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?
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 xấp xỉ 23,5 độ so với trục thẳng đứng).
Không phải ngày nào trong năm bạn cũng thấy Mặt trời mọc ở chính Đông và lặn ở chính Tây.
Mùa hè ở Bắc bán cầu là khi Bắc bán cầu hướng về phía Mặt trời nhiều hơn, khi đó 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 9 giờ 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.
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 kẹo 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.
Nếu trục của Trái đất không nghiêng thì 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 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 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 đúng vào hạ chí (20, 21 hoặc 22 tháng 6), ở đúng chí tuyến Nam, Mặt trời đi qua thiên đỉnh đúng vào đông chí (20, 21 hoặc 22/12). Ở Xích đạo, Mặt trời đi qua thiên đỉnh vào xuân phân (20 hoặc 21/3) và thu phân (22 hoặc 23/9).
- Tại Hà Nội, hai thời điểm Mặt trời đi qua thiên đỉnh hàng năm là khoảng từ 26 – 29/5 và từ 15 – 18/7.
- Tại TPHCM, hai thời điểm này là từ 15 – 16/4 và từ 29 – 29/8. 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?
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 ới nằm trên mặt phẳng vĩ tuyến.
Vì lý do đó, 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 phục 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, 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.
Cuối cùng để chính xác 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 20/3 thì có nghĩa là thời điểm đó nằm trong ngày 20/3. Nếu như điểm xuân phần nằm vào gần giữa đêm (chẳng hạn 23 giờ ngày 20/3) thì hiển nhiên thời điểm Mặt trời mọc gần nó nhất là ngày 21/3 chứ không phải đúng 20/3. 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.