Ở đúng hai điểm cực, một năm chỉ có một lần mặt trời mọc và một lần mặt trời lặn. Mặt trời lên khỏi chân trời vào khoảng xuân phân, đi vòng quanh bầu trời gần như song song với đường chân trời suốt khoảng sáu tháng, rồi lặn vào khoảng thu phân và vắng mặt khoảng sáu tháng còn lại. Hiện tượng này gọi là ngày vùng cực và đêm vùng cực.
Nguyên nhân là trục quay của Trái Đất nghiêng khoảng 23,4° so với mặt phẳng quỹ đạo và giữ nguyên hướng khi Trái Đất đi quanh Mặt Trời. Trong nửa năm, cực Bắc nghiêng về phía Mặt Trời nên luôn được chiếu sáng; nửa năm sau đến lượt cực Nam. Càng xa cực, thời gian ngày liên tục và đêm liên tục càng ngắn lại, đến vòng cực thì chỉ còn khoảng một ngày mỗi năm.
Bài này giải thích cơ chế từng bước, vì sao «sáu tháng» chỉ là con số làm tròn, chạng vạng kéo dài ra sao, cực quang xuất hiện thế nào trong đêm dài, và con người lẫn sinh vật thích nghi với nhịp sáng tối khác thường ấy.
Cơ chế từng bước: từ độ nghiêng trục quay tới sáu tháng sáng
Có thể tự hình dung bằng một quả cam và một bóng đèn. Cắm que xuyên quả cam làm trục, nghiêng que một góc, rồi đi một vòng quanh bóng đèn mà không đổi hướng que.
- Trái Đất tự quay quanh một trục đi qua hai cực, mỗi vòng khoảng 24 giờ. Đây là nguyên nhân ngày đêm thông thường.
- Trục quay nghiêng khoảng 23,4° so với đường vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo, và luôn chỉ về cùng một hướng trong không gian, gần sao Bắc Cực.
- Khi Trái Đất ở phía quỹ đạo mà cực Bắc nghiêng về phía Mặt Trời, toàn bộ vùng quanh cực Bắc nằm trong phần được chiếu sáng. Trái Đất có quay bao nhiêu vòng thì vùng ấy vẫn không đi vào bóng tối.
- Cùng lúc đó, vùng quanh cực Nam nghiêng ra xa Mặt Trời, nằm trọn trong phần tối dù Trái Đất vẫn quay đều.
- Nửa năm sau, Trái Đất sang phía bên kia quỹ đạo. Trục vẫn chỉ hướng cũ nhưng lúc này cực Nam nghiêng về phía Mặt Trời, tình thế đảo ngược.
- Ở hai thời điểm xuân phân và thu phân, Mặt Trời chiếu thẳng xích đạo, đường ranh sáng tối đi qua đúng hai cực. Đó là lúc mặt trời mọc hoặc lặn ở điểm cực.
Từ cơ chế này suy ra vị trí vòng cực: vĩ độ khoảng 66,5°, tức 90° trừ độ nghiêng trục. Đó là ranh giới mà vào ngày hạ chí, mặt trời vừa đủ không lặn trong 24 giờ, và vào ngày đông chí, vừa đủ không mọc. Đi từ vòng cực về phía cực, số ngày «không lặn» và «không mọc» tăng dần, từ một ngày lên tới khoảng nửa năm.
Đứng ở các vĩ độ khác nhau, ngày đêm vùng cực dài bao lâu
Bảng dưới là con số làm tròn cho Bắc bán cầu, theo cách các nơi thường công bố (đã gộp ảnh hưởng khúc xạ khí quyển, nói ở mục sau). Nam bán cầu tương tự nhưng lệch nửa năm. Con số cụ thể từng địa phương xê dịch vài ngày tuỳ vĩ độ chính xác và địa hình che chân trời.
| Vĩ độ | Ví dụ vùng | Mặt trời không lặn | Mặt trời không mọc |
|---|---|---|---|
| Khoảng 66,5° (vòng cực) | Bắc Phần Lan, bắc Thuỵ Điển | Một đến vài ngày quanh hạ chí | Khoảng một ngày quanh đông chí, có khi không trọn vì khúc xạ |
| Khoảng 70° | Bắc Na Uy, bắc Alaska | Khoảng hai tháng | Khoảng một tháng rưỡi đến hai tháng |
| Khoảng 78° | Quần đảo Svalbard | Khoảng bốn tháng | Khoảng ba tháng rưỡi đến bốn tháng |
| 90° (cực) | Điểm cực Bắc | Khoảng sáu tháng | Khoảng sáu tháng |
Một chi tiết hay bị quên: «đêm không có mặt trời» không có nghĩa là tối đen suốt. Ở vĩ độ 70°, giữa đêm vùng cực, khoảng trưa mỗi ngày vẫn có vài giờ trời sáng mờ vì mặt trời chỉ nằm dưới chân trời một chút. Bóng tối thật sự chỉ kéo dài ở những nơi rất gần cực.
Vì sao «sáu tháng» chỉ là con số làm tròn
Có ba lý do khiến ngày vùng cực ở điểm cực không đúng sáu tháng tròn. Thứ nhất là khúc xạ khí quyển. Không khí bẻ cong tia sáng, nên khi mặt trời thật ra đã nằm dưới chân trời một chút, ta vẫn thấy nó ở trên. Ở vùng cực, mặt trời lên xuống rất chậm, nên phần bù nhỏ này kéo ngày liên tục thêm vài ngày ở cả hai đầu.
Thứ hai, mặt trời là một cái đĩa chứ không phải một điểm. Khi tâm đĩa đã xuống dưới chân trời, mép trên vẫn còn nhìn thấy. Quy ước tính mặt trời mọc và lặn theo mép trên cũng cộng thêm vài ngày nữa cho ngày vùng cực.
Thứ ba, quỹ đạo Trái Đất hơi dẹt, và Trái Đất ở gần Mặt Trời nhất vào khoảng đầu tháng Một, lúc đó đi nhanh hơn trên quỹ đạo. Vì vậy nửa năm hè của Bắc bán cầu dài hơn nửa năm hè của Nam bán cầu vài ngày. Cộng ba yếu tố, ở cực Bắc ngày liên tục dài hơn đêm liên tục rõ rệt, và ở cực Nam chênh lệch cũng có nhưng nhỏ hơn.
Bù lại, mùa hè Nam bán cầu rơi vào lúc Trái Đất gần Mặt Trời hơn, nên ánh nắng chiếu tới cực Nam giữa hè mạnh hơn một chút so với ánh nắng tới cực Bắc giữa hè. Khác biệt này nhỏ, không làm thay đổi bức tranh chung là Nam Cực lạnh hơn nhiều vì độ cao và băng.
Chạng vạng kéo dài nhiều tuần
Ở Việt Nam, sau khi mặt trời lặn chỉ khoảng nửa giờ là trời tối hẳn, vì mặt trời đi xuống chân trời gần như thẳng đứng. Ở vùng cực, mặt trời đi gần như song song với chân trời, chìm xuống rất chậm. Vì vậy khoảng chuyển giữa ngày và đêm, tức chạng vạng, kéo dài rất lâu.
Các nhà thiên văn chia chạng vạng làm ba mức theo độ sâu của mặt trời dưới chân trời. Chạng vạng dân dụng là khi trời còn đủ sáng để làm việc ngoài trời không cần đèn. Chạng vạng hàng hải là khi còn thấy được đường chân trời trên biển. Chạng vạng thiên văn là khi bầu trời gần tối hẳn nhưng vẫn còn chút ánh sáng mờ làm mờ những ngôi sao nhạt nhất.
Ở điểm cực, sau ngày mặt trời lặn, chạng vạng dân dụng kéo dài khoảng hai tuần, rồi chạng vạng hàng hải và thiên văn thêm nhiều tuần nữa. Bóng tối thật sự, khi bầu trời đen hoàn toàn, chỉ chiếm phần giữa của đêm vùng cực. Trước ngày mặt trời mọc, quá trình diễn ra ngược lại: bầu trời sáng dần qua nhiều tuần, những dải màu hồng, cam, tím nằm dọc chân trời rất lâu. Người làm việc ở vùng cực thường kể đây là khoảng thời gian đẹp nhất trong năm.
Trăng cũng có cách hành xử riêng. Vào giữa đêm vùng cực, trăng tròn nằm ở vị trí đối diện Mặt Trời nên lên cao trên bầu trời và có thể không lặn trong nhiều ngày, rọi sáng mặt băng. Ánh trăng trên tuyết trắng đủ để đi lại ngoài trời mà không cần đèn.
Cực quang trong đêm dài: hiện tượng ra sao
Đêm vùng cực dài và tối là sân khấu tốt nhất để thấy cực quang, những dải sáng xanh lục, có khi đỏ hoặc tím, uốn lượn trên bầu trời. Ở Bắc bán cầu gọi là cực quang phương bắc, ở Nam bán cầu là cực quang phương nam. Hiện tượng này đã có bài riêng ở mảng khoa học tự nhiên; ở đây chỉ nhắc ngắn gọn để thấy nó gắn với vùng cực ra sao.
Mặt Trời liên tục thổi ra dòng hạt mang điện gọi là gió mặt trời. Từ trường Trái Đất chặn phần lớn dòng hạt này, nhưng dẫn một phần đi dọc theo các đường sức từ về phía hai cực từ. Khi các hạt lao vào tầng khí quyển cao, khoảng một trăm đến vài trăm km, chúng va chạm với nguyên tử oxy và nitơ, làm các nguyên tử này phát sáng, giống nguyên lý của đèn ống. Oxy cho màu xanh lục và đỏ, nitơ cho sắc xanh lam, tím.
Cực quang thường xuất hiện nhiều nhất trong một vành đai hình bầu dục quanh mỗi cực từ, gọi là vòng cực quang, chứ không phải ngay tại điểm cực địa lý. Vì vậy những nơi như bắc Na Uy, Iceland, bắc Canada thấy cực quang thường xuyên hơn cả điểm cực Bắc. Ở Nam bán cầu, vòng cực quang chủ yếu nằm trên Nam Cực và Nam Đại Dương, nên người xem được nhiều nhất là các đội ở trạm nghiên cứu qua mùa đông.
Khi Mặt Trời hoạt động mạnh, vòng cực quang mở rộng về phía xích đạo và cực quang có thể thấy ở vĩ độ thấp hơn nhiều so với thường lệ. Cường độ hoạt động Mặt Trời thay đổi theo chu kỳ khoảng mười một năm.
Sinh vật và con người sống theo nhịp sáng tối khác thường
Ánh sáng là đồng hồ của sinh vật. Ở vùng cực, sinh vật phù du dưới biển bùng phát mạnh vào mùa ngày dài, khi băng biển rút và nắng chiếu liên tục. Đó là bữa tiệc ngắn ngủi nuôi cả chuỗi thức ăn: nhuyễn thể, cá, chim biển, hải cẩu và cá voi đều tận dụng mùa này để sinh sản và tích mỡ. Nhiều loài chim di cư đến vùng cực chỉ trong mùa hè để kiếm ăn gần như suốt ngày đêm.
Một số loài lại sống ngược. Chim cánh cụt hoàng đế ở Nam Cực ấp trứng ngay giữa đêm vùng cực, để chim non nở vào cuối đông và lớn lên đúng lúc mùa hè dồi dào thức ăn. Tuần lộc ở Bắc Cực được ghi nhận có nhịp đồng hồ sinh học ngày đêm rất yếu, thích nghi với cảnh không có ngày đêm rõ ràng phần lớn năm.
Với con người, đêm dài và ngày dài đều gây xáo trộn giấc ngủ. Người ở trạm nghiên cứu qua mùa đông thường được khuyên giữ giờ giấc cố định, dùng đèn sáng vào buổi sáng, vận động đều. Vào mùa hè không có đêm, rèm cản sáng là vật dụng quen thuộc. Ở các thị trấn phương bắc, ngày mặt trời trở lại sau đêm dài thường được đón như một ngày hội đời thường: người dân ra đường, leo lên chỗ cao ngóng tia nắng đầu tiên.
Thực vật trên lãnh nguyên phương bắc cũng tận dụng ngày dài theo cách riêng. Mùa sinh trưởng chỉ vài tuần, nên nhiều loài cây thấp đã chuẩn bị sẵn nụ từ mùa trước, tuyết vừa tan là ra lá, nở hoa ngay. Có loài hoa xoay theo hướng mặt trời suốt ngày đêm để giữ ấm cho phần nhụy, thu hút côn trùng tới sưởi và thụ phấn. Ở Nam Cực, rêu và địa y ở bán đảo cũng chỉ thật sự sinh trưởng trong mấy tuần hè có nắng liên tục và nước tuyết tan. Nhịp sáng tối của vùng cực vì vậy không chỉ là chuyện lạ của bầu trời, mà là chiếc đồng hồ chi phối mọi sự sống ở đó.
Câu hỏi thường gặp
Ở Việt Nam có ngày nào mặt trời không lặn không?
Không. Việt Nam nằm ở khoảng vĩ độ 8° đến 23° bắc, rất xa vòng cực. Ở nước ta chênh lệch độ dài ngày giữa mùa hè và mùa đông chỉ vài giờ, rõ hơn ở miền Bắc và gần như không đáng kể ở miền Nam.
Nếu trục Trái Đất không nghiêng thì có ngày vùng cực không?
Không. Nếu trục thẳng đứng, đường ranh sáng tối luôn đi qua hai cực, mọi nơi trên Trái Đất có ngày và đêm dài bằng nhau quanh năm, không còn bốn mùa. Ở hai cực, mặt trời sẽ luôn lơ lửng sát chân trời.
Ở cực, làm sao biết là sáng hay chiều?
Ở điểm cực, mặt trời đi một vòng quanh chân trời mỗi 24 giờ ở độ cao gần như không đổi, nên không có sáng, trưa, chiều theo nghĩa thông thường. Các trạm nghiên cứu chọn một múi giờ quy ước, thường theo nơi đặt căn cứ tiếp tế, để sắp xếp công việc.
Tháng nào ở Nam Cực có ngày vùng cực?
Nam Cực có ngày vùng cực vào mùa hè của Nam bán cầu, quanh tháng Mười Hai và tháng Một. Ở điểm cực Nam, mặt trời mọc vào khoảng cuối tháng Chín và lặn vào khoảng cuối tháng Ba năm sau. Đêm vùng cực rơi vào khoảng tháng Năm đến tháng Tám.
Đêm vùng cực có ảnh hưởng sức khoẻ không?
Thiếu ánh sáng kéo dài có thể làm rối nhịp ngủ, giảm hứng thú, mệt mỏi ở một số người. Người sống ở vùng cực và người ở trạm nghiên cứu thường giữ giờ giấc đều, dùng ánh sáng nhân tạo vào buổi sáng và vận động. Ai có dấu hiệu kéo dài nên gặp nhân viên y tế.
Có thấy cực quang ở Nam Cực vào mùa hè không?
Gần như không. Cực quang vẫn diễn ra, nhưng mùa hè Nam Cực trời sáng gần như suốt ngày đêm nên ánh cực quang mờ không đủ nổi bật để thấy. Mùa xem tốt là từ khoảng tháng Ba đến tháng Chín, khi đêm dài và tối.
