Xích đạo, chí tuyến, vòng cực là gì: năm vĩ tuyến chia Trái Đất

Xích đạo, hai chí tuyến và hai vòng cực là năm vĩ tuyến đặc biệt chia bề mặt Trái Đất thành năm đới: một đới nóng ở giữa, hai đới ôn hoà và hai vùng cực. Xích đạo là vĩ tuyến 0°, cách đều hai cực. Chí tuyến nằm ở khoảng 23°26′ Bắc và Nam, vòng cực ở khoảng 66°34′, và cả bốn đường này đều do độ nghiêng của trục Trái Đất quyết định chứ không do ai quy ước.

Năm đường, một con số gốc

Trục quay của Trái Đất nghiêng khoảng 23,44° so với đường vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo. Mọi thứ khác suy ra từ con số này.

• Xích đạo (0°): giao tuyến của mặt cầu với mặt phẳng vuông góc trục quay, đi qua tâm. Đây là vòng tròn lớn duy nhất trong năm đường, dài khoảng 40.075 km.
• Chí tuyến Bắc (khoảng 23,44° B): vĩ tuyến xa nhất về phía bắc mà Mặt Trời có thể lên đúng đỉnh đầu lúc giữa trưa, vào ngày hạ chí (khoảng 21/6).
• Chí tuyến Nam (khoảng 23,44° N): tương tự, vào ngày đông chí (khoảng 21–22/12).
• Vòng cực Bắc và vòng cực Nam (khoảng 66,56°): lấy 90° trừ độ nghiêng trục. Từ đây về phía cực, mỗi năm có ít nhất một ngày Mặt Trời không lặn và một ngày Mặt Trời không mọc.

Nói gọn: chí tuyến là ranh giới của "Mặt Trời đứng bóng", vòng cực là ranh giới của "ngày cực, đêm cực". Hai cặp đường đối xứng nhau qua xích đạo, và mỗi chí tuyến cách vòng cực cùng bán cầu đúng 43,12°, tức 90° trừ hai lần độ nghiêng.

Mỗi đới chiếm bao nhiêu phần mặt đất: tính tay được

Trên bản đồ phẳng, vùng cực trông mênh mông còn vùng nhiệt đới có vẻ là một dải hẹp. Thực tế ngược lại. Có một công thức rất gọn, do Archimedes tìm ra từ thời cổ đại: diện tích phần mặt cầu nằm giữa hai mặt phẳng song song tỉ lệ với khoảng cách giữa hai mặt phẳng đó. Đổi sang vĩ độ, phần mặt cầu nằm giữa xích đạo và vĩ tuyến φ chiếm đúng sin φ chia 2 diện tích toàn cầu.

Áp vào năm đường:

• Đới nóng, từ 23,44° N tới 23,44° B: sin 23,44° ≈ 0,398, tức khoảng 39,8% bề mặt Trái Đất.
• Hai đới ôn hoà cộng lại: sin 66,56° − sin 23,44° ≈ 0,918 − 0,398 = 0,520, tức 52%.
• Hai vùng cực cộng lại: 1 − 0,918 = 0,082, tức chỉ khoảng 8,2%, mỗi vùng hơn 4%.

Hai phần năm diện tích Trái Đất nằm giữa hai chí tuyến. Ai quen nhìn bản đồ chiếu Mercator, nơi Greenland to ngang châu Phi, thường đoán sai con số này rất xa.

Lưu ý: đây là đới chia theo thiên văn, theo góc chiếu của Mặt Trời. Các đới khí hậu thực tế không chạy thẳng theo vĩ tuyến mà uốn theo dòng biển, núi non và gió mùa. Vùng nhiệt đới về khí hậu có chỗ vượt khỏi chí tuyến, có chỗ lại hẹp hơn.

Mặt Trời đứng bóng: chuyện của riêng vùng nội chí tuyến

Mặt Trời lên đúng đỉnh đầu khi vĩ độ nơi đứng bằng xích vĩ của Mặt Trời, tức vĩ độ của điểm trên Trái Đất mà tia nắng chiếu thẳng góc. Xích vĩ dao động từ −23,44° tới +23,44° trong một năm. Vì vậy:

• Nơi nằm giữa hai chí tuyến: Mặt Trời đi qua đỉnh đầu hai lần mỗi năm, một lần khi xích vĩ đi lên, một lần khi đi xuống.
• Nơi nằm đúng trên chí tuyến: chỉ một lần, vào ngày chí.
• Nơi nằm ngoài chí tuyến: không bao giờ. London, Bắc Kinh hay Tokyo không có ngày nào bóng người đứng thu gọn dưới chân lúc trưa.

Toàn bộ lãnh thổ đất liền Việt Nam nằm trong vùng nội chí tuyến. Điểm cực Bắc ở Lũng Cú (tỉnh Tuyên Quang) nằm ở khoảng 23°23′ B, thấp hơn chí tuyến Bắc chừng 3 phút cung, tức khoảng 5–6 km. Ở Lũng Cú hai ngày đứng bóng rơi sát hai bên ngày hạ chí, chỉ cách nhau chừng mười ngày.

Tính theo xích vĩ Mặt Trời, có thể ước lượng ngày đứng bóng ở các thành phố (xê dịch một ngày tuỳ năm):

Càng về phía nam, hai ngày càng xa nhau và càng gần hai điểm xuân phân, thu phân. Muốn tự kiểm, cắm một que thẳng đứng xuống nền phẳng vào giờ trưa thật (giờ Mặt Trời qua kinh tuyến nơi mình, không phải 12 giờ đồng hồ): đúng ngày đứng bóng, que gần như không có bóng.

Vòng cực: không phải ranh giới sắc nét như sách vẽ

Về lý thuyết, đứng trên vòng cực Bắc vào ngày hạ chí, Mặt Trời chạm chân trời lúc nửa đêm rồi lên lại. Trên thực tế có hai yếu tố làm ranh giới này nhoè đi:

• Khúc xạ khí quyển bẻ cong tia sáng, làm Mặt Trời trông cao hơn vị trí thật khoảng nửa độ khi ở sát chân trời.
• Mặt Trời là một đĩa, không phải một điểm. Người ta tính "mọc" từ lúc mép trên ló ra, mà bán kính đĩa đã khoảng một phần tư độ.

Cộng hai hiệu ứng, Mặt Trời nửa đêm nhìn thấy được ở cả những nơi nằm thấp hơn vòng cực một chút, cỡ vài chục km. Ngược lại, đêm cực thật sự, khi Mặt Trời không ló lên cả ngày, chỉ bắt đầu ở vĩ độ cao hơn vòng cực. Vòng cực vì vậy là đường hình học, còn trải nghiệm của con người dịch về hai phía.

Càng gần cực, số ngày không lặn càng nhiều: trên vòng cực chỉ quanh một ngày, ở 70° B khoảng hai tháng, còn tại Bắc Cực khoảng sáu tháng liền Mặt Trời không lặn rồi sáu tháng không mọc, chênh nhau vài ngày vì quỹ đạo Trái Đất hơi dẹt.

Các đường này đang trôi, mỗi năm vài chục bước chân

Độ nghiêng trục Trái Đất không cố định. Nó dao động giữa khoảng 22,1° và 24,5° theo chu kỳ khoảng 41.000 năm, một trong các chu kỳ Milankovitch dùng để giải thích các thời kỳ băng hà. Hiện nay độ nghiêng đang giảm dần, chừng 0,47 giây cung mỗi năm.

Tính tay: một độ vĩ khoảng 111 km, một giây cung bằng 1/3.600 độ, tức khoảng 31 m. Nhân 0,47 ra khoảng 14–15 m mỗi năm. Nghĩa là:

• Hai chí tuyến đang dịch dần về phía xích đạo, mỗi năm khoảng 15 m. Vùng nội chí tuyến hẹp lại.
• Hai vòng cực đang dịch dần về phía cực với cùng tốc độ. Vùng cực co lại.

Nghe nhỏ, nhưng tích lại thành chuyện thật. Ở Gia Nghĩa (Đài Loan), nơi chí tuyến Bắc đi qua, người ta đã dựng mấy đời mốc chí tuyến qua hơn một thế kỷ, và vị trí đường thật hôm nay không còn trùng với mốc đời đầu. Đảo Grímsey phía bắc Iceland, nơi vòng cực Bắc cắt qua, có một khối cầu đá lớn đánh dấu vòng cực được làm để có thể dời dần theo đường thật, và vòng cực được dự báo sẽ trôi hẳn khỏi đảo vào khoảng giữa thế kỷ này.

Đường kẻ trên quả địa cầu học sinh vì vậy là ảnh chụp một thời điểm, không phải dấu khắc vĩnh viễn.

Vì sao gọi là chí tuyến, và vì sao tiếng Anh gọi theo cung hoàng đạo

"Chí" trong chí tuyến là chữ của hạ chí, đông chí: điểm tận cùng, nơi Mặt Trời dừng lại rồi quay về. Chí tuyến là đường đánh dấu chỗ Mặt Trời, trong chuyển động biểu kiến hằng năm, đi xa nhất rồi quay đầu.

Tiếng Anh gọi chí tuyến Bắc là Tropic of Cancer và chí tuyến Nam là Tropic of Capricorn, theo tên chòm sao Cự Giải và Ma Kết. Cách đây khoảng hai nghìn năm, vào ngày hạ chí Mặt Trời nằm trước nền chòm Cự Giải, ngày đông chí nằm trước chòm Ma Kết. Do hiện tượng tuế sai, trục Trái Đất xoay chậm như con quay, vị trí đó đã trôi đi: ngày nay Mặt Trời hạ chí nằm gần ranh giới giữa chòm Kim Ngưu và Song Tử. Cái tên vẫn giữ, chỉ còn là di tích của bầu trời thời cổ đại.

Cách đo những đường này từ thời xưa

Không cần vệ tinh để biết độ nghiêng trục. Đo bóng một cây cọc đứng (gọi là gnomon, người Việt và người Hoa xưa gọi là "biểu") vào giữa trưa ngày hạ chí và ngày đông chí là đủ.

Ví dụ tính tay: ở một nơi, góc cao Mặt Trời lúc trưa ngày hạ chí đo được 87,6°, ngày đông chí đo được 40,7°. Hiệu hai góc là 46,9°, bằng hai lần độ nghiêng trục, suy ra độ nghiêng khoảng 23,45°. Trung bình hai góc là 64,15°; lấy 90° trừ đi được vĩ độ nơi đo, khoảng 25,85° B. Hai lần đo bóng, ra cả độ nghiêng trục lẫn vĩ độ.

Góc nhìn hôm nay: tự quan sát năm đường ở Việt Nam

• Ghi lại ngày đứng bóng nơi mình ở. Tra vĩ độ trên điện thoại, đối chiếu bảng trên, cắm que vào trưa thật. Đây là thí nghiệm hay cho học sinh: một que, một thước, hai lần đo.
• Đo độ dài bóng cả năm. Mỗi tuần đánh dấu đầu bóng lúc trưa thật lên cùng một nền. Phần lớn năm bóng trưa đổ về phía bắc, nhưng trong khoảng giữa hai ngày đứng bóng, khi Mặt Trời đã lệch hẳn lên phía bắc đỉnh đầu, bóng trưa quay sang đổ về phía nam. Người ở ôn đới không bao giờ thấy cảnh này.
• Lên Lũng Cú. Đứng ở điểm cực Bắc, người ta đứng cách chí tuyến chỉ vài km, gần mép đới nóng nhất mà lãnh thổ đất liền Việt Nam chạm tới.