“Cuộc chiến” sâu 3.000 dặm dưới lòng đất đang làm ngày trên Trái đất dài ngắn khác nhau

Ảnh minh họa: PM.

Một cuộc giằng co bí ẩn giữa các lực xoắn ở độ sâu khoảng 3.000 dặm (4.828 km) dưới chân chúng ta đang quyết định liệu một ngày trên Trái đất dài hơn hay ngắn hơn đôi chút.

Dù thời gian có ánh sáng ban ngày thay đổi theo mùa, một ngày trên Trái đất - tức khoảng thời gian hành tinh hoàn tất một vòng tự quay quanh trục - về cơ bản vẫn được tính là 24 giờ. Nhưng trên thực tế, không phải ngày nào cũng có chính xác 24 giờ.

Độ dài thực của một ngày có thể thay đổi theo thời gian, với mức chênh lệch chỉ vài phần nghìn giây. Những biến động nhỏ đến mức con người gần như không thể nhận ra, nhưng các nhà khoa học vẫn liên tục tìm cách lý giải nguyên nhân đằng sau chúng.

Nhiều lực khác nhau có thể khiến một ngày dài hơn hoặc ngắn hơn bằng cách làm tốc độ tự quay của Trái đất tăng hoặc giảm. Những trận động đất mạnh nhất có thể làm thay đổi sự phân bố khối lượng khi cả những mảng đất khổng lồ dịch chuyển. Các sông băng và khối băng lục địa tan chảy, làm mực nước biển dâng, cũng có thể tác động tương tự.

Những yếu tố trong khí quyển, chẳng hạn gió từ các cơn bão lớn, cũng có thể ảnh hưởng đến tốc độ quay của hành tinh. Ngay cả dòng chảy của thủy triều cũng tạo ra mô-men xoắn hấp dẫn, tác động lên chuyển động quay của Trái đất.

Nhưng những tác động này không chỉ diễn ra trên bề mặt.

Chúng còn truyền xuống sâu bên dưới, tới lớp kim loại nóng chảy luôn chuyển động nằm trong lõi ngoài của Trái đất. Khi các lực tác động đủ mạnh làm xáo trộn dòng chảy của khối kim loại nóng chảy này, tốc độ tự quay của hành tinh cũng có thể thay đổi.

Điều vẫn còn là một bí ẩn về chuyển động quay không hoàn toàn ổn định của Trái đất là mô-men xoắn giữa lõi và lớp phủ đóng góp bao nhiêu vào những biến động này.

Lực cản nhớt do dòng vật chất trong lõi tạo ra quá yếu để gây ra nhiều ứng suất tại ranh giới giữa lõi và lớp phủ (CMB). Tuy nhiên, những quan sát về sự dịch chuyển của trục Trái đất cho thấy phần thấp nhất của lớp phủ có khả năng dẫn điện. Điều này cho phép các dòng chảy trong lõi tạo ra ứng suất điện từ lên lớp phủ, qua đó tạo ra sự liên kết giữa hai tầng sâu của hành tinh.

Để đánh giá tác động của những lực này đối với độ dài một ngày, hai nhà địa vật lý Huifeng Zhang và Mathieu Dumberry thuộc Đại học Alberta đã kết hợp các ước tính địa chấn về chuyển động quay của lõi trong với các mô hình dòng chảy trong lõi ngoài, từ đó tái dựng những biến động diễn ra trong giai đoạn 1964-2019.

“Chúng ta đã biết trong hơn 30 năm rằng những biến động theo chu kỳ hàng thập kỷ về độ dài của một ngày là do tương tác giữa lõi và lớp phủ gây ra”, các nhà nghiên cứu viết trong nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí Nature.

“Tuy nhiên, chúng ta vẫn chưa xây dựng được một mô hình có thể dự đoán thành công độ dài một ngày dựa trên việc mô hình hóa mô-men xoắn tác động lên lớp phủ.”

Zhang và Dumberry nhận ra rằng những thay đổi về độ dài một ngày, dù nhỏ đến mức không thể cảm nhận bằng giác quan, có thể thực chất là kết quả của quá trình trao đổi mô-men động lượng giữa lõi trong và lõi ngoài, cùng với phần đáy của lớp phủ.

Lõi trong cũng có khả năng biến dạng chỉ trong vài năm. Khi nó bị dẹt theo hướng này hay hướng khác, sự biến dạng đó có thể tác động đến các lớp nằm phía trên.

Khi dòng vật chất tại ranh giới lõi-lớp phủ di chuyển về phía tây, nó tạo ra một mô-men xoắn hướng tây lên lớp phủ. Quá trình này có thể đồng thời liên quan đến các lực điện từ hoặc lực địa hình.

Các mô-men xoắn hướng đông và hướng tây tác động lên lớp phủ liên tục biến động và cạnh tranh với nhau.

Do lõi trong quay nhanh hơn một chút so với phần còn lại của hành tinh, nó có xu hướng trôi về phía đông so với vị trí thẳng hàng mà lực hấp dẫn vốn sẽ duy trì giữa lõi trong và lớp phủ. Lực hấp dẫn sau đó kéo lõi trong trở lại vị trí cân bằng, tạo ra một mô-men xoắn hướng đông liên tục lên lớp phủ, đối nghịch với mô-men xoắn hướng tây tại ranh giới lõi-lớp phủ.

Bất kỳ sự mất cân bằng nào giữa hai lực này đều có thể biểu hiện dưới dạng thay đổi về độ dài của một ngày.

Các mô hình cho thấy lõi trong tồn tại trong trạng thái lệch nhẹ nhưng kéo dài về phía đông, được duy trì bởi chuyển động trôi đều về phía đông của nó so với lớp phủ.

Tuy nhiên, vẫn còn nhiều câu hỏi chưa có lời giải.

Các nhà nghiên cứu chỉ có thể dự đoán những thay đổi về tốc độ quay trên các khoảng thời gian từ hai hoặc ba thập kỷ trở lên, bởi các ước tính địa chấn về chuyển động của lõi trong chưa đủ chính xác để phân giải những biến động xảy ra trong khoảng thời gian ngắn hơn.

Trong khi đó, các mô-men xoắn điện từ và địa hình tại ranh giới lõi-lớp phủ không cho thấy những biến động đáng kể theo chu kỳ hàng thập kỷ. Nhưng kết quả này có thể phản ánh hạn chế của mô hình nhiều hơn là những gì thực sự đang diễn ra bên trong Trái đất.

Độ phân giải của mô hình dòng chảy trong lõi vẫn còn hạn chế, trong khi một số lực có khả năng làm thay đổi độ dài ngày có thể hoàn toàn chưa được đưa vào các phép tính.

“Như nghiên cứu của chúng tôi cho thấy, việc hiểu rõ hơn bản chất của mô-men xoắn giữa lõi và lớp phủ, vốn chi phối độ dài một ngày, sẽ giúp chúng ta hiểu sâu hơn về cấu trúc, đặc tính vật chất và động lực học bên trong sâu của Trái đất”, Dumberry và Zhang cho biết.

Trong khi đó, những quá trình diễn ra hàng nghìn kilomet bên dưới chân chúng ta vẫn đang âm thầm làm thay đổi cả hành tinh. Nhưng gần như chắc chắn bạn sẽ không bao giờ nhận ra điều đó.