Mặt Trăng cũng góp phần vào việc này. Nó cố gắng giữ cho đại dương của chúng ta đứng yên, nhưng Trái Đất vẫn tiếp tục quay bên dưới chúng. Ma sát thủy triều này làm mất một phần năng lượng quay của Trái Đất, khiến cho ngày dài thêm khoảng hai phần nghìn giây (2 mili giây) mỗi thế kỷ.

Sự chậm lại có thể là xu hướng dài hạn, nhưng đã có những kỷ lục ngắn hạn theo hướng ngược lại. Ví dụ, ngày 29 tháng 6 năm 2022 là ngày ngắn nhất từng được ghi nhận, khi trái đất quay nhanh hơn trung bình 1,59 mili giây, phá vỡ kỷ lục trước đó được thiết lập vào năm 2020. Điều này được cho là do những thay đổi sâu bên trong lõi Trái Đất.

Các nhà khoa học cũng đã phát hiện ra rằng các siêu công trình (megastructures) do con người xây dựng cũng có thể ảnh hưởng đến vòng quay của Trái Đất. Hãy lấy đập Tam Hiệp (Three Gorges Dam) cao 185m làm ví dụ. Trải dài trên sông Dương Tử ở tỉnh Hồ Bắc, miền trung Trung Quốc, đây là con đập lớn nhất thế giới với chiều dài hơn 2.300m.

Các số liệu của nó thực sự đáng kinh ngạc. Đập được xây dựng từ 28 triệu mét khối bê tông và đủ thép để xây dựng 63 bản sao của tháp Eiffel. Đã có 40.000 người làm việc trong 17 năm để xây dựng nó, với tổng chi phí 37 tỷ USD. Đập có thể chứa 40 tỷ mét khối nước.

Vào năm 2005, nhà khoa học NASA, Tiến sĩ Benjamin Fong Chao, đã tính toán rằng khi một khối lượng lớn như vậy tập trung vào một điểm, nó đủ để ảnh hưởng đến vòng quay của Trái Đất. Gần đây, tuyên bố này lại lan truyền trên mạng xã hội, nhưng tác động của đập thực sự là bao nhiêu và vì sao?

Chao tính toán rằng, khi đầy nước, đập có thể tăng độ dài của ngày lên 0,06 micro giây, tức là 60 phần tỷ của một giây.

Chao cũng tính toán rằng đập có thể làm lệch các cực của Trái Đất khoảng hai centimet. Tuy nhiên, con số thực tế luôn thay đổi. Theo Giáo sư Maik Thomas và Tiến sĩ Robert Dill từ Trung tâm Nghiên cứu Địa chất Đức, có “sự thay đổi theo mùa trong vòng quay của Trái Đất do những thay đổi theo mùa trong mực nước.”

Nhưng làm sao những thứ chúng ta đã tạo ra có thể ảnh hưởng đến vòng quay của cả hành tinh?

Các đập làm tổn thương vòng quay Trái Đất?

Tất cả đều liên quan đến một khái niệm gọi là ‘mômen quán tính’ (moment of inertia). Đây về cơ bản là mức độ mà một vật thể chống lại sự thay đổi chuyển động – khối lượng của một vật thể càng lớn và khối lượng đó càng xa trung tâm quay, vật thể càng chống lại việc quay.

Đập Tam Hiệp nằm ở độ cao 185m so với mực nước biển tại điểm cao nhất. Khi đập đầy nước, cả khối lượng cục bộ và khoảng cách của khối lượng đó so với trục quay (rotational line) của Trái Đất đều tăng lên. Nói cách khác, mômen quán tính tăng lên, tạo ra một lực cản (rất rất nhỏ) đối với vòng quay của Trái Đất.

Để hiểu rõ hơn về việc điều này làm chậm Trái Đất như thế nào, tiếp theo chúng ta cần thảo luận về động lượng góc. Đây cơ bản là tổng lượng quay của một vật thể, phụ thuộc vào cả tốc độ quay và cách khối lượng của vật thể được phân bổ.

Một điểm quan trọng về động lượng góc là nó luôn được bảo toàn. Điều này có nghĩa là tổng động lượng góc trong một hệ thống không thay đổi và không thể thay đổi.

Các vũ công trượt băng thường được sử dụng để giải thích cách điều này hoạt động. Khi họ dang tay, họ quay khá chậm. Nhưng khi họ thu tay lại, tốc độ quay tăng lên rõ rệt. Điều này là do động lượng góc tổng phải được giữ nguyên. Nếu họ trở nên gọn hơn, họ giảm khoảng cách của khối lượng so với trục quay. Điều này có nghĩa là tốc độ quay của họ phải tăng lên để duy trì cùng một động lượng góc.

Nguyên tắc bảo toàn động lượng góc tương tự áp dụng cho hệ Trái Đất – Mặt Trăng, nhưng hiệu ứng thì ngược lại. Chúng ta đã thấy trước đó sự tương tác giữa Mặt Trăng và Trái Đất đang làm chậm lại vòng quay của Trái Đất. Để duy trì tổng lượng quay, hệ thống cũng phải trở nên ít nén (tức gọn lại) hơn.

Điều đó chính xác là điều đang xảy ra – các thí nghiệm để lại trên Mặt Trăng bởi các phi hành gia Apollo cho thấy Mặt Trăng đang dần dần rời xa Trái Đất với tốc độ 3,8 cm mỗi năm (ngẫu nhiên con số này trùng hợp với tốc độ mà móng tay của bạn mọc ra).

Động lượng góc phụ thuộc vào cả mômen quán tính (chính là lực cản quay) và tốc độ quay. Trong trường hợp của Đập Tam Hiệp, chúng ta đã thấy rằng khi đầy nước, đập làm tăng mômen quán tính cục bộ. Vì vậy, để duy trì cùng một động lượng góc tổng thể, tốc độ quay của Trái Đất phải giảm xuống. Đó là lý do tại sao đập làm chậm vòng quay của Trái Đất thêm 60 phần tỷ giây. “Hiệu ứng của các siêu công trình khác có thể còn nhỏ hơn,” theo Thomas và Dill.

Họ cũng chỉ ra rằng các hoạt động khác của con người đã có tác động lớn hơn đến vòng quay của Trái Đất so với Đập Tam Hiệp. “Hồ Aral đã mất hơn ba phần tư lượng nước của nó kể từ năm 1960,” họ nói.

Nằm giữa Kazakhstan và Uzbekistan, hồ Aral từng là hồ lớn thứ ba thế giới trước khi Liên Xô chuyển hướng nhiều con sông từng cung cấp nước cho nó để phục vụ cho các dự án tưới tiêu. Thomas và Dill ước tính rằng việc mất nước này đã làm giảm tốc độ quay của Trái Đất gấp ba lần so với việc xây dựng Đập Tam Hiệp.

“Sự dịch chuyển của trục quay của Trái Đất về phía Canada do mất khối lượng băng ở Greenland còn lớn hơn nhiều,” họ nói thêm.

Vậy tất cả những ồn ào này là gì?

Với những thay đổi nhỏ bé (minuteness of these changes) như vậy, tại sao điều này lại quan trọng? Vâng, để kiểm soát vệ tinh của chúng ta và điều hướng thành công các tàu thăm dò đến các hành tinh khác trong hệ Mặt Trời, các cơ quan không gian cần phải biết hướng và chu kỳ quay của Trái Đất với độ chính xác rất cao.

Những thay đổi do các siêu công trình như Đập Tam Hiệp – và thậm chí nhiều hơn nữa là do chúng ta thay đổi thế giới tự nhiên xung quanh – đủ lớn để làm lệch các tàu thăm dò (throw the probes off) nếu không được tính toán cẩn thận.

Với những tác động quan trọng này – cộng thêm với những thay đổi do Mặt Trăng, động đất và các rung động sâu trong lòng Trái Đất gây ra – không có gì ngạc nhiên khi các nhà khoa học gặp khó khăn trong việc sử dụng Trái Đất như một chiếc đồng hồ thời gian. Giờ đây, giây không còn được định nghĩa là một phần của chu kỳ quay của Trái Đất nữa. Thay vào đó, nó được định nghĩa là thời gian để một nguyên tử cesium dao động hơn chín tỷ lần.

Tổ tiên của chúng ta có thể đã dùng hành tinh dưới chân mình như một chiếc đồng hồ khổng lồ, nhưng cuối cùng nó là một chiếc đồng hồ rất không đáng tin cậy. Và càng nhiều thứ chúng ta thêm vào và lấy đi khỏi thế giới, thì tính không đáng tin cậy này càng trở nên rõ ràng hơn.