Đường sáng tối là gì: ranh giới ngày đêm chạy trên Trái Đất ra sao

Đường sáng tối (tiếng Anh: terminator) là ranh giới chia Trái Đất thành nửa đang được Mặt Trời chiếu và nửa đang chìm trong đêm. Nó gần như một vòng tròn lớn bao quanh địa cầu và lướt về phía tây khoảng 1.670 km/h ở xích đạo, khoảng 1.560 km/h ở vĩ độ Hà Nội. Nơi đường này vừa đi qua là lúc bình minh hoặc hoàng hôn, nên bạn đã chứng kiến nó hằng ngày, chỉ chưa gọi tên.

Hình dạng: một vòng tròn lớn nghiêng theo mùa

Mặt Trời ở rất xa, nên các tia nắng tới Trái Đất gần như song song. Nửa được chiếu sáng là một bán cầu đúng nghĩa, và ranh giới của nó là giao tuyến của mặt cầu với mặt phẳng đi qua tâm, vuông góc với hướng Mặt Trời: một vòng tròn lớn, chu vi khoảng 40.000 km.

Vòng tròn này nghiêng khác nhau theo mùa:

• Ngày xuân phân và thu phân (khoảng 20/3 và 23/9): đường sáng tối đi qua đúng hai cực. Mọi nơi trên Trái Đất có ngày và đêm xấp xỉ bằng nhau.
• Ngày hạ chí (khoảng 21/6): đường sáng tối tiếp xúc với hai vòng cực. Toàn bộ vùng trong vòng cực Bắc nằm trong phần sáng suốt ngày đêm, vùng trong vòng cực Nam chìm trong tối.
• Ngày đông chí (khoảng 21–22/12): ngược lại.

Độ nghiêng lớn nhất của đường so với kinh tuyến bằng đúng độ nghiêng trục Trái Đất, khoảng 23,44°. Đây là lý do vòng cực và chí tuyến nằm ở những vĩ độ như vậy.

Đường sáng tối chạy nhanh cỡ nào: tính theo vĩ độ

Trái Đất quay một vòng so với Mặt Trời trong 24 giờ. Ở xích đạo, chu vi 40.075 km chia 24 ra khoảng 1.670 km/h. Ở vĩ độ φ, vòng vĩ tuyến ngắn lại theo hệ số cos φ, nên tốc độ đường sáng tối quét qua mặt đất (theo phương đông – tây, vào ngày phân) cũng giảm theo cos φ:

Một máy bay chở khách bay khoảng 900 km/h. Đặt cos φ = 900 / 1.670 ≈ 0,54, ra φ ≈ 57°. Nghĩa là ở vĩ độ trên khoảng 57°, một máy bay phản lực bay về phía tây có thể theo kịp hoàng hôn: hành khách nhìn Mặt Trời đứng yên sát chân trời suốt chặng bay. Ở Việt Nam thì không thể, vì đường sáng tối nhanh gần gấp đôi tốc độ máy bay.

Ranh giới không sắc: khúc xạ, đĩa Mặt Trời và ba loại hoàng hôn

Nếu Trái Đất không có khí quyển và Mặt Trời chỉ là một điểm sáng, đường sáng tối sẽ là một nét mảnh. Thực tế có ba yếu tố làm nó nhoè.

Khúc xạ và bán kính đĩa Mặt Trời

Khí quyển bẻ cong tia sáng, làm Mặt Trời ở sát chân trời trông cao hơn vị trí thật khoảng 34 phút cung. Thêm nữa, "mặt trời mọc" được tính từ lúc mép trên đĩa ló ra, mà bán kính đĩa khoảng 16 phút cung. Cộng lại, Mặt Trời được tính là đã mọc khi tâm của nó còn ở dưới chân trời khoảng 0,83°.

Hệ quả tính tay được: ngày xuân phân không phải ngày và đêm dài đúng 12 giờ. Mỗi đầu ngày được thêm 0,83°; ở xích đạo Mặt Trời lên xuống thẳng đứng với tốc độ 15° mỗi giờ, tức 4 phút cho mỗi độ. Hai đầu cộng lại 2 × 0,83 × 4 ≈ 6,7 phút. Ở Việt Nam, Mặt Trời mọc lặn hơi xiên nên phần thêm nhỉnh hơn chút, khoảng 7 phút. Ngày mà ngày và đêm dài bằng nhau thật sự rơi vào trước xuân phân và sau thu phân vài ngày.

Ba vành hoàng hôn

Sau khi Mặt Trời lặn, trời chưa tối ngay vì khí quyển tầng cao vẫn được chiếu sáng và tán xạ ánh sáng xuống. Người ta chia thành ba vành theo độ sâu của Mặt Trời dưới chân trời:

• Hoàng hôn dân sự (0° tới 6°): còn đủ sáng để làm việc ngoài trời không cần đèn.
• Hoàng hôn hàng hải (6° tới 12°): vẫn thấy đường chân trời trên biển, đủ để thuỷ thủ đo góc sao.
• Hoàng hôn thiên văn (12° tới 18°): mắt thường thấy như đã tối, nhưng bầu trời vẫn còn sáng mờ đủ làm nhoè các thiên hà mờ.

Trên mặt đất, mỗi vành 6° tương ứng một dải rộng khoảng 6 × 111 ≈ 670 km. Ngày phân ở xích đạo, Mặt Trời hạ 6° mất 6 / 15 giờ = 24 phút; ở Hà Nội lâu hơn một chút, khoảng 25–26 phút. Đi về phía cực, Mặt Trời lặn xiên hơn nên hoàng hôn kéo dài hơn nhiều.

Ở vĩ độ đủ cao, quanh hạ chí, Mặt Trời nửa đêm không xuống quá 6° dưới chân trời. Điều kiện là φ ≥ 90° − 23,44° − 6° ≈ 60,6°. Từ vĩ độ đó trở lên, đêm hạ chí không tối hơn hoàng hôn dân sự, đó là những "đêm trắng" nổi tiếng của Bắc Âu.

Việt Nam: bình minh đi từ Mũi Đôi tới A Pa Chải

Lãnh thổ đất liền Việt Nam trải từ khoảng 102°08′ Đ ở A Pa Chải (tỉnh Điện Biên) tới khoảng 109°28′ Đ ở Mũi Đôi (tỉnh Khánh Hoà). Chênh 7°20′ kinh độ. Trái Đất quay 1° mất 4 phút, nên chênh lệch giờ Mặt Trời là khoảng 29 phút.

Mỗi sáng, đường sáng tối chạm Mũi Đôi trước rồi lướt qua dải đất hình chữ S trong gần nửa giờ mới tới cực Tây. Vì A Pa Chải nằm xa hơn về phía bắc, chênh lệch thực tế còn xê dịch theo mùa: mùa hè ngày ở phía bắc dài hơn nên khoảng chênh giờ mọc thu hẹp, mùa đông thì nới rộng. Nhưng cả nước dùng chung giờ UTC+7, nên ở Điện Biên Mặt Trời mọc muộn hơn hẳn so với Khánh Hoà trên cùng mặt đồng hồ.

Đỉnh núi còn nắng khi chân núi đã tối

Đứng càng cao, bạn nhìn được xa hơn qua đường cong của Trái Đất, nên đường sáng tối với bạn đến muộn hơn. Có một công thức gần đúng rất gọn: ở độ cao h, khoảng cách tới đường chân trời là d ≈ √(2Rh), với R ≈ 6.371 km.

• Fansipan, 3.143 m: d ≈ √(2 × 6.371 × 3,143) ≈ 200 km.
• Đỉnh Everest, 8.849 m: d ≈ √(2 × 6.371 × 8,849) ≈ 336 km.

Với Fansipan, góc chân trời hạ thấp khoảng 1,8°. Ngày phân ở vĩ độ 22°, Mặt Trời lặn với tốc độ khoảng 14° mỗi giờ, nên đỉnh núi còn thấy nắng thêm chừng 7–8 phút sau khi thung lũng đã ở sau đường sáng tối, chưa kể khúc xạ. Đó là lý do người leo núi hay thấy đỉnh bên cạnh đỏ rực khi trại đã chìm trong bóng tối.

Năm 1610, trong cuốn Sidereus Nuncius, Galileo dùng chính hiện tượng này trên Mặt Trăng: ông thấy những đốm sáng nằm hẳn bên trong phần tối, gần đường sáng tối, và suy ra đó là đỉnh núi đón nắng trước. Từ khoảng cách các đốm sáng tới đường sáng tối, ông ước lượng núi Mặt Trăng cao cỡ vài km, cùng bậc độ lớn với số đo ngày nay. Lần đầu tiên con người đo núi trên một thiên thể khác, chỉ bằng hình học của ánh sáng và bóng tối.

Những điều thú vị dọc đường sáng tối

• Sóng vô tuyến. Dân vô tuyến nghiệp dư biết rằng sóng ngắn thường lan truyền xa bất thường dọc theo đường sáng tối, họ gọi là "grey line". Lý do là tầng điện ly ở đó đang chuyển trạng thái giữa ngày và đêm.
• Trạm vũ trụ. Trạm Vũ trụ Quốc tế bay một vòng khoảng 90 phút, nên phi hành gia cắt qua đường sáng tối khoảng 32 lần mỗi ngày, tức chừng 16 lần bình minh và 16 lần hoàng hôn.
• Động vật. Nhiều loài hoạt động mạnh nhất lúc chạng vạng, như muỗi, dơi, đom đóm. Sinh học gọi chúng là loài hoạt động lúc hoàng hôn (crepuscular). Với chúng, đường sáng tối là chiếc đồng hồ chính.

Góc nhìn hôm nay: nhìn thấy bóng Trái Đất

Có một cách để thấy đường sáng tối từ mặt đất. Chiều quang mây, ngay sau khi Mặt Trời lặn, hãy quay lưng về phía tây và nhìn bầu trời phía đông, sát chân trời. Bạn sẽ thấy một dải xanh xám đậm đang dâng dần lên: đó là bóng của chính Trái Đất chiếu lên khí quyển. Ngay phía trên là một dải hồng nhạt, gọi là vành đai Venus, nơi khí quyển còn bắt ánh nắng đỏ cuối ngày. Ranh giới giữa hai dải là đường sáng tối nhìn từ bên trong.

Muốn đi xa hơn, các trang bản đồ ngày đêm trực tuyến vẽ đường sáng tối theo thời gian thực; đặt nó cạnh bảng giờ mọc lặn của địa phương để tự kiểm chứng các con số trong bài. Sách thiên văn nhập môn có phần chuyển động biểu kiến của Mặt Trời giải thích kỹ ba loại hoàng hôn.