Một ngày không phải là 24 giờ

Hệ thống thời gian nói của chúng tôi dựa trên tiền đề rằng mỗi ngày dài chính xác 24 giờ - khá chính xác, không có ngoại lệ. Khái niệm này đã ăn sâu vào văn hóa của chúng ta, một nguyên tắc cốt lõi của xã hội công nghệ hiện đại của chúng ta. Đồng thời, chúng ta được dạy ở trường rằng một ngày tương ứng với một vòng quay hoàn toàn của Trái đất trên trục của nó. Thật không may, hai khái niệm này không hoàn toàn trùng khớp - và sự không phù hợp không chỉ là một vài phần nghìn giây. Trong thực tế, sự không phù hợp lên đến vài phút mỗi ngày. Hơn nữa, bởi vì khái niệm truyền thống của chúng ta về một ngày của người Đức thực sự được xác định bởi chu kỳ của ánh sáng mặt trời và bóng tối - chứ không phải bởi một vòng quay của Trái đất - độ dài của một ngày thực không nhất quán, nhưng thay đổi phần nào trong năm. Chúng tôi chỉ giả vờ rằng tất cả các ngày có cùng độ dài - bằng cách lấy trung bình độ dài của tất cả các ngày trong năm, và sau đó xác định mức trung bình này là một ngày tiêu chuẩn của Drake trong 24 giờ.

Đây không phải là một điều xấu. Trên thực tế, việc xác định hệ thống thời gian của chúng ta theo cách này là khá hữu ích. Nhưng một khi bạn hiểu tại sao hệ thống này không hoàn toàn phù hợp với thế giới thực, thì bạn có thể bắt đầu hiểu được một số hiện tượng thú vị. Ví dụ, bạn sẽ nghĩ rằng hoàng hôn sớm nhất và mặt trời mọc mới nhất sẽ xảy ra vào ngày ngắn nhất trong năm, đó là ngày đầu tiên của mùa đông. Nhưng đây không phải là trường hợp.

Nếu định nghĩa của chúng ta về một ngày thực sự dựa trên một vòng quay hoàn toàn của Trái đất trên trục của nó - một vòng quay 360 độ - thì một ngày sẽ là 23 giờ, 56 phút và 4 giây. Thời gian này ngắn hơn gần 4 phút so với ngày tiêu chuẩn 24 giờ của chúng tôi. Tuy nhiên, khái niệm về một ngày của chúng tôi đã được dựa trên chu kỳ tự nhiên của ánh sáng mặt trời - một khoảng thời gian ánh sáng ban ngày tiếp theo là một khoảng thời gian không có ánh sáng ban ngày. Sự không phù hợp trong gần 4 phút là do Trái đất phải quay hơn 360 độ giữa một bình minh và tiếp theo. Như bạn đã biết, Trái đất trải qua hai chuyển động đồng thời - nó không chỉ quay trên trục của nó, mà nó còn di chuyển trên quỹ đạo quanh mặt trời. Trong khoảng thời gian một ngày, Trái đất di chuyển khoảng 1/365 đường vòng quanh mặt trời (vì phải mất khoảng 365 ngày để đi hết quãng đường, đó là cách chúng ta xác định một năm). Tiến trình hàng ngày này trong quỹ đạo của Trái đất gần như chính xác một độ (được định nghĩa là 1/360 vòng tròn). Do đó, Trái đất phải quay thêm một độ để xếp hàng với mặt trời một lần nữa mỗi ngày. Kết quả là một chu kỳ hoàn chỉnh của ánh sáng mặt trời và bóng tối - một ngày - đại diện cho một vòng quay khoảng 361 độ, không phải 360 độ. Mặc dù một năm bao gồm 365 và một phần tư ngày, Trái đất thực sự quay vòng 365 và một phần tư trong một năm. Từ quan điểm của bình minh và hoàng hôn, một vòng quay hoàn chỉnh bị phủ định mỗi năm bởi hành trình vòng quanh mặt trời.

Một ngày tuyệt vời

Một cách khác để thể hiện ý tưởng này là độ dài của một ngày phụ thuộc vào khung tham chiếu của chúng tôi. Vì những lý do vừa truyền thống vừa logic, chúng ta thường sử dụng mặt trời làm tài liệu tham khảo khi xác định một ngày. Nhưng nếu chúng ta muốn định nghĩa một ngày là một vòng quay hoàn chỉnh của Trái đất trên trục của nó, thì chúng ta có thể sử dụng các ngôi sao làm tài liệu tham khảo của mình. Bằng cách quan sát vị trí của các ngôi sao trên bầu trời, chúng ta có thể xác định khi nào Trái đất hoàn thành chính xác một vòng quay. Chúng tôi gọi một ngày được xác định theo cách này là một ngày sao hoặc một ngày thiên văn. (Hai thuật ngữ có định nghĩa hơi khác nhau, nhưng kết quả gần như giống hệt nhau.)

Trong một ngày sao, bất kỳ ngôi sao nào cũng tăng vào cùng một thời điểm mỗi ngày. Chính xác hơn, bất kỳ ngôi sao nào cũng đạt đến điểm cao nhất trên bầu trời vào cùng một thời điểm mỗi ngày. Điều này là do, ở đầu và cuối của một vòng quay hoàn chỉnh của Trái đất, bất kỳ điểm đã cho nào trên Trái đất giờ đều phải đối mặt với cùng một hướng trong không gian. (Nói cách khác, bất kỳ điểm nào trên Trái đất hiện nay đều có cùng hướng với tham chiếu đến các ngôi sao khác trong thiên hà của chúng ta.) Nhưng vì một ngày sao ngắn hơn khoảng 4 phút so với ngày mặt trời truyền thống, điều này có nghĩa là bất kỳ ngôi sao nào cũng tăng khoảng 4 vài phút trước mỗi ngày. Ví dụ: nếu bạn thích phát hiện chòm sao Orion vào mùa thu và mùa đông, thì bạn sẽ nhận thấy rằng nó tăng lên sớm hơn mỗi đêm. Nếu bạn ra ngoài vào đúng 11:00 tối mỗi đêm để ghi chú vị trí của Orion, bạn sẽ thấy rằng mỗi đêm chòm sao trên bầu trời phía đông cao hơn một chút so với đêm trước.

Không giống như một ngày mặt trời, có chiều dài thực sự thay đổi trong suốt cả năm, độ dài của một ngày sao khá ổn định - luôn luôn là 23 giờ, 56 phút và 4 giây. Tuy nhiên, nếu bạn muốn chính xác đến mili giây (1/1000 giây), thì bạn phải xem xét một số loại rung lắc lắc ảnh hưởng đến hướng của trục Trái đất. (Lớn nhất trong số những lần rung lắc này là chu kỳ 26.000 năm được gọi là suy đoán trục.) Bạn cũng phải xem xét sự quay chậm dần của Trái đất. (Một vòng quay hoàn chỉnh mất khoảng 1,7 mili giây so với thế kỷ trước.)

Một ngày mặt trời

Trái ngược với một ngày sao, một ngày mặt trời - một chu kỳ hoàn chỉnh của ánh sáng mặt trời và bóng tối - có chiều dài thay đổi hơn nhiều. Tuy nhiên, số lượng thay đổi phụ thuộc một phần vào thời điểm bạn xem xét ngày bắt đầu. Ví dụ: bạn có thể coi ngày một ngày mới là bắt đầu vào lúc bình minh, khi mặt trời mọc hoặc bạn có thể coi ngày kết thúc khi mặt trời lặn - trong trường hợp ngày hôm sau bắt đầu vào lúc hoàng hôn. (Một số tôn giáo nổi bật vẫn sử dụng hệ thống sau.) Một lựa chọn thứ ba là nói rằng ngày mới bắt đầu vào giữa đêm - nửa chừng giữa hoàng hôn và bình minh. (Khoảnh khắc này có thể được gọi là Nửa thật nửa đêm.) Trong bất kỳ hệ thống nào, độ dài của một ngày thay đổi trong suốt cả năm, nhưng độ dài trung bình là 24 giờ. Tuy nhiên, hệ thống nửa đêm thể hiện độ biến thiên về chiều dài ngày ít hơn đáng kể so với hệ thống bình minh hoặc hoàng hôn.

Trong hệ thống thời gian tiêu chuẩn hiện tại của chúng tôi, một ngày mới thực sự bắt đầu vào nửa đêm - ngoại trừ việc đó không phải là nửa đêm thực sự. Tại bất kỳ địa điểm nào, vào bất kỳ ngày nào, có thể có sự khác biệt đáng kể giữa nửa đêm thực và nửa đêm theo thời gian tiêu chuẩn. Ở Mỹ, sự khác biệt có thể lớn như một giờ - và trong những tháng của Giờ tiết kiệm ánh sáng ban ngày, sự khác biệt thậm chí có thể đạt tới hai giờ. Ở vùng viễn tây Trung Quốc, sự khác biệt giữa thời gian tiêu chuẩn và thời gian thực là ba giờ, kết quả của việc nhét toàn bộ đất nước vào một múi giờ duy nhất.

Mặc dù bạn có thể coi độ dài của một ngày mặt trời thực sự là lượng thời gian từ một nửa đêm thực sự cho đến nửa đêm tiếp theo, một sự thay thế hợp lý là coi đó là khoảng thời gian từ một buổi trưa thực sự cho đến buổi trưa thực sự tiếp theo. Tại bất kỳ địa điểm nào, buổi trưa thực sự xảy ra chính xác giữa nửa mặt trời mọc và mặt trời lặn (giả sử đường chân trời tương đối bằng phẳng, không có núi). Đó cũng là thời điểm mặt trời đạt đến điểm cao nhất trên bầu trời cho ngày hôm đó. Ở các vùng ôn đới phía bắc của thế giới, mặt trời nằm ở phía nam vào buổi trưa thực sự. Ở các vùng ôn đới phía Nam trên thế giới, mặt trời nằm ở phía bắc vào buổi trưa thực sự. Ở vùng nhiệt đới - nghĩa là, bất kỳ nơi nào trên thế giới nằm ở phía nam của Vùng ung thư và phía bắc của Ma Kết - mặt trời sẽ ở phía bắc hoặc do phía nam vào buổi trưa thực sự, tùy thuộc vào ngày nào trong năm Là. Hơn nữa, hai lần một năm ở vùng nhiệt đới, mặt trời trực tiếp trên cao vào buổi trưa thực sự. Ngày chính xác của hiện tượng này thay đổi tùy theo vĩ độ của địa điểm.

Biến thể trong một ngày mặt trời

Nếu quỹ đạo của Trái đất quanh mặt trời hoàn toàn tròn, thì độ dài của một ngày mặt trời thực sự - thời gian từ một buổi trưa thực sự cho đến ngày tiếp theo - sẽ khá nhất quán trong suốt cả năm. Tuy nhiên, quỹ đạo của Trái đất thực sự là một hình elip, mặc dù khá gần với hình tròn. Do đó, khoảng cách giữa trái đất và mặt trời thay đổi trong năm khoảng 3% (khoảng 3 triệu dặm). Tốc độ Trái đất di chuyển quanh mặt trời cũng thay đổi khoảng 3% trong năm và nhanh nhất khi Trái đất ở gần mặt trời nhất. Khoảng cách thay đổi và tốc độ thay đổi đều ảnh hưởng đến độ dài của một ngày mặt trời thực sự - bởi vì cả hai đều ảnh hưởng đến việc Trái đất phải quay bao nhiêu độ giữa hai trường hợp liên tiếp của buổi trưa thực sự tại bất kỳ địa điểm nào. Độ dài của một ngày mặt trời thực sự vào cuối tháng 12 là khoảng 24 giờ cộng với 30 giây. Độ dài của một ngày mặt trời thực sự vào giữa tháng 9 là khoảng 24 giờ trừ 21 giây. Do đó, độ dài của một ngày mặt trời thay đổi gần một phút trong năm.

Mặc dù hiệu ứng này tương đối nhỏ khi bạn chỉ xem xét một ngày, nhưng nó khá đáng chú ý khi được tích lũy trong vài tháng. Hãy tưởng tượng rằng bạn có hai đồng hồ. Đồng hồ đầu tiên, đơn giản là đồng hồ mặt trời rất chính xác, hiển thị giờ địa phương thực sự, bao gồm cả buổi trưa thực sự. Đồng hồ thứ hai là điện, nhưng thay vì được đặt thành giờ chuẩn theo múi giờ địa phương, nó được đặt thành giờ trung bình cục bộ. Nói cách khác, đồng hồ điện giả định rằng tất cả các ngày là chính xác 24 giờ (từ có nghĩa là trung bình có nghĩa là trung bình), nhưng thời gian trung bình của buổi trưa phải phù hợp với buổi trưa thực sự địa phương, như được chỉ ra bởi đồng hồ mặt trời. Bốn lần một năm, hai đồng hồ sẽ đồng ý khi nó là buổi trưa. Nhưng vào đầu tháng Hai, đồng hồ điện chỉ ra buổi trưa đủ 14 phút trước khi đồng hồ mặt trời thực hiện. Đầu tháng 11, đồng hồ điện chỉ ra trưa muộn hơn 16 phút so với đồng hồ mặt trời. Đây là một sự khác biệt khá rõ ràng!

Sự không phù hợp này là lý do tại sao hoàng hôn sớm nhất và mặt trời mọc gần nhất trong năm không xảy ra vào ngày ngắn nhất trong năm - ngày đông chí - xảy ra vào hoặc gần ngày 21 tháng 12 ở bán cầu bắc. (Ở bán cầu nam, ngày 21 tháng 12 là ngày dài nhất trong năm và do đó là ngày đầu tiên của mùa hè.) Nếu chúng ta thực sự sử dụng thời gian mặt trời thực sự (trái ngược với thời gian trung bình địa phương hoặc thời gian tiêu chuẩn), thì đó là mặt trời mọc mới nhất và hoàng hôn sớm nhất trong năm thực sự sẽ xảy ra vào ngày đông chí, vào ngày đầu tiên của mùa đông.

Múi giờ

Việc sử dụng thời gian mặt trời thực sự đã bị bỏ qua khi đồng hồ cơ cho phép chúng tôi - hoặc có lẽ buộc chúng tôi - phải áp dụng độ dài tiêu chuẩn 24 giờ mỗi ngày, bất kể vị trí thực tế của mặt trời. Do đó, thời gian mặt trời đã được thay thế bằng thời gian trung bình của địa phương - vài thế kỷ trước. Nhưng tất nhiên, chúng ta cũng không sử dụng thời gian địa phương nữa. Nếu chúng ta đã làm, sau đó bất cứ khi nào bạn đi du lịch một vài dặm về phía đông hoặc phía tây, bạn sẽ phải điều chỉnh đồng hồ của bạn. Kể từ những năm 1880, chúng tôi đã dựa vào thời gian tiêu chuẩn, dựa trên các múi giờ. Ý tưởng là chia thế giới thành 24 dải hoặc vùng bắc-nam. Trong mỗi khu vực, tất cả mọi người sử dụng cùng một lúc. Khi bạn đi từ vùng này sang vùng khác, bạn thường điều chỉnh đồng hồ của mình đúng một giờ. Mỗi múi giờ có chiều rộng trung bình là 15 độ kinh độ (bằng cách chia 360 độ thành 24 phần bằng nhau). Điều này được chuyển đến một chiều rộng khoảng 1000 dặm ở đường xích đạo, nhưng các múi giờ được dần dần hẹp khi bạn tiếp cận cực của Trái đất.

Trong mỗi múi giờ, thời gian tiêu chuẩn dựa trên thời gian trung bình cục bộ ở một kinh độ cụ thể trong vùng. Ví dụ, trong Múi giờ miền Đông ở Bắc Mỹ, thời gian tiêu chuẩn dựa trên kinh độ 75 độ tây - đường trung tâm lý thuyết cho múi giờ này. Đối với bất kỳ thành phố hoặc thị trấn nào có cùng kinh độ gần đúng này, chẳng hạn như Philadelphia, có một sự kết hợp gần như hoàn hảo giữa thời gian trung bình địa phương và thời gian tiêu chuẩn. Nhưng đối với một thành phố hoặc thị trấn có kinh độ khoảng 80 độ tây, chẳng hạn như Charleston (Nam Carolina), thời gian tiêu chuẩn và thời gian trung bình địa phương khác nhau khoảng 20 phút. Ở Indianapolis, nằm ở khoảng 86 độ kinh đông, sự khác biệt giữa thời gian tiêu chuẩn và thời gian trung bình của địa phương là khoảng 45 phút. Vào mùa hè, khi Giờ tiết kiệm ánh sáng ban ngày có hiệu lực, một giờ khác biệt được thêm vào bất kỳ vị trí nào ở phía tây của đường trung tâm - mặc dù một giờ được trừ cho các vị trí ở phía đông của đường trung tâm (chẳng hạn như Boston). Kết quả là vào mùa hè, thời gian tiêu chuẩn và thời gian trung bình địa phương khác nhau gần hai giờ ở Indianapolis.

Indianapolis từng nằm trong múi giờ miền Trung, cùng với toàn bộ tiểu bang Indiana. Nhưng bây giờ hầu hết các tiểu bang nằm trong múi giờ miền đông. Nếu Indianapolis vẫn sử dụng Giờ Trung tâm, thì thời gian tiêu chuẩn và thời gian trung bình địa phương sẽ chỉ khác nhau 15 phút, thay vì 45 phút. Vấn đề là, trung bình, mặt trời sẽ ở giữa bầu trời lúc 11:45 sáng. Đầu tháng 11, do sự khác biệt giữa thời gian trung bình và thời gian mặt trời thực tế, mặt trời sẽ ở giữa bầu trời lúc 11:30 sáng. Do đó, bình minh và hoàng hôn sẽ xảy ra sớm hơn nửa giờ so với dự kiến. Hầu hết mọi người muốn có mặt trời ở giữa bầu trời vào lúc 12:30 tối, thay vì 11:30 sáng, để mặt trời mọc và mặt trời lặn muộn hơn một chút so với dự kiến. Một vấn đề tương tự ảnh hưởng đến bất kỳ địa điểm nào khác nằm ở phía đông của đường trung tâm của múi giờ tương ứng. Kết quả cuối cùng là các chính trị gia liên tục bị cám dỗ để thay đổi ranh giới múi giờ về phía tây. Phần lớn các địa điểm ở Hoa Kỳ (nhưng chắc chắn không phải tất cả) hiện nằm ở phía tây của đường trung tâm cho múi giờ tương ứng.

Hậu môn

Như hầu hết mọi người đều biết, mặt trời mọc cao hơn trên bầu trời vào mùa hè so với mùa đông. Giả sử bạn sống ở Bắc bán cầu, điểm cao mỗi ngày xảy ra vào buổi trưa thực sự và điểm cao nhất trong năm xảy ra vào ngày hạ chí (ngày đầu tiên của mùa hè), vào khoảng ngày 21 tháng 6. Nếu bạn gắn máy ảnh vào nền tảng chỉ về phía nam, và bạn chụp ảnh bầu trời và đường chân trời mỗi ngày vào buổi trưa thực sự, sau đó mặt trời sẽ leo lên cao hơn trong mỗi bức ảnh cho đến ngày 21 tháng 6, sau đó chìm xuống thấp hơn mỗi ngày cho đến ngày 21 tháng 12. Ảnh vào buổi trưa thực sự, bạn đã chụp ảnh vào buổi trưa theo đồng hồ (bỏ qua Giờ tiết kiệm ánh sáng ban ngày)? Khi bạn lướt qua các bức ảnh, mặt trời sẽ tiếp tục lên xuống, nhưng nó cũng sẽ dệt nhẹ sang trái và phải, vì sự không khớp đến 16 phút giữa thời gian mặt trời thật và thời gian trung bình. Nếu bạn kết hợp tất cả các hình ảnh vào một bức ảnh, thì bạn sẽ thấy hình số 8 trên bầu trời. Nếu bạn chụp ảnh vào một thời gian nhất quán khác với buổi trưa, thì hình 8 sẽ nghiêng sang một bên:

Luận văn của mặt trời, bởi Gyorgy Soponyai

Bạn có thể đã thấy một sơ đồ có hình dạng tương tự - được gọi là analemma - được in trên quả địa cầu. Ý nghĩa về cơ bản là giống nhau. Nếu bạn vẽ một chấm trên quả địa cầu trong khoảng thời gian 24 giờ chính xác cho cả năm, cho biết điểm trên trái đất nơi mặt trời trực tiếp trên đầu, thì bạn sẽ tạo ra con số 8 tương tự trên quả địa cầu:

Mùa trong năm

Trái ngược với những gì mọi người ở Bắc bán cầu có thể mong đợi, cách tiếp cận gần nhất của Trái đất với mặt trời (được gọi là perihelion) là vào đầu tháng 1. Cường độ ánh sáng mặt trời rơi xuống Trái đất lớn hơn 7% vào đầu tháng 1 so với đầu tháng 7, khi Trái đất ở xa mặt trời nhất. Điều này gây ra một sự điều tiết nhẹ về sự khác biệt giữa nhiệt độ mùa hè và mùa đông ở Bắc bán cầu và nó gây ra sự gia tăng nhẹ về sự khác biệt giữa nhiệt độ mùa hè và mùa đông ở Nam bán cầu.

Tất nhiên, chu kỳ mùa của chúng ta là do độ nghiêng của trục Trái đất, chứ không phải khoảng cách từ mặt trời. Yếu tố chính ảnh hưởng đến cường độ ánh sáng mặt trời chỉ đơn giản là mặt trời ở trên đường chân trời cao đến mức nào. Khi mặt trời thấp trên bầu trời, các tia chiếu vào Trái đất ở một góc xiên, lan truyền năng lượng trên một khu vực rộng lớn, do đó làm giảm cường độ. Do đó, ánh sáng mặt trời gay gắt hơn vào buổi trưa so với sáng sớm hoặc chiều muộn. Tương tự như vậy, ánh sáng mặt trời mạnh hơn vào mùa hè, khi mặt trời mọc cao hơn trên bầu trời, so với mùa đông. Ngoài ra còn có nhiều giờ ánh sáng ban ngày vào mùa hè, dẫn đến thời gian sưởi ấm hàng ngày dài hơn và thời gian làm mát hàng đêm ngắn hơn. Ở vùng nhiệt đới, chiều cao của mặt trời vào buổi trưa không thay đổi nhiều trong năm, cũng như độ dài của thời kỳ ánh sáng ban ngày. Do đó, vùng nhiệt đới không trải qua nhiều thay đổi về nhiệt độ trung bình trong năm.

Ở những địa điểm cách xa xích đạo và do đó có sự phân biệt rõ rệt giữa mùa hè và mùa đông, hiệu ứng này được phóng to rất nhiều ở những địa điểm có khí hậu lục địa, trái ngược với khí hậu biển. Nói cách khác, các địa điểm không chỉ cách xa xích đạo mà còn xa bất kỳ đại dương nào cũng sẽ trải nghiệm sự khác biệt lớn nhất giữa nhiệt độ mùa hè và mùa đông. Siberia, nằm ở lục địa khổng lồ châu Á, là ví dụ điển hình cho những thái cực như vậy - nhưng đồng bằng phía bắc của Bắc Mỹ (như Bắc Dakota và miền nam Saskatchewan) cũng là một ví dụ điển hình.

Tóm lược

Để kết luận, hãy trở lại câu hỏi ban đầu của chúng tôi: một ngày là bao lâu? Nếu chúng ta xác định một ngày dựa trên một hiện tượng vật lý thực tế, hàng ngày, có thể quan sát được, thì chúng ta có hai câu trả lời có thể. Nếu chúng ta định nghĩa một ngày là một vòng quay hoàn chỉnh của Trái đất trên trục của nó - một ngày sao - thì một ngày là khoảng 4 phút dưới 24 giờ. Nếu chúng ta định nghĩa một ngày là thời gian giữa trưa thật một ngày và trưa thật vào ngày hôm sau - một ngày mặt trời - thì độ dài của một ngày thay đổi trong suốt cả năm, từ 21 giây dưới 24 giờ đến 30 giây nhiều hơn 24 giờ . Nhưng nếu chúng ta lấy độ dài trung bình của tất cả các ngày mặt trời trong một năm, thì kết quả chính xác là 24 giờ, đó là cách chúng ta đến vào ngày tiêu chuẩn của chúng ta. Tuy nhiên, chỉ có 4 lần mỗi năm khi ngày tiêu chuẩn và ngày mặt trời thực sự có cùng độ dài. Kết quả cuối cùng là ngày 24 giờ tiêu chuẩn không phải là thứ được tìm thấy trong tự nhiên, mà là một phát minh của con người chỉ tương ứng với ngày thực - ngày mặt trời hoặc ngày sao - mà chúng ta thực sự trải nghiệm trên Trái đất.