Mỗi ngày, Mặt Trời mọc ở hướng Đông và lặn ở hướng Tây. Đây là chuyển động biểu kiến cơ bản mà chúng ta ai cũng đều biết. Nhưng chính xác thì vào những thời điểm nào Mặt Trời thực sự mọc ở chính Đông và lặn ở chính Tây?
Câu hỏi nêu trên tôi đã nhận được nhiều hơn một lần. Qua tra cứu và tham khảo thì thấy rằng nhiều sách chính thống và một số nguồn khác ở Việt Nam đang giải đáp việc này hoàn toàn không chính xác. Do đó, trong nội dung dưới đây, xin được phân tích cụ thể hơn để độc giả có được câu trả lời chính xác.
Chuyển động của Trái Đất
Ngày nay, chúng ta biết rằng Trái Đất tự quay quanh trục Bắc-Nam dẫn tới hiện tượng ngày-đêm do từng phần của bề mặt hành tinh lần lượt nhận được ánh sáng từ Mặt Trời.
Tuy nhiên, thời gian chiếu sáng của Mặt Trời mỗi ngày không phải đúng 12 giờ (nửa ngày) mà dao động theo mùa. Nguyên nhân của việc này là do Trái Đất chuyển động trên quỹ đạo quanh Mặt Trời theo chu kỳ gần đúng một năm, đồng thời trục của nó không vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo (90 độ) mà nghiêng khoảng 66,5 độ (tức là lệch ~23,5 độ so với trục thẳng đứng). Mùa hè ở Bắc bán cầu là khi Bắc bán cầu hướng về phía Mặt Trời nhiều hơn, khi đó ở Nam bán cầu là mùa đông, và ngược lại.
Chuyển động đó dẫn tới việc vị trí biểu kiến (tức là vị trí do góc nhìn của người quan sát, mà ở đây là người đứng trên Trái Đất) của Mặt Trời thay đổi theo từng ngày trong năm (chẳng hạn, cùng là 9h sáng nhưng ở cùng một vị trí, bạn thấy Mặt Trời vào hai ngày khác nhau có vị trí khác nhau). Điều đó cũng có nghĩa là trên thực tế không phải ngày nào trong năm bạn cũng thấy Mặt Trời mọc ở chính Đông và lặn ở chính Tây. Hầu hết thời gian trong năm, vị trí mọc và lặn của Mặt Trời đều lệch ít nhiều khỏi hai điểm này.
Các mùa trên Trái Đất do sự nghiêng của trục quay và chuyển động trên quỹ đạo quanh Mặt Trời.
Khi nào Mặt Trời đi qua thiên đỉnh?
Trong thiên văn học, thiên đỉnh (zenith) là thuật ngữ chỉ điểm thẳng đứng trên đầu người quan sát. Điều đó có nghĩa là bạn đứng tại bất cứ nơi nào trên Trái Đất thì khi bạn ngửa mặt nhìn thẳng đứng lên phía trên, tức là bạn nhìn lên thiên đỉnh.
Ngoài việc Mặt Trời mọc ở hướng Đông và lặn ở hướng Tây thì còn một điều nữa mà mọi người đều biết là vào giữa trưa thì Mặt Trời lên cao nhất và ánh sáng của nó chiếu thẳng đứng xuống. Tuy nhiên, ngay cả việc này cũng không hoàn toàn chính xác. Vào hầu hết các ngày trong năm, nếu bạn ra ngoài trời vào giữa trưa khi có nắng, bạn vẫn thấy bóng của mình đổ theo một hướng nào đó, dù nó rất ngắn. Điều đó có nghĩa là Mặt Trời không chiếu thẳng đứng từ trên xuống, hay nói cách khác là nó không ở thiên đỉnh.
Trọng lực (tức lực hấp dẫn của Trái Đất) có xu hướng kéo mọi vật về phía tâm của nó. Vì thế hướng từ chân tới đỉnh đầu bạn khi đứng thẳng (về cơ bản) chính là hướng nối từ tâm Trái Đất tới thiên đỉnh của bạn.
Trong hình trên, bạn thấy rằng nếu như trục của Trái Đất không nghiêng, Mặt Trời sẽ chỉ luôn ở thiên đỉnh đối với người sống ở xích đạo, vì người quan sát ở những vĩ độ khác có hướng nhìn thiên đỉnh khác và Mặt Trời không bao giờ có thể ở đỉnh đầu của họ. Tuy nhiên, nhờ trục Trái Đất nghiêng 23,5 độ, nên chính xác là Mặt Trời có thể tới thiên đỉnh vào những thời điểm khác nhau ở toàn bộ khu vực kéo dài từ 23,5 độ vĩ Bắc tới 23,5 độ vĩ Nam. Hai vĩ độ 23,5 Bắc và Nam này (chính xác là 23,43656 độ) được gọi là chí tuyến Bắc và chí tuyến Nam của Trái Đất.
Nhờ trục nghiêng của Trái Đất, toàn bộ khu vực nằm giữa chí tuyến Bắc và chí tuyến Nam (còn gọi là vùng nội chí tuyến) đều có ít nhất một thời điểm trong năm mà Mặt Trời đi qua thiên đỉnh.
- Ở đúng chí tuyến Bắc, Mặt Trời đi qua thiên đỉnh vào đúng hạ chí (20, 21 hoặc 22 tháng 6).
- Ở đúng chí tuyến Nam, Mặt Trời đi qua thiên đỉnh vào đúng đông chí (20, 21 hoặc 22 tháng 12).
- Ở xích đạo, Mặt Trời đi qua thiên đỉnh vào xuân phân (20 hoặc 21 tháng 3) và thu phân (22 hoặc 23 tháng 9).
- Tại Hà Nội, hai thời điểm Mặt Trời đi qua thiên đỉnh hàng năm là khoảng từ 26 đến 29 tháng 5 và từ 15 đến 18 tháng 7. Tại TP. Hồ Chí Minh, hai thời điểm này là từ 15 đến 16 tháng 4 và từ 27 đến 29 tháng 8. Các địa phương có vĩ độ khác thì thời điểm đó rơi vào những ngày khác.
Khi nào Mặt Trời mọc ở chính Đông và lặn ở chính Tây?
Khi nhận được câu hỏi kèm với ảnh chụp và đồng thời tham khảo thêm một số nguồn, tôi nhận thấy nhiều tài liệu tiếng Việt dành cho học sinh, mà cụ thể là môn Địa lý của cấp THPT, đã giải đáp sai câu hỏi này khi nhầm lẫn giữa thời điểm Mặt Trời đi qua thiên đỉnh với thời điểm nó mọc và lặn ở chính Đông/chính Tây.
Khác với khái niệm thiên đỉnh, khái niệm về hai hướng Đông và Tây không hề phụ thuộc vào vị trí của tâm Trái Đất mà phụ thuộc vào trục quay của Trái Đất. Các vĩ tuyến đều nằm trên những mặt phẳng vuông góc với trục quay của Trái Đất. Vì vậy, chỉ có ở xích đạo, hướng nhìn thiên đỉnh của người quan sát mới nằm trên mặt phẳng vĩ tuyến (hình dưới).
Vì lý do nêu trên, ngày Mặt Trời mọc ở chính Đông và lặn ở chính Tây không hề phụ thuộc vào việc nó có đi qua thiên đỉnh vào trưa ngày hôm đó hay không mà chỉ phụ thuộc vào việc các tia sáng của nó có cùng phương với mặt phẳng xích đạo của Trái Đất hay không.
Như vậy, bạn chỉ cần trả lời được câu hỏi: Khi nào thì ánh sáng Mặt Trời cùng phương với mặt phẳng quỹ đạo của Trái Đất?
Đó là vào xuân phân và thu phân.
Vào xuân phân và thu phân, các tia sáng từ Mặt Trời chiếu vuông góc với trục quay, và do đó cùng phương với mọi vĩ tuyến.
Vào xuân phân và thu phân, Mặt Trời có vị trí trên xích đạo trời (đường tròn trải rộng của xích đạo Trái Đất). Vào hai thời điểm này, các tia sáng của Mặt Trời chiếu vuông góc với trục Trái Đất. Ở đây, hãy lưu ý rằng chúng ta có được điều này vì Mặt Trời ở rất xa và có kích thước lớn hơn Trái Đất nhiều lần, nên các tia sáng từ nó được coi là hoàn toàn song song khi tới Trái Đất.
Hình dưới là một mô tả đơn giản về một điểm bất kỳ ở Bắc bán cầu, đường đi biểu kiến của Mặt Trời là khác nhau tùy theo thời điểm trong năm (thực tế là mỗi đường trong số 3 đường đó đại diện cho rất nhiều đường lân cận chúng).
Bạn có thể thấy rằng với người ở Bắc bán cầu và thấp hơn chí tuyến Bắc, Mặt Trời có thể tới thiên đỉnh vào một ngày nào đó nằm giữa xuân phân và hạ chí. Tuy nhiên, điểm mọc của Mặt Trời thì chắc chắn chỉ ở chính Đông vào xuân phân và thu phân mà thôi.
Ngay cả ở những khu vực đã nằm cao hơn chí tuyến Bắc hoặc dưới chí tuyến Nam (trên 23,5 hoặc dưới -23,5 độ), dù Mặt Trời không bao giờ đi qua thiên đỉnh, nhưng nó vẫn mọc ở chính Đông và lặn ở chính Tây vào xuân phân và thu phân.
Một cách chính xác
Cuối cùng, để chính xác hóa hơn nữa, bạn nên lưu ý rằng xuân phân và thu phân chỉ là một điểm (thời điểm Mặt Trời đi qua giao của hoàng đạo và xích đạo trời) chứ không phải một ngày. Chẳng hạn, người ta nói xuân phân năm nào đó rơi vào 20 tháng 3, thì có nghĩa là thời điểm đó nằm trong ngày 20 tháng 3. Nếu như điểm xuân phân nằm vào gần giữa đêm (chẳng hạn, 23h00 ngày 20/3), thì hiển nhiên thời điểm Mặt Trời mọc gần nó nhất là ngày 21 tháng 3 chứ không phải đúng 20 tháng 3. Do đó, việc nói rằng Mặt Trời mọc chính Đông và lặn chính Tây vào xuân phân và thu phân chỉ mang tính tương đối, bạn có thể lấy thêm sai số 1 ngày vào trước và sau ngày xuân phân và thu phân mà bạn thấy trên những cuốn lịch.
Và góp ý cuối cùng với các nhà giáo và người biên soạn sách
Trên đây là một vài hình ảnh, một trong số đó được chụp trong một cuốn sách bồi dưỡng học sinh giỏi địa lý (mà tôi xin được giữ danh dự cho tác giả bằng cách không nêu tên), còn lại được tôi chụp trong một vài website khá uy tín về bài tập dành cho học sinh (mà tôi cũng tạm không nêu đích danh).
Như bạn có thể thấy ở phân tích trên, tác giả của những bài tập này đều nhầm lẫn giữa việc Mặt Trời qua thiên đỉnh và Mặt Trời mọc ở chính Đông. Rất hi vọng rằng bản thân các tác giả đó, cũng như những nhà giáo đang làm việc dạy học kiến thức môn Địa lý cho các em học sinh, nếu đọc được bài viết này của tôi, thì lưu ý để sớm đính chính hoặc loại bỏ những nội dung hoàn toàn sai như vậy khỏi chương trình để không góp phần làm hỏng nhận thức của các bạn trẻ.
Tháng 1 năm 2021
Đặng Vũ Tuấn Sơn
