Chuyên đề Vật Lí 10 - Bài 6: Một số hiện tượng thiên văn

 

BÀI 6: MỘT SỐ HIỆN TƯỢNG THIÊN VĂN

I. Lí thuyết

1. NHẬT THỰC

Nhật thực là hiện tượng xảy ra khi Mặt Trăng đi qua giữa Trái Đất và Mặt Trời trên cùng một đường thẳng và quan sát từ Trái Đất, lúc đó Mặt Trăng che khuất hoàn toàn hay một phần Mặt Trời. Điều này chỉ có thể xảy ra tại thời điểm trăng non khi nhìn từ Trái Đất, lúc Mặt Trời bị Mặt Trăng che khuất và bóng của Mặt Trăng phủ lên Trái Đất.

Nếu Mặt Trăng có quỹ đạo tròn hoàn hảo, gần hơn Trái Đất một chút, và trong cùng mặt phẳng quỹ đạo, sẽ có nhật thực toàn phần xảy ra mỗi lần trong một tháng. Tuy nhiên, quỹ đạo của Mặt Trăng nghiêng hơn 5° so với mặt phẳng quỹ đạo của Trái Đất quanh Mặt Trời, do vậy bóng của Mặt Trăng lúc trăng non thường không chiếu lên Trái Đất. Để hiện tượng nhật thực cũng như nguyệt thực xảy ra, Mặt Trăng phải đi qua mặt phẳng quỹ đạo của Trái Đất. Hơn nữa, quỹ đạo của Mặt Trăng có hình elip, và nó thường ở đủ xa Trái Đất khiến cho kích cỡ biểu kiến của nó không đủ lớn để che khuất hoàn toàn Mặt Trời lúc nhật thực. Mặt phẳng quỹ đạo của Mặt Trăng và của Trái Đất mỗi năm cắt nhau tại các điểm nút lên và nút xuống của quỹ đạo; và có ít nhất là 2 và nhiều nhất là 5 lần nhật thực xảy ra trong một năm, cũng không thể có nhiều hơn hai lần nhật thực toàn phần trong cùng một năm. Tuy nhiên, tại một nơi cụ thể trên Trái Đất, hiện tượng nhật thực toàn phần xảy ra là rất hiếm bởi vì bóng của Mặt Trăng trong lúc hiện tượng này xảy ra đổ lên Trái Đất theo một dải hẹp và trong thời gian ngắn, với lần lâu nhất khoảng 7 phút (nhật thực toàn phần ngày 20/7/1955).

Rất nguy hiểm cho mắt khi nhìn trực tiếp vào Mặt Trời. Do vậy để quan sát hiện tượng nhật thực trực tiếp cần sử dụng các loại kính bảo vệ mắt hoặc quan sát gián tiếp hình ảnh lúc nhật thực. Nhưng khi xảy ra hiện tượng nhật thực toàn phần, mắt có thể an toàn quan sát hiện tượng này trong lúc Mặt Trăng che khuất hoàn toàn Mặt Trời. Những người ưa thích hiện tượng này thường đi du lịch đến những nơi sắp xảy ra để chứng kiến và chụp ảnh.

Có bốn kiểu nhật thực:

• Nhật thực toàn phần xảy ra khi đĩa tối của Mặt Trăng che khuất hoàn toàn Mặt Trời và người quan sát nằm trong bóng tối của Mặt Trăng, cho phép quan sát được vầng hào quang bao quanh Mặt Trời hay vành nhật hoa bằng mắt với dụng cụ bảo vệ. Trong thời gian xảy ra bất kỳ một lần nhật thực nào, chỉ có thể quan sát thấy nhật thực toàn phần từ một dải hẹp trên bề mặt Trái Đất.
• Nhật thực hình khuyên xảy ra khi Mặt Trời và Mặt Trăng nằm chính xác trên một đường thẳng, nhưng kích cỡ biểu kiến của Mặt Trăng nhỏ hơn kích cỡ biểu kiến của Mặt Trời. Vì thế Mặt Trời vẫn hiện ra như một vòng đai rực rỡ bao quanh Mặt Trăng. Thời gian diễn ra nhật thực hình khuyên lâu hơn nhật thực toàn phần nhưng cũng chỉ kéo dài trong vài phút.
• Nhật thực lai là một kiểu trung gian giữa nhật thực toàn phần và nhật thực hình khuyên. Ở một số điểm trên Trái Đất, nó được quan sát thấy là nhật thực toàn phần; ở những nơi khác nó lại là nhật thực hình khuyên. Thuật ngữ chung cho nhật thực toàn phần, hình khuyên hay nhật thực lai là nhật thực trung tâm. Nhật thực lai rất hiếm khi xảy ra.

• Nhật thực một phần xảy ra khi Mặt Trời và Mặt Trăng không nằm chính xác trên cùng một đường thẳng, và Mặt Trăng chỉ che khuất một phần của Mặt Trời.

Khi nhật thực toàn phần xảy ra, Mặt Trời bị che khuất hoàn toàn bởi Mặt Trăng khiến trời tối như đêm. Đây là cơ hội tốt để các nhà khoa học quan sát và nghiên cứu tính chất của vành nhật hoa (corona), một thành phần quan trọng của Mặt Trời, rất khó quan sát được trong điều kiện bình thường.

Khoảng cách Mặt Trời đến Trái Đất xấp xỉ bằng 400 lần khoảng cách Mặt Trăng đến Trái Đất, và đường kính của Mặt Trời bằng khoảng 400 lần đường kính của Mặt Trăng. Bởi vì hai tỉ số này xấp xỉ bằng nhau, khi nhìn từ Trái Đất, Mặt Trời và Mặt Trăng có kích thước biểu kiến gần bằng nhau: khoảng 0,5 độ góc.

Một loại nhật thực khác mà Mặt Trời bị che khuất bởi một hành tinh khác ngoài Mặt Trăng khi nhìn từ một điểm trong không gian vũ trụ. Ví dụ, đoàn du hành vũ trụ Apollo 12 đã chụp được ảnh Trái Đất che khuất Mặt Trời năm 1969 và tàu không gian Cassini cũng chụp được ảnh Sao Thổ che khuất Mặt Trời năm 2006.

Khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời thay đổi trong một năm do quỹ đạo elip. Điều này cũng làm cho kích thước biểu kiến của Mặt Trời biến đổi trong năm, nhưng sự biến đổi này không nhiều bằng so với kích thước biểu kiến của Mặt Trăng. Khi Trái Đất nằm xa Mặt Trời nhất vào tháng 7, và nếu hiện tượng nhật thực xảy ra thì khả năng nhiều là hiện tượng nhật thực toàn phần, trong khi nếu hiện tượng nhật thực xảy ra lúc Trái Đất nằm gần Mặt Trời nhất vào tháng 1 thì nhiều khả năng đó là nhật thực hình khuyên.

Người ta phân chia ra 5 pha trong một lần nhật thực toàn phần đó là:

• Tiếp xúc đầu tiên: khi rìa đĩa Mặt Trăng tiếp xúc chính xác với đĩa Mặt Trời.
• Tiếp xúc lần hai: bắt đầu bằng hiệu ứng vòng hạt Baily (ánh sáng Mặt Trời đi qua các khe núi trên Mặt Trăng do địa hình gồ ghề của nó) hay còn gọi là hiệu ứng "nhẫn kim cương". Gần như toàn bộ đĩa Mặt Trời đã bị che khuất.
• Mặt Trăng che khuất hoàn toàn đĩa Mặt Trời, và chỉ có thể quan sát thấy vành nhật hoa bao quanh nó.
• Tiếp xúc lần ba: khi ánh sáng Mặt Trời lần đầu tiên ló trở lại và bóng tối của Mặt Trời dần biến mất. Một lần nữa, hiện tượng nhẫn kim cương có thể xảy ra.
• Tiếp xúc lần bốn: khi rìa đĩa Mặt Trăng tiếp xúc lần cuối cùng với đĩa Mặt Trời và kết thúc hiện tượng nhật thực.

Tại một nơi quan sát, toàn bộ 5 pha này có thể kéo dài trong vài giờ, nhưng thời gian cho pha nhật thực toàn phần chỉ kéo dài trong vài phút.

2. NGUYỆT THỰC

Nguyệt thực là hiện tượng thiên văn khi Mặt Trăng đi vào hình chóp bóng của Trái Đất, đối diện với Mặt Trời. Điều này chỉ có thể xảy ra khi Mặt Trời, Trái Đất và Mặt Trăng thẳng hàng hoặc xấp xỉ thẳng hàng với nhau, với Trái Đất ở giữa. Do vậy, nguyệt thực chỉ có thể xảy ra vào những ngày trăng tròn. Kiểu và chiều dài của nguyệt thực phụ thuộc vào vị trí của Mặt trăng so với các điểm nút quỹ đạo của nó.

Photo by Alex Andrews: Pexels/phases-of-the-moon-1983032

Nguyệt thực toàn phần xảy ra khi ánh sáng mặt trời trực tiếp bị bóng của Trái Đất che khuất hoàn toàn. Ánh sáng duy nhất nhìn thấy được là khúc xạ qua bóng tối của Trái Đất. Ánh sáng này có màu đỏ vì cùng lý do hoàng hôn có màu đỏ, do sự tán xạ Rayleigh của các tia sáng màu có bước sóng dài hơn. Bởi vì màu đỏ của nó, nguyệt thực toàn phần đôi khi được gọi là mặt trăng máu.

Không giống như nhật thực, mà chỉ có thể được nhìn thấy từ một khu vực nào đó tương đối nhỏ trên thế giới, nguyệt thực có thể được nhìn từ bất cứ nơi nào ở nửa tối của Trái Đất. Nguyệt thực kéo dài trong vài giờ, trong khi nhật thực toàn phần chỉ kéo dài trong vài phút tại bất kỳ vị trí nào do kích thước nhỏ hơn của bóng của Mặt trăng. Không giống như nhật thực, nguyệt thực có thể quan sát một cách an toàn bằng mắt thường vì hình ảnh nguyệt thực mờ hơn so với hình ảnh mặt trăng đầy đủ.

Video by Jozef Papp: Pexels/pink-moon-in-night-sky-31611766

Ba kiểu nguyệt thực chính:

• Nguyệt thực toàn phần xảy ra khi Mặt Trăng đi vào vùng bóng tối của Trái Đất. Lúc này ánh trăng sẽ bị mờ đi và Mặt Trăng sẽ có màu đỏ đồng hoặc màu cam sẫm.
• Nguyệt thực một phần xảy ra khi Mặt Trời, Trái Đất và Mặt Trăng nằm trên đường gần thẳng. Lúc này ánh trăng sẽ bị mờ đi và Mặt Trăng bị khuyết đi một phần. Có thể nhìn thấy bóng của Trái Đất màu đen (hoặc màu đỏ sẫm) đang che khuất Mặt Trăng. Trong quá trình nguyệt thực toàn phần, nguyệt thực một phần có thể xuất hiện trước và sau khi nguyệt thực toàn phần.
• Nguyệt thực nửa tối xảy ra khi Mặt Trăng đi qua vùng nửa tối của Trái Đất. Lúc này ánh trăng sẽ mờ và Mặt Trăng sẽ mờ và tối đi.

3. THUỶ TRIỀU

Thủy triều là hiện tượng nước biển, nước sông... lên xuống trong một chu kỳ thời gian phụ thuộc biến chuyển thiên văn. Trong âm Hán-Việt, thủy có nghĩa là nước, còn triều là cường độ nước dâng lên và rút xuống. Sự thay đổi lực hấp dẫn từ Mặt Trăng (phần chủ yếu) và từ các thiên thể khác như Mặt Trời (phần nhỏ) tại một điểm bất kỳ trên bề mặt Trái Đất trong khi Trái Đất quay đã tạo nên hiện tượng nước dâng (triều lên thường gọi là "nước lớn") và nước rút (triều xuống tức "nước ròng") vào những khoảng thời gian nhất định trong một ngày.

Thủy triều tạo ra các dòng chảy có tính dao động gọi là dòng triều hay triều lưu. Thời điểm mà dòng triều ngừng chuyển động được gọi là nước chùng hoặc nước đứng (slack water). Sau đó, thủy triều đổi hướng, tạo ra sự biến đổi ngược lại. Nước đứng thường xuất hiện gần lúc mực nước triều cao hoặc triều thấp; nhưng tại một số nơi, thời gian nước đứng là khác biệt đáng kể so với thời gian triều cao hoặc triều thấp. Hiện tượng thủy triều phổ biến nhất là bán nhật triều hoặc nhật triều, tức là hai lần nước lớn trong ngày có đỉnh không bằng nhau; chúng bao gồm mực nước lớn cao và mực nước lớn thấp trên đồ thị triều. Tương tự đối với hai lần nước ròng gồm nước ròng cao và nước ròng thấp.

Nguyên nhân: Lực hấp dẫn của mặt trăng và lực ly tâm là nguyên nhân dẫn đến hiện tượng thủy triều. Thủy quyển có hình cầu dẹt nhưng bị kéo cao lên ở hai miền tạo thành hình ellipsoid. Một đỉnh của ellipsoid nằm trực diện với Mặt Trăng gọi là miền nước lớn thứ nhất (do lực hấp dẫn tạo ra). Thủy triều đạt cực đại khi mà cả Mặt Trăng và Mặt Trời cùng nằm về một phía so với Trái Đất, và mức triều phía đối diện lúc đó sẽ xuống điểm cực tiểu. Khái niệm thủy triều được mở rộng trong vật lý học dành cho chênh lệch tương tác hấp dẫn tác động lên các vật thể nằm trong tương tác hấp dẫn.

II. Luyện tập

I. Câu hỏi Trắc nghiệm

1. Hiện tượng Nhật thực xảy ra khi:
   a) Trái Đất đi vào giữa Mặt Trời và Mặt Trăng.
   b) Mặt Trời đi vào giữa Trái Đất và Mặt Trăng.
   *c) Mặt Trăng đi vào giữa Trái Đất và Mặt Trời.
   d) Mặt Trăng đi vào vùng bóng tối của Trái Đất.
2. Nhật thực toàn phần xảy ra khi người quan sát đứng ở:
   a) Vùng nửa tối của Mặt Trăng.
   *b) Vùng bóng tối của Mặt Trăng.
   c) Bất kỳ đâu trên Trái Đất.
   d) Vùng được chiếu sáng bởi Mặt Trời.
3. Hiện tượng Nhật thực hình khuyên xảy ra vì:
   a) Mặt Trăng che khuất hoàn toàn Mặt Trời.
   *b) Kích thước biểu kiến của Mặt Trăng nhỏ hơn kích thước biểu kiến của Mặt Trời.
   c) Trái Đất nằm xa Mặt Trời nhất.
   d) Mặt Trăng nằm gần Trái Đất nhất.
4. Hiện tượng Nguyệt thực xảy ra vào thời điểm nào trong chu kỳ của Mặt Trăng?
   a) Trăng non (Không trăng)
   b) Trăng bán nguyệt đầu tháng
   *c) Trăng tròn
   d) Trăng bán nguyệt cuối tháng
5. Nguyên nhân chính gây ra hiện tượng thủy triều trên Trái Đất là:
   a) Lực hấp dẫn của Mặt Trời.
   *b) Lực hấp dẫn của Mặt Trăng.
   c) Lực ly tâm do Trái Đất tự quay.
   d) Cả lực hấp dẫn của Mặt Trời và Mặt Trăng.
6. Tại sao Mặt Trăng có màu đỏ máu trong lúc Nguyệt thực toàn phần?
   a) Do Mặt Trăng phát ra ánh sáng đỏ.
   b) Do ánh sáng Mặt Trời trực tiếp chiếu vào Mặt Trăng.
   c) Do sự phản xạ ánh sáng từ Sao Hỏa.
   *d) Do ánh sáng Mặt Trời bị khúc xạ và tán xạ qua khí quyển Trái Đất.
7. Yếu tố nào KHÔNG phải là điều kiện cần để có Nhật thực hoặc Nguyệt thực?
   a) Mặt Trời, Trái Đất, Mặt Trăng phải thẳng hàng hoặc gần thẳng hàng.
   b) Mặt Trăng phải đi qua mặt phẳng quỹ đạo của Trái Đất.
   c) Phải là ban ngày (đối với Nhật thực).
   *d) Phải là đêm Trăng tròn (đối với Nhật thực).

II. Câu hỏi Đúng/Sai

1. Nhật thực xảy ra thường xuyên hơn Nguyệt thực tại một địa điểm cụ thể trên Trái Đất. (Đúng/Sai)
2. Quan sát Nhật thực trực tiếp bằng mắt thường là an toàn trong pha toàn phần. (Đúng/Sai)
3. Nguyệt thực có thể được quan sát từ bất kỳ nơi nào trên nửa tối của Trái Đất. (Đúng/Sai)
4. Quỹ đạo của Mặt Trăng quanh Trái Đất nằm hoàn toàn trên cùng mặt phẳng với quỹ đạo của Trái Đất quanh Mặt Trời. (Đúng/Sai)
5. Lực hấp dẫn của Mặt Trời không ảnh hưởng đến thủy triều. (Đúng/Sai)
6. Hiện tượng "nước lớn" (triều lên) chỉ xảy ra ở phía Trái Đất đối diện với Mặt Trăng. (Đúng/Sai)

III. Câu hỏi Trả lời ngắn/Giải thích

Tại sao Nhật thực không xảy ra vào mỗi kỳ trăng non?

Vì quỹ đạo của Mặt Trăng nghiêng khoảng 5 độ so với mặt phẳng quỹ đạo của Trái Đất quanh Mặt Trời (mặt phẳng hoàng đạo). Do đó, vào hầu hết các kỳ trăng non, bóng của Mặt Trăng sẽ đi chệch lên phía trên hoặc xuống phía dưới Trái Đất, không gây ra Nhật thực. Nhật thực chỉ xảy ra khi Trăng non diễn ra lúc Mặt Trăng đi qua gần giao điểm giữa quỹ đạo của nó và mặt phẳng hoàng đạo (gọi là điểm nút).

Giải thích sự khác biệt cơ bản giữa Nhật thực toàn phần và Nhật thực hình khuyên?

- Nhật thực toàn phần: Xảy ra khi Mặt Trăng ở đủ gần Trái Đất trong quỹ đạo elip của nó, khiến kích thước biểu kiến của nó đủ lớn để che khuất hoàn toàn đĩa Mặt Trời. Người quan sát nằm trong vùng bóng tối (umbra) của Mặt Trăng.

- Nhật thực hình khuyên: Xảy ra khi Mặt Trăng ở xa Trái Đất hơn, khiến kích thước biểu kiến của nó nhỏ hơn Mặt Trời. Nó không che hết Mặt Trời mà để lại một vòng sáng ("nhẫn lửa") của Mặt Trời xung quanh rìa đĩa Mặt Trăng.

So sánh phạm vi quan sát được trên Trái Đất của hiện tượng Nhật thực toàn phần và Nguyệt thực toàn phần. Giải thích tại sao có sự khác biệt đó.

- Nhật thực toàn phần: Chỉ quan sát được từ một dải hẹp trên bề mặt Trái Đất (vài trăm km), nơi bóng tối (umbra) của Mặt Trăng quét qua.

- Nguyệt thực toàn phần: Có thể quan sát được từ bất kỳ nơi nào trên nửa tối của Trái Đất (nửa bán cầu đang là ban đêm) khi hiện tượng xảy ra.

- Giải thích: Sự khác biệt là do kích thước của bóng. Bóng của Mặt Trăng đổ lên Trái Đất tương đối nhỏ, còn bóng của Trái Đất đổ lên Mặt Trăng thì lớn hơn nhiều.

Giải thích hiện tượng "vòng hạt Baily" (Baily's beads) và "nhẫn kim cương" quan sát được trong Nhật thực toàn phần.

Hai hiện tượng này xảy ra ngay trước và ngay sau pha toàn phần của Nhật thực.

• Vòng hạt Baily: Do bề mặt Mặt Trăng không hoàn toàn nhẵn mà có các ngọn núi và thung lũng, khi Mặt Trăng gần che khuất hoàn toàn Mặt Trời, ánh sáng Mặt Trời cuối cùng lọt qua các thung lũng ở rìa Mặt Trăng, tạo thành chuỗi các điểm sáng trông như các hạt ngọc.
• Nhẫn kim cương: Khi chỉ còn một "hạt Baily" cuối cùng lóe sáng rực rỡ, kết hợp với vầng hào quang (corona) mờ ảo của Mặt Trời đã bắt đầu hiện ra, tạo thành hình ảnh giống như một chiếc nhẫn kim cương.

Trình bày ngắn gọn 3 loại Nguyệt thực chính.

• Nguyệt thực toàn phần: Toàn bộ Mặt Trăng đi vào vùng bóng tối (umbra) của Trái Đất, Mặt Trăng thường có màu đỏ đồng hoặc cam sẫm.
• Nguyệt thực một phần: Chỉ một phần của Mặt Trăng đi vào vùng bóng tối của Trái Đất, phần còn lại vẫn được chiếu sáng hoặc nằm trong vùng nửa tối.
• Nguyệt thực nửa tối: Toàn bộ Mặt Trăng chỉ đi vào vùng bóng nửa tối (penumbra) của Trái Đất, khiến Mặt Trăng chỉ mờ đi một chút, khó nhận biết.

Giải thích tại sao có hai đỉnh triều (hai lần nước lớn) trong một ngày ở hầu hết các địa điểm trên Trái Đất.

Lực hấp dẫn của Mặt Trăng hút khối nước trên Trái Đất về phía nó, tạo ra một đỉnh triều ở phía Trái Đất đối diện trực tiếp với Mặt Trăng. Đồng thời, ở phía đối diện của Trái Đất (xa Mặt Trăng nhất), lực hấp dẫn của Mặt Trăng yếu hơn nhưng lực ly tâm/quán tính do hệ Trái Đất - Mặt Trăng quay quanh khối tâm chung lại chiếm ưu thế, cũng khiến nước "phình" ra, tạo thành đỉnh triều thứ hai. Khi Trái Đất tự quay, một địa điểm sẽ lần lượt đi qua hai đỉnh triều này trong khoảng một ngày.