Tìm hiểu về Trái Đất của chúng ta – 10 vạn câu hỏi vì sao?

Tìm hiểu về Trái Đất của chúng ta – 10 vạn câu hỏi vì sao?

Trái đất có từ bao giờ?

Hệ Mặt trời được hình thành từ đám “tinh vân nguyên thuỷ” có dạng hình đĩa tròn xoay vòng với nhiệt độ cao tới 2.000 độ C trên vị trí của Trái đất. Tinh vân này do các nguyên tử, phân tử, hạt chất rắn (bụi vũ trụ), chất khí dạng ion hợp thành. Theo đà nguội lạnh đi của tinh vân, bụi vũ trụ ở xung quanh. Mặt trời nguyên thuỷ ngưng tụ thành các khối chất rắn, lắng đọng trên mặt phẳng của đĩa (xích đạo).

Bụi vũ trụ chủ yếu do vân thạch silicat các hợp chất có chứa sắt v.v… tạo thành. Thành phần của vân thạch và của Mặt trời giống nhau. Điều đó chứng tỏ bụi vũ trụ và Mặt trời vốn là từ cùng “tinh vân” hình thành mà ra.

Sau khi các hạt chất rắn lắng đọng vào trong khoảng thời gian 10 triệu – 100 triệu năm, do sự cân bằng giữa sức hút của Mặt trời và lực ly tâm mà hình thành các hành tinh loại Trái đất chủ yếy do vân thạch tụ tập lại ở vùng gần Mặt trời. Ở vùng xa Mặt trời thì hình thành các hành tinh kiểu sao Mộc do khi vũ trụ và các hạt băng tụ tập lại. Về tuổi tác của vân thạch và của Mặt trăng, dựa vào kết quả các nguyên tố có tính phóng xạ mà chúng chứa như urani, thori… cho là 4,6 ty tuổi. Đó cũng là tuổi tác của hệ Trái đất và hệ Mặt trời.

Trái đất nặng bao nhiêu?

Trọng lượng của cùng một vật thể, đặt ở Mặt trăng sẽ nhẹ hơn so với Trái đất tới 6 lần. Các vật có trọng lượng là do lực hút Trái đất mà sinh ra.

Trái đất có khối lượng bằng 5,98 x 1027 gam, xấp xỉ 6 triệu triệu triệu kilôgam. Trọng lượng của một vật thể nặng tỷ lệ thuận khối lượng Trái đất và tỷ lệ nghịch với bán kính Trái đất (6.370 km). Nếu xác định được hằng số tỷ lệ (hằng số vạn vật hấp dẫn) trong mối quan hệ đó thì có thể tính ra trọng lượng của Trái đất. Giữa thế kỷ XVIII, nhà khoa học Anh Cavendis thông qua thử nghiệm đã rút ra được trị số chính xác của hằng số đó. Cho nên khối lượng của Trái đất cũng tính ra được.

Biết bán kính Trái đất có thể tính được thể tích của Trái đất bằng 1,08 x 1027 cm2 khối lượng riêng trung bình của Trái đất bằng khối lượng chia cho thể tích bằng 5,52 g/cm3, khối nham thạch trên bề mặt Trái đất lớn gấp đôi. Cho nên qua đó có thể đoán hết, trong lòng đất có thể có các chất thuộc kim loại nặng như sắt, niken…

Trái đất quay xung quanh Mặt trời như thế nào?

Năm 1543 công nguyên, nhà thiên văn học người Ba Lan Nicola Kopernik trong tác phẩm vĩ đại của mình: “Thuyết thiên thể vận hành” đã chứng minh rằng không phải Mặt trời chuyển động quanh Trái đất mà là Trái đất chuyển động xung quanh Mặt trời. Đây là sự xoay quanh của Trái đất, thời gian Trái đất quay xung quanh Mặt trời một vòng chính là một năm.

Tính theo công thức định luật vạn vật hấp dẫn của Issac Niutơn, lực hấp dẫn giữa Trái đất và Mặt trời khoảng 3,5 tỷ Niutơn. Tốc độ chuyển động theo chu vi hình tròn của Trái đất quanh Mặt trời đạt 30 km/s. Do có lực li tâm quán tính sản sinh ra và lực hấp dẫn của Mặt trời với Trái đất là ngang nhau, làm cho Trái đất không bị lệch mà trái lại, luôn quay xung quanh Mặt trời.

Sự thực là, quỹ đạo của Trái đất không phải là hình tròn mà là hình bầu dục. Đầu tháng một hàng năm, Trái đất đi qua một điểm gần nhất với Mặt trời ở trên quỹ đạo, trên phương diện thiên văn học gọi đó là điểm cận nhật, lúc này, Trái đất cách Mặt trời 147,100 triệu km. Còn vào đầu tháng 7, Trái đất đi qua một điểm xa với Mặt trời nhất, đó được gọi là điểm viễn nhật; lúc này, Trái đất cách Mặt trời 152,1triệu km. Căn cứ vào số liệu này, Mặt trời mà chúng ta nhìn thấy vào tháng 1 to hơn một chút so với Mặt trời mà chúng ta nhìn thấy vào tháng 7 hàng năm. Nhưng quỹ đạo của t là một hình bầu dục gần bằng hình tròn, vì thế sự khác biệt này trên thực tế không rõ ràng, mắt thường không thể nào nhìn thấy được, chỉ có thông qua việc đo đạc tỷ mỉ mới có thể phát hiện ra được.

Quan trắc chính xác hơn nữa sẽ cho chúng ta biết rằng quỹ đạo của Trái đất và hình bầu dục vẫn có sự khác biệt nho nhỏ, đó là vì Mặt trăng và sao Hoả, sao Kim và các hành tinh khác đều dùng lực hấp dẫn của chúng tác động đến sự chuyển động của Trái đất. Nhưng chúng rất nhỏ so với Mặt trời, tác dụng của lực hấp dẫn đối với Trái đất là rất nhỏ, khó mà so được với Mặt trời, cho nên quỹ đạo của Trái đất vẫn rất giống với hình bầu dục.

Nói một cách nghiêm túc, quỹ đạo quay của Trái đất là một đường cong phức tạp, đường cong này gần như một hình bầu dục với độ chênh lệch rất nhỏ. Các nhà thiên văn học đã hoàn toàn nắm bắt được quy luật chuyển động phức tạp này của Trái đất.

Trái đất tự quay một vòng có đúng một ngày không?

Thời gian Trái đất tự quay một vòng là 23 giờ 56 phút, nhưng một ngày trên Trái đất lại có tới 24 giờ. Đây chẳng phải là mâu thuẫn sao?

Một ngày trong cuộc sống thường nhật của chúng ta, chính là thời gian luân chuyển ngày đêm một lần. Dùng tiêu chẩn gì để tính một cách chính xác nhất sự dài ngắn của một ngày?

Các nhà thiên văn học lựa chọn Mặt trời qua tuyền Tí Ngọ (đường nam bắc), cũng chính là khi Mặt trời đạt đến vị trí cao nhất so với mặt đất làm tiêu chuẩn tính thời gian. Thời gian giữa lần này Mặt trời đi qua tuyến tí ngọ và lần tiếp theo đi qua cũng một điểm trên tuyến Tí Ngọ chính là một ngày, thời gian trung gian cần thiết là 24 giờ.

Nếu Trái đất chỉ tự quay mà không quay xung quanh các thiên thể, như vậy, do sự tự quay của Trái đất, thời gian Mặt trời đi qua tuyến Tí Ngọ hai lần, chính là thời gian Trái đất tự quay một vòng.

Trên thực tế, khi Trái đất tự quay cũng đồng thời quay xung quanh Mặt trời. Sau khi Trái đất tự quay một vòng, do nguyên nhân của việc quay xung quanh thiên thể, Trái đất sẽ không ở chỗ cũ nữa, mà di chuyển từ điểm thứ nhất đế điểm thứ hai trên bản đồ. Điểm mà lần đầu tiên hướng về phía Mặt trời, sau khi Trái đất tự quay một vòng vẫn chưa hướng về phía Mặt trời lần tiếp theo (mũi tên màu đen trên bản đồ để chỉ hướng), cần phải đợi Trái đất quay thêm một góc độ nhỏ nữa mới hướng về phía Mặt trời. (Mũi tên màu xám trên bản đồ chỉ phương hướng). Thời gian Trái đất tự quay quanh góc độ này, cần khoảng 4 phút.

Trong thời gian hai lần Mặt trời đi qua tuyến Tí Ngọ, thực tế Trái đất chỉ quay được hơn một vòng một chút. Quãng thời gian này mới là một ngày – 24 giờ, trong cuộc sống của chúng ta.

Như vậy, sau khi Trái đất quay một vòng xung quanh Mặt trời, thì thực tế số vòng Trái đất tự quay nhiều hơn số ngày trong một năm là một lần.

Tại sao Trái đất có thể tự quay xung quanh trục?

Trái đất cũng giống như 8 hành tinh lớn khác trong hệ Mặt trời, đồng thời với việc quay xung quanh Mặt trời, nó cũng chuyển động không ngừng quanh trục quay giả tưởng. Hiện tượng luân chuyển ngày đêm là do Trái đất tự quay tạo nên.

Mấy trăm năm trước, con người đã đưa ra rất nhiều phương pháp chứng minh Trái đất tự quay, “quả lắc Phu-côn” nổi tiếng đã cho chúng ta nhìn thấy một cách chính xác sự tự quay của Trái đất. Nhưng tại sao Trái đất có thẻ tự quay xung quanh trục? Và tại sao Trái đất có thể quay xung quanh Mặt trời? Đây là một vấn đề làm cho các nhà khoa học cảm thấy rất hứng thú trong nhiều năm liền. Xem xét sơ lược thì sự quay là một hình thức vận động cơ bản của nhiều thiên thể trong vũ trụ, nhưng để trả lời vấn đề này một cách chính xác, trước tiên còn cần phải làm rõ Trái đất và hệ Mặt trời hình thành như thế nào. Sự khám phá ra hiện tượng tự quay và hiện tượng quay xung quanh của Trái đất có mối tương quan mật thiết đến sự hình thành hệ Mặt trời.

Những lí luận về thiên văn học hiện đại cho rằng, hệ Mặt trời được hình thành từ cái gọi là Tinh vân nguyên thuỷ. Tinh vân nguyên thuỷ là một mảng mây khí lớn và rất loãng, 5 tỉ năm trước đã chịu ảnh hưởng rối loạn và co lại phía trung tâm dưới tác động của lực hấp dẫn. Trải qua thời gian biến đổi dài đằng đẵng, mật độ vật chất của bộ phận trung tâm ngày càng lớn, nhiệt độ cũng cao hơn, cuối cùng đạt đến mức độ có thể dẫn đến phản ứng nhiệt hạch và chuyển hoá thành Mặt trời. Thể khí còn sót lại xung quanh Mặt trời dần dần hình thành một lớp thể khí xoay tròn hình cái chậu, trải qua quá trình co lại, lại va đập, tích tụ, lớp thể khí này từng bước tích tụ thành các hòn chất rắn, hành tinh nhỏ, hành tinh nguyên thuỷ, cuối cùng hình thành các thiên thể trong hệ Mặt trời như các tiểu hành tinh và đại hành tinh độc lập.

Chúng ta biết rằng, cần đo độ chuyển động nhanh chậm của vật thể theo đường thẳng, có thể dùng tốc độ để biểu thị, vậy thì dùng cái gì để đo lường trạng thái quay tròn của vật thể? Có một cách là dùng “lượng chuyển động góc”. Đối với một vật thể chuyển động xung quanh một điểm cố định thì lượng chuyển động góc của nó bằng chất lượng nhân với tốc độ và nhân tiếp với khoảng cách giữa vật thể này và điểm cố định. Trong vật lý học có định luật bảo tồn lượng chuyển động góc rất quan trọng, đó là: Một vật thể chuyển động, nếu không chịu tác động của ngoại lực thì lượng chuyển động của góc của nó sẽ không biến đổi theo sự biến đổi hình dạng của vật thể. Ví dụ: một diễn viên múa Balê, khi đang quay đột nhiên thu cánh tay lại (khoảng cách giữa tâm và điểm cố định nhỏ đi) thì tốc độ quay của người đó sẽ nhanh hơn, bởi vì chỉ có vậy mới có thể bảo đảm vai trò quan trọng trong việc nảy sinh tốc độ tự quay của Trái đất.

Thì ra việc hình thành tinh vân nguyên thuỷ của hệ Mặt trời đã có kèm theo lượng chuyển động góc. Sau khi hình thành hệ thống Mặt trời và hành tinh, lượng chuyển động góc của nó không bị giảm đi, nhưng sẽ có sự phân bổ lại, trong quan trọng tích tụ vật chất lâu dài, các thiên thể lần lượt đạt đến lượng chuyển động góc nhất định từ trong các tinh vân nguyên thuỷ. Do lượng chuyển động góc được giữ cố định, trong quan trọng co lại, tốc độ quay của các hành tinh cũng sẽ tăng lên ngày càng nhanh. Trái đất cũng không là ngoại lệ, lượng chuyển động góc mà nó đạt được phân bố chủ yếu trong việc Trái đất quay quanh Mặt trời, Trái đất quay quanh Mặt trăng và Trái đất tự chuyển động, nhưng cần phân tích chính xác sự chuyển động của Trái đất xung quanh các hành tinh lớn và sự tự vận động của Trái đất, cũng cần sự cố gắng trong công tác nghiên cứu của các nhà khoa học ngày nay.

Tại sao con người không bị văng ra khỏi Trái đất, khi Trái đất quay?

Khi xoáy nhanh cái ô che mưa, những giọt nước mưa sẽ từ xung quanh ô văng ra. Trái đất quay nên tại Hà Nội mọi vật cũng quay với vận tốc 1.500 km / giờ hay 430 km / giây.

Nhưng chẳng những mọi vật không bị văng ra mà cho dù có nhảy lên cao vẫn bị rơi xuống mặt đất ngay. Sức hút của Trái đất là nguyên nhân làm cho người và các vật xung quanh không thể văng ra khỏi Trái đất. Vật thể muốn thoát khỏi sức hút của Trái đất để bay đi thì cần phải đạt được tốc độ 8 km / giây. Phải phóng tên lửa với tốc độ gần 8 km / giây thì tên lửa không bị rơi tại mặt đât mà chuyển động theo quỹ đạo vòng tròn quanh Trái đất. Vì vậy muốn phóng vệ tinh nhân tạo hay con tầu vũ trụ phải có tên lửa đẩy đạt được tốc độ tối thiểu 8 km / giây thì vệ tinh con tàu mới chuyển động quanh Trái đất. Cho nên người ta gọi tốc độ gần 8 km / giâu là tốc độ vũ trụ cấp 1.

Làm thế nào để bay khỏi Trái đất?

Khi bạn đá quả bóng hay bắn viên đạn lên trời, dù cao đến đâu, rồi chúng cũng rơi xuống đất. Tại sao chúng không lên cao mãi và “đi luôn” nhỉ? Đơn giản là tất cả các vật thể quanh Trái đất đều không thể “chạy trốn” khỏi sức hút của nó?

Vậy mà các vệ tinh nhân tạo và phi thuyền không gian vẫn có thể bay quanh Trái đất rất nhiều ngày mà không bị rơi?

Muốn giải thích điều này, trước tiên chúng ta hãy làm một thí nghiệm đơn giản: Buộc một vật nặng vào đầu dây, cầm chắc đầu kia sợi dây và quay mạnh. Tay bạn sẽ cảm thấy có một lực kéo căng ra các phía. Tốc độ quay càng nhanh, lực kéo đi ra càng mạnh. Lực kéo đó gọi là lực ly tâm. Một lực khác của sợi dây giữ chặt vật nặng và bắt nó quay tròn, gọi là lực hướng tâm. Lực ly tâm và lực hướng tâm tuy ngược nhau nhưng cân bằng và tác động vào hai vật thể (sợi dây và vật nặng). Mọi vật khi chuyển động tròn đều bị tác động của lực hướng tâm.

11,2 km / giây mới thắng sức hút Trái đất

Khi bay, vệ tinh nhân tạo cũng chịu tác dụng của lực hướng tâm cần thiết không đủ lớn, thì sức hút này không những buộc vệ tinh nhân tạo phải bay quanh mà còn kéo nó trở lại Trái đất.

Chỉ khi vệ tinh nhân tạo bay với tốc độ cực lớn, đến mức lực hướng tâm hoàn toàn dùng vào chuyển động tròn của vệ tinh thì nó mới không bị rơi. Theo tính toán khoa học, để khả năng này không xảy ra, vệ tinh nhân tạo phải đạt tốc độ 7,8 km / giây và phải bay theo hướng ném văng ra khỏi mặt nước. Tốc độ này được gọi là “tốc độ vũ trụ 1”.

Tuy vậy, ngay cả ở tốc độ này, do gặp phải lớp không khí mỏng ngoài Trái đất, vệ tinh sẽ chuyển động chậm dần và cuối cùng rơi vào tầng khí quyển đậm đặc, cọ sát nóng lên và bốc cháy.

Để khắc phục hiện tượng đó và “thoát ly” khỏi Trái đất, vệ tinh phải đạt tốc độ 11,2 km / giây, khi đó nó sẽ trở thành vệ tinh nhân tạo. Tốc độ này còn gọi là “tốc độ thoát ly” hoặc “tốc độ vũ trụ 2”.

Nếu muốn bay tới các hành tinh khác, vệ tinh cần đạt tốc độ 16,7 km/giây. Tốc độ này là “tốc độ vũ trụ 3”.

Ở đâu các vật nặng hơn?

Càng lên cao, lực Trái đất hút các vật càng giảm, vì thế, chúng càng nhẹ đi. Nếu vượt ra khỏi bầu khí quyển của Trái đất, trọng lượng của vật sẽ bằng 0. Suy ngược ra, bạn có thể cho rằng càng vào sâu trong lòng đất, vật càng nặng hơn. Chú ý nhé, điều này hoàn toàn là ngộ nhận!

Trái đất hút những vật thể bên ngoài y như toàn bộ khối lượng của nó tập trung ở tâm. Theo định luật vạn vật hấp dẫn, lực hút giảm tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách, càng lên cao, lực hút của Trái đất lên các vật càng yếu đi.

Nếu đưa quả cân 1 kg lên độ cao 6.400 km, tức là dời nó ra xa tâm Trái đất gấp hai lần bán kính Trái đất, thì lực hút sẽ giảm đi 2 mũ 2 lần, tức là 4 lần, và quả cân treo vào cân lò xo sẽ chỉ nặng cả thảy 250 gram, chứ không phải 1 kg. Nếu đem quả cân đi xa mặt đất 12.800 km, tức là xa tâm Trái đất gấp 3 lần, thì lực hút giảm đi 9 lần, quả cân 1kg lúc này chỉ còn nặng 111 g…

Từ tính toán trên, tất bạn sẽ nảy ra ý kiến cho rằng khi đưa quả cân vào sâu trong lòng Trái đất, tức là khi đưa vật tiến về tâm, thì ta phải thấy sức hút tăng hơn, hay khi đó quả cân nặng hơn. Song, thực tế, vật thể không tăng trọng lượng khi đưa vào sâu trong lòng Trái đất, mà ngược lại, nhẹ đi.

Sở dĩ như thế là vì bây giờ vật thể không còn chịu sức hút từ một phía nữa, mà là từ nhiều phía trong lòng đất (dưới, trái, phải…). Rút cục, các lực hút của quả cầu có bán kính bằng khoảng cách từ tâm Trái đất đến chỗ đặt đồ vật là có giá trị. Vì vậy, càng đi sâu vào lòng Trái đất thì trọng lượng của vật càng giảm nhanh. Khi tới tâm Trái đất, vật trở thành không trọng lượng.

Như thế, ở trên mặt đất, vật sẽ nặng hơn cả (1)

(1) Tình hình xảy ra đúng như thế nếu Trái đất hoàn toàn đồng nhất về khối lượng riêng. Nhưng trên thực tế, khối lượng riêng của Trái đất tăng lên khi vào gần tâm: Vì vậy, khi vào sâu trong lòng Trái đất thì thoạt đầu trọng lực tăng lên một khoảng nào đó, rồi sau đó mới bắt đầu giảm.

Vì sao chúng ta không cảm thấy Trái đất chuyển động?

Mỗi giây, Trái đất vượt được chặng đường tới 30 km quanh Mặt trời. Đó là chưa kể tới việc Trái đất tự quay quanh mình với tốc độ ở đường xích đạo là 465 mét / giây. Vậy mà có vẻ như Trái đất đang đứng yên, trong khi chỉ cần ngồi trên xe, bạn sẽ thấy xe lao đi nhanh chóng mặt.

Trở lại với một tình huống thường gặp: Khi đi thuyền trên sông, bạn sẽ thấy thuyền lướt rất nhanh, cây cối và mọi vật hai bên bờ cứ trôi qua vùn vụt. Nhưng khi bạn đi tàu thuỷ trên biển rộng, trước mắt bạn là trời biển xanh biếc một màu, những con chim hải âu trông xa như một đốm trắng lơ lửng trên không trung, lúc đó, bạn sẽ cảm thấy tàu thuỷ đi quá chậm, mặc dù tốc độ của nó hơn hẳn tốc độ của thuyền trên sông. Vấn đề chính là ở chỗ đó.

Khi đi thuyền, cây cối hai bên bờ sông không di chuyển mà chính là thuyền di chuyển. Nếu cây cối ven bờ lao đi càng nhanh, chứng tỏ tốc độ của thuyền càng lớn. Nhưng trên biển rộng không có gì làm mốc để ta thấy tàu đang đi nhanh. Bởi thế bạn thấy nó lướt đi rất chậm, thậm chí có lúc đứng yên.

Trái đất như một chiếc tàu khổng lồ trong không gian. Nếu bên cạnh quỹ đạo của nó cũng có những vật mốc như cây cối bên bờ sông, chúng ta sẽ dễ dàng nhận thấy Trái đất đang chuyển động. Nhưng ở gần Trái đất, tiếc thay, lại không có vật gì làm chuẩn. Chỉ có những vì sao xa tít tắp giúp ta thấy được Trái đất thay đổi vị trí theo ngày, tháng mà thôi. Các vì sao này ở quá xa, nên trong một thời gian ngắn mấy phút, mấy giây, chúng ta rất khó cảm nhận thấy Trái đất đang chuyển dịch.

Còn về việc Trái đất tự quay quanh nó với tốc độ khá nhanh, chúng ta và mọi vật ở trên đó cũng đang quay với cùng một tốc độ, bởi vậy chúng ta không cảm nhận được chuyển động này. Nhưng các bạn chớ quên rằng, hàng ngày, chúng ta nhìn thấy Mặt trời, Mặt trăng và các vì sao mọc đằng Đông và lặn đằng Tây, đó chính là kết quả của việc Trái đất tự quay quanh mình nó.

Trái đất có thể phóng nhiệt ra ngoài được không?

Người ta thường dựa vào đo nhiệt độ ở giếng sâu để đo nhiệt độ dưới mặt đất, cứ giếng sâu thêm 100 m thì nhiệt độ tăng thêm 3 độ C. Người ta gọi đó là thang địa nhiệt. Nếu tính theo công thức oC / 100m hoặc oC / 10m thì ta sẽ tính được nhiệt độ trung tâm Trái đất phải gần 200.000 độ C. Thế nhưng nhiệt độ thực tế ở trung tâm Trái đất chỉ khoảng 300 đến 4.500 độ C.

Nhiệt độ Trái đất là do các nguyên tố phóng xạ cấu tạo nên Trái đất gây nên, nhiệt độ Trái đất do các tầng nham thạch nóng chảy mang lên Trái đất.

Nhiệt độ Trái đất tán xạ ra ngoài mặt tính theo 1 cm2 đơn vị PPm (l/triệu) trên 1 cm3/ gy và nhiệt lượng tán xạ bình quân trên toàn bề mặt Trái đất là 1,4. Ở những nơi có núi lửa hoặc suối nước nóng ở đáy biển cũng chỉ trên dưới 3.

Nhưng do Trái đất hấp thụ nhiệt từ Mặt trời nên nhiệt độ xung quanh bề mặt Trái đất được duy trì. Nếu tính lượng nhiệt cân bằng mà bề mặt Trái đất hấp thụ từ Mặt trời và lượng nhiệt mà Trái đất bức xạ ra ngoài biểu thị theo đơn vị vừa nên trên ta sẽ có con số bình quân vượt quá 8.000. Từ đó có thể thấy được nhiệt lượng do Trái đất bức xạ so với lượng nhiệt mà Trái đất hấp thụ từ Mặt trời là vô cùng bé.

>> Xem thêm :  Hiện tượng sấm chớp – 10 vạn câu hỏi vì sao?