Vì sao NASA đo đạc được tâm Trái Đất đang dịch chuyển?

Chúng ta thường quen nghĩ Trái Đất là một khối cầu vững chắc với một tâm điểm cố định tuyệt đối trong không gian. Tuy nhiên, khoa học hiện đại đã chứng minh một sự thật thú vị: Tâm của Trái Đất không hề đứng yên. Nó đang liên tục dao động và dịch chuyển đi vài milimét mỗi năm.

Vậy điều gì đã khiến cho “trái tim” của hành tinh thay đổi vị trí, và bằng cách nào NASA lại có thể đo đạc được những chuyển động vi mô tinh tế đến vậy? Hãy cùng Đại Pi Media khám phá trong bài viết dưới đây.

Điều gì khiến tâm Trái Đất dịch chuyển?

Nếu Trái Đất là một khối cầu đồng nhất hoàn toàn bằng đá đặc, tâm khối lượng (center of mass) của nó sẽ trùng khít với tâm hình học. Thế nhưng, hành tinh của chúng ta lại là một thực thể sống động: nước, băng, tuyết và không khí liên tục phân bố lại khối lượng của chúng theo các mùa trong năm.

Chính sự “xê dịch” khổng lồ của các khối lượng tự nhiên này đã tạo ra sức nặng đè lên lớp vỏ, đẩy tâm khối lượng của Trái Đất dao động vòng quanh tâm hình học một khoảng nhỏ bằng các phân đoạn của một inch (khoảng vài milimét). Các nhà khoa học đã chỉ ra ba “thủ phạm” chính tạo nên sự dịch chuyển theo mùa này:

• Sự tích tụ tuyết và băng: Vào tháng 3 hằng năm, lượng tuyết tích tụ ở Bắc Mỹ và Á-Âu đạt đỉnh điểm, tạo ra một trọng lượng khổng lồ đẩy tâm Trái Đất dịch chuyển khoảng 3 milimét về phía Bắc Cực.
• Mùa mưa và các dòng sông lớn: Tháng 4 đánh dấu mùa mưa cực đại tại lưu vực sông Amazon, khi nơi đây gánh tới 2.400 gigaton nước. Khối lượng nước khổng lồ này kéo tâm Trái Đất dịch chuyển 2,2 milimét về phía Nam Mỹ. Ngoài ra, dòng chảy gió mùa tại Đông Nam Á vào tháng 11 cũng đóng góp một phần vào chu kỳ này.
• Đại dương và bầu khí quyển: Từ tháng 8 đến tháng 10, nước băng tan và mưa dồn về các đại dương, đặc biệt là Thái Bình Dương rộng lớn, làm thay đổi trọng tâm. Bên cạnh đó, không khí mùa đông lạnh và đặc quánh cũng tạo ra sự chênh lệch áp suất, đẩy cân nặng của hành tinh dịch chuyển theo từng khu vực trên địa cầu vào các mốc tháng 12 và tháng 6 hằng năm.

Thách thức lớn: Đo lường chuyển động tính bằng milimét

Việc xác định vị trí chính xác của tâm Trái Đất từ không gian là một bài toán cực kỳ hóc búa đối với các nhà khoa học trong nhiều thập kỷ.

Sự phức tạp nằm ở chỗ biên độ chuyển động quá nhỏ, trong khi các ước tính quốc tế trước đó (vào năm 2017 và 2023) lại có độ chênh lệch lên tới 0,27 inch (tương đương 7 milimét) — một con số lớn gần bằng chính khoảng dịch chuyển mà họ đang cố gắng đo đạc! Điều này tạo ra một “nút thắt” lớn trong hệ thống định vị và trắc địa toàn cầu.

Bí quyết của NASA: Khi các vệ tinh laser và GPS “bắt tay” nhau

Để giải quyết bài toán trên, một nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) của NASA đã phát triển một phương pháp tối tân, kết hợp nhiều công nghệ đo lường hiện đại:

• Hệ thống vệ tinh trắc địa laser (LAGEOS): NASA đã sử dụng các vệ tinh dạng khối cầu nặng tới 900 pound (hơn 400 kg) được phủ đầy gương phản xạ (ra mắt từ thập niên 70 và 90). Các trạm mặt đất trên hơn 20 quốc gia liên tục bắn các chùm tia laser vào vệ tinh để đo đạc khoảng cách với độ chính xác cực cao.
• Tích hợp dữ liệu GPS và quỹ đạo tầm thấp: Thay vì chỉ dựa vào các trạm laser mặt đất (vốn phân bố không đều trên toàn cầu), các nhà khoa học đã kết hợp thêm dữ liệu định vị GPS và quỹ đạo của nhiều vệ tinh ở quỹ đạo Trái Đất thấp.
• Tính toán độ uốn cong của vỏ Trái Đất: Một điểm đột phá trong phương pháp mới là tính đến việc vỏ Trái Đất thực sự bị uốn cong và dịch chuyển nhẹ dưới sức nặng của nước và băng, khiến các trạm quan sát mặt đất cũng có sự thay đổi vị trí tương ứng.

Nhờ phương pháp này, các chuyên gia đã đưa ra được con số chính xác hơn bao giờ hết. Theo nhà địa vật lý Donald Argus (JPL), ước tính về biên độ dịch chuyển tâm khối lượng của Trái Đất hằng năm hiện nay chỉ bằng một nửa so với những gì người ta tin tưởng 8 năm trước, đồng thời cho thấy tổng khối lượng nước và không khí di chuyển giữa các bán cầu thực tế nhỏ hơn dự tính cũ.

Ý nghĩa thực tiễn đối với thế giới hiện đại

Mặc dù sự dịch chuyển này chỉ tính bằng milimét, việc nắm bắt và làm chủ các hệ thống quy chiếu không gian đóng vai trò sống còn đối với thế giới công nghệ ngày nay.

Theo Felix Landerer – đồng tác giả của nghiên cứu tại JPL, độ chính xác này mang lại lợi ích to lớn cho nhiều lĩnh vực: từ hàng hải toàn cầu, logistics vận tải, công nghệ định vị vệ tinh, cho đến các ứng dụng nông nghiệp chính xác. Ngoài ra, những phát hiện này cũng củng cố chéo từ các sứ mệnh vệ tinh theo dõi trọng lực như GRACE-FO, giúp nhân loại tiếp tục giải mã những biến động âm thầm nhưng mạnh mẽ bên trong lòng mẹ Trái Đất.