Bài 3. Ứng dụng định luật truyền thẳng của ánh sáng

HIỆN TƯỢNG NHẬT THỰC
Nhật thực theo quan niệm xưa
Nhật thực xuất hiện trong các câu chuyện thần thoại hay trong những ghi chép của nhiều nền văn hóa khác nhau .Hầu hết trong các nền văn hóa cổ đại nguyên nhân của hiện tượng nhật thực là do gấu, rồng hay ma quỷ nuốt mất mặt trời. Người Hy Lạp có lẽ tiến bộ hơn người ta chỉ gọi hiện tượng nhật thực la hiện tượng: “mặt trời bỏ rơi trái đất”.
Khi khoa học phát triển, bức màn bí ẩn của thiên văn được hé mở, các hiện tượng thiên thực bao gồm nhật thực, nguyệt thực…là những hiện tượng thiên văn bình thừờng… bài hôm nay chúng ta sẽ đi lí giải những điều đó.
Câu hỏi 1: Thế nào là hiện tượng nhật thực ?
Nhật thực là hiện tượng mặt trời, mặt trăng , trái đất thẳng hàng khi đó mặt trăng che khuất mặt trời đối với người quan sát trên mặt đất
Câu hỏi 2: Vậy nguyên nhân nào dẫn tới hiện tượng nhật thực?
Hiện tượng nhật thực là do hiện tượng tự quay của mặt trăng quanh trái đất đồng thời trái đất cũng đem theo mặt trăng quay xung quanh mặt trời cho nên đến thời điểm mặt trăng đến vị trí giữa trái đất và mặt trời. khi đó ba thiên thể nằm trên một đường thẳng hoặc gần như một đường thẳng khi đó mặt trăng che khuất mặt trời đối với người quan sát trên trái đất.
Câu hỏi 3: Vậy hiện tượng nhật thực có những đặc điểm gì?
-Khi hiện tượng nhật thực xảy ra thì các nơi khác nhau thấy nhật thực ở các thời điểm khác nhau và thấy không giống nhau tức là người quan sát nhật thực tại những vị trí địa lý khác nhau thì sẽ thấy hiện tượng nhật thực diễn ra tại những thời điểm khác nhau và hình ảnh quan sát đựợc cũng khác nhau.
-Khi hiện tượng nhật thực diễn ra nó có thể kéo dài từ 3 đến 4 giờ nhưng người quan sát lại thấy hiện tượng đó trong thời gian ngắn hơn rất nhiều, chưa bao giờ dài quá 8 phút (theo thống kê thì ở xích đạo đã từng xảy ra nhật thực kéo dài lâu nhất là 7 phút 58 giây).
Câu hỏi 4 : Nguyên nhân nào dẫn tới những đặc điểm trên.

-Vì quỹ đạo của mặt trăng và trái đất là hình elip nên khoảng cách từ mặt trăng đến trái đất biến thiên.
Thật vậy từ hình bên cho chúng ta thấy:
+Nếu chúng ta đứng trong dải tối ( 3 ) trên trái đất tức là trong phạm vi bóng tối mà mặt trăng che khuất hoàn toàn mặt trời thi khi đó ta thấy hiện tượng nhật thực toàn phần.
+Nếu ta đứng trong vùng xẫm nhạt (2) ta quan sát thấy mặt trời bị che khuất một phần khi đó có hiện tượng nhật thực một phần.
-Ngoài ra nếu bóng của mặt trăng không phủ tới trái đất thì các địa phương nằm ở quanh trục bóng tối sẽ thấy nhật thực vành khuyên lúc đó mặt trời không bị che khuất hết mà còn một vành sáng. Trước và sau khi xảy ra nhật thực vành khuyên ta sẽ quan sát thấy nhật thực một phần.
-Do mặt trăng chuyển động và do trái đất tự quay nên vâté bóng tối và vùng bán dạ quét trên mặt đất thành một dải. các địa phương nằm trong dải này sẽ lần lượt thấy nhật thực.







MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ HIỆN TƯỢNG NHẬT THỰC
Hình ảnh nhật thực vành khuyên
Nhật thực một phần ngày 1 tháng 8 năm 2008 chụp tại Áo
Nhật thực trên bầu trời tại thủ đô Islamabad, Pakistan. Mặt trời và vầng trăng lưỡi liềm trên nhà thờ Hồi giáo dường như đang áp vào nhau.
Câu hỏi 5 : Nguyệt thực là gì ?
-Vào thời kì trăng tròn khi mặt trăng chuyển động đến phần trái đất không hướng về phía mặt trời, khi mà ba thiên tthể theo thứ tự : mặt trời, trái đất, mặt trăng cùng hoặc gần cùng nằm trên một đường thẳng. Khi đó bóng tối trái đất sẽ che khuất mặt trăng hiện tượng đó được gọi là hiện tượng nguyệt thực.
-Khác với hiện tượng nhật thực khi xảy ra hiện tượng nguyệt thực là ban đêm nên các nơi sẽ thấy nguyệt thực cùng một lúc và hình ảnh quan sát đựợc là hoàn toàn giống nhau. Vì kích thước của trái đất là khá lớn so với mặt trăng nên bóng tối của trái đất che khuất mặt trăng là khá rộng nên thời gian xảy ra nguyệt thực toàn phần là khá lâu.
Hiện tượng nguyệt thực cạnh tòa tháp Trans-American, San Francisco.
Hình ảnh mặt trăng chụp tại Las Vegas.
Những chu kỳ thay đổi của mặt trăng khi xảy ra nguyệt thực
Bóng trái đất lồng vào mặt trăng khi xảy ra nguyệt thực toàn phần
Cac qua trinh nguyet thuc
Câu hỏi 6: Nhật thực và nguyệt thực bắt nđầu xảy ra ở đâu ?
Do mặt trăng cùng với trái đất tự quay từ tây sang đông cho nên nhật thực bao giờ cũng bắt đầu xuất hiện từ phía tây còn nguyệt thực bắt đầu xuất hiện từ phía đông.
Câu hỏi 7: Điều kiện tổng quát xảy ra hiện tượng nhật ,nguyệt thực.
Nếu như hai mặt phẳng bạch đạo và hoàng đạo trùng nhau thì hàng tháng âm lịch sẽ xả ra nhật thực và nguyệt thực. Nhưng do mặt phẳng bạch đạo và mặt phẳng hoàng đạo chúng lệch nhau 5­0­­9’ nên hiện tượng nhật thực diễn ra rất thưa.
Quỹ đạo chuyển động của mặt trăng và của trái đất.
ĐIỀU KIỆN CỤ THỂ ĐỂ XẢY RA HIỆN TƯỢNG NHẬT THỰC
Từ mặt phẳng quỹ đạo chuyển động của mặt trăng ta thấy nó giữ nguyên phương trong không gian(thể hiện ở giao tuyến của hai mặt phẳng hoàng đạo và bạch đạo dược goi là tiết tuyến).
Từ đó ta thấy sự che khuất lẫn nhau của traí đất và mặt trăng chỉ có thể xảy ra khi hệ trái đất- mặt trăng ở vị trí 1 và 3 tức là trong một năm chỉ có khả năng xảy ra hai kỳ nhật nguyệt thực khi mặt trăng và mặt trời ở hai vị trí giao hội và xung đối trên tiết tuyến nhưng thưc tế 3 thiên thể có khối lượng và kích thước khá lớn nên hiện tượng nhật nguyệt thực có thể xảy ra khi mặt trời và mặt trăng giao hội hay xung đối ở lân cận của tiết tuyến.
Gọi M ,D,T là tâm của Mặt Trời,Trái Đất,Mặt Trăng cùng nằm trên mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng hoàng đạo
Gọi þ0 là bán kính góc của Mặt Trời
Þ là bán kính góc của Mặt Trăng
P là thị sai của Mặt Trăng
P0 là thị sai của mặt Trời
Ta có góc TMD là khoảng cách góc từ tâm mặt trăng đến mặt phẳng hoàng đạo. Nếu khoảng cách góc này bé hơn góc giới hạn TMD thì người quan sát ở P đã nhìn thấy mặt trời bị che khuất một phần.
Gọi S,K, P là tiếp tuyến chung của 3 thiên thể
Với phép tính gần đúng coi SD, KD là hai tiếp tuyến kẻ từ tâm trái đất đến mặt Trời và mặt Trăng.
Vì khoảng cách từ mặt trời tới trái đất ( MD) là rất lớn nên ta có
TMD = TDK + KDS + SDM
= Þ + PKD – PSD + þ0
= Þ + p – Po + þ0 = 15’5 + 57’ – 9” + 16’3”
= 88’7”
Như vậy hiện thượng nhật thực có thể xảy ra khi khoảng cách góc nhìn từ tâm trái đất ( góc địa tâm ) giữa tâm Mặt Trăng và tâm Mặt Trời bé hơn 88’7”


Mặt khác vì quỹ đạo của Mặt Trời và Mặt Trăng nghiêng nhau một góc i = 5o9’
Khi góc địa tâm TDM = 88’ 7” thì đĩa Mặt Trời và đĩa Mặt Trăng tiếp giáp nhau và chúng cách tiết điểm N một đoạn NM
Xét tam giác cầu NMT vuông tại M ta có ;
tan TM = sin MN. tan i
tan 88’7” = sin MN . tan 509
từ đó ta có sinMN = tan 88’7” : tan 509
Vậy MN = 1605

Vì N là một trong hai giao điểm của hoàng đạo và bạch đạo .Nên do tính chất đối xứng nên hiện tượng nhật thực có thể xảy ra khi Mặt Trời di chuyển trên cung M M’ = 330 tức là trong khoảng thời gian chừng 34 ngày (trong đó có ít nhất một lần không trăng có thể có đến 2 lần)
Như vậy quanh một tiết điểm có thể có từ 1 đến 2 lần xảy ra hiện tượng nhật thực. Như vậy trong một năm có thể xăy ra từ 2 – 4 lần nhật thực .nhưng trong thực tế có năm xảy 5 lần vì tiết điểm dịch chuyển trên hoàng đạo ngược với chiều chuyển ddoongj của trái đất do đó khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp mặt Trời đi qua một tiết điểm xác định vào khoảng chừng 346 ngày
Như vậy nếu một năm nào đó kì nhật thực dầu tiên xảy ra vào đầu tháng giêng thì kì thứ hai sẽ xảy ra vào giữa năm kì thứ 3 xảy ra vào gần cuối năm.
ĐIỀU KIỆN CỤ THỂ XẢY RA HIỆN TƯỢNG NGUYỆT THỰC
Gọi O là tâm vùng bóng tối của trái đất lập luận tương tự như đối vơi hiện tượng nhật thực ta có:
Xét tam giác cầu NTO ta có
tan TO = sin No . tan i
vì NO là góc địa tâm giữa bóng tối và tam Mặt Trăng và có độ lớn bằng bán kính góc của bóng tối + bán kính góc của mặt Trăng = 41’ + 15’5 = 56’5
nên sin NO = tan TO : tan i = tan 56’5 : tan 509
vậy NO = 1006
Như vậy nguyệt thực có thể xảy ra khi bóng tối của Trái Đất dịch chuyển quanh mỗi tiết điểm một cung dài 2102’ tức khoảng chừng hết 22 ngày mà chu kỳ của Mặt Trăng là 29,53 ngày nên quanh một tiết điểm chỉ có thể xảy ra nhiều nhất 1 lần nguyệt thực. Vậy một năm có thể xảy ra nhiều nhất 3 lần nguyệt thực và ít nhất không có lần nào.
Chu kì nhật nguyệt được tính như thế nào ?
Hiện tượng nhật thực ,nguyệt thực là những hiện tượng che khuất lẫn nhau do mặt trăng chuyển động xung quanh trái đất và trái đất chuyển động xung quanh mặt trời . Vì chúng chuyển động với những chu kì hoàn toàn xác địnhnên các hiện tượng này cũng diễn ra theo những chu kì hoàn toàn xác định .Chu kì này được tínhbằng bội chung nhỏ nhất của;
+ Chu kì tuần trăng : 29,53 ngày
+ Chu kì mặt trăng trở lại một tiết điểm xác định : 27,21 ngày
+ Chu kì Mặt Trời đi qua một tiết điểm xácđịnh : 346,62 ngày
Vậy bội chugn nhỏ nhất là : 6585,32 ngày ( 18 năm 11,32 ngày)
Trong mỗi chu kì số lần xảy ra nguyệt thực ít hơn nhật thực nhưng người ta lại quan sát thấy hiện tượng nguyệt thực nhiều hơn .Trên Trái Đất rất hiếm khi được chứng kiến hiện tượng nhật thực toàn phần .Ở một số nơi trên Trái Đất trung bình có khoảng 200 – 300 năm mới nhìn thấy hiện tượng nhật thực toàn phần một lần.
Trong thời gian vừa qua hiện tượng nhật thực toàn phần đã xảy ra vào ngày 22/7 tại Trung Quốc ,Ấn Độ ,Nepan
Đối với Việt Nam năm 1995 nhật thực toàn phần đã xxảy ra ở Phan Thiết cứ theo chu kì 75 năm thì đến năm 2070 theo dự báo thi người dân Việt Nam lại được hiên tượng thiên văn đặc biệt này.
Vậy hiện tượng nhật thực có ảnh hửơng như htế nào đến sức khỏe con người
Bức xạ mặt trời những luồng hạt ion hóa , từ trường mạnh trong các cơn gió mặt trời ảnh hưởng đáng kể đến thông tin liên lạc sức khỏe của con người .Một dẫn chứng rất cụ thể là khi trời nắng to hoạt động mạnh số ngươi mắc các bệnh tim mạch tăng cao và các nhà khoa học đã ví Mặt Trăng như chiếc lá ngăn chặn hầu hết các bức xạ Mặt Trời mỗi khi hiện tượng nhật thực xảy ra .Thế nhưng cường độ ánh sáng là rất mạnh nếu nhìng trực tiếp vào mặt trời mà không sử dụng các kính chuyên dụngchỉ trong thời gian rất ngắn có thể gây tổn hại nghiêm trọng đến võng mạc thậm chí nặng có thể gây mù lòa. Theo khuyến cáo của các nhà khoa học ngay cả khi nhật thực toàn phần xảy ra để an toàn chúng ta vẫn nên sử dụng kính quan sát hoặc các phương pháp khác vì khi đó vẫn còn một lượng bức xạ có hại đối với các tế bào trên võng mạc













Sao lúc Nguyệt Thực trăng lại có màu đỏ?

Màu đỏ của trăng khi nguyệt thực để lại ấn tượng rất đặc biệt, ngày xưa người ta hay liên tưởng đến chiến tranh và chết chóc. Ở Việt Nam ông bà ta lại cho là có một con gấu to đang nuốt mất Mặt Trăng, và thường đem xoong nồi ra gõ để đuổi gấu đi.

Ngày nay ta có thể lý giải theo khoa học:

Vùng bóng phía sau Trái Đất chia làm 2 vùng: vùng nửa tối và vùng tối.

Khi trăng đi vào vùng nửa tối ta sẽ có Nguyệt Thực bán dạ. Nguyệt thực bán dạ rất khó nhận biết ta chỉ thấy trăng tối hơn bình thường một chút thôi.

Vùng bóng ở trong gọi là vùng tối, nếu trăng đi vào trọn vùng này ta sẽ nhìn thấy Nguyệt Thực toàn phần, còn chỉ một phần vào vùng tối thì sẽ có Nguyệt Thực một phần như lần này chẳng hạn. Gọi là vùng tối nhưng thật sự nó không tối hẳn đâu.

Ánh sáng từ Mặt Trời có thành phần bao gồm đủ các màu. Khi ánh sáng Mặt trời đi xuyên qua lớp khí quyển Trái Đất sẽ bị khí quyển hấp thụ, chỉ còn bước sóng đỏ là bước sóng ánh sáng có khả năng đâm xuyên mạnh nhất đi qua. Đồng thời bầu khí quyển Trái Đất là một thấu kính hội tụ khổng lồ làm cho ánh sáng đỏ đi xuyên qua có xu hướng lệch về trục chính và ánh sáng này đã chiếu rọi Mặt Trăng. Do đó ta thấy Mặt Trăng khi Nguyệt Thực có màu đỏ sẫm.











Con người đã thu được những gì nhờ quan sát Nhật thực và Nguyệt thực?



Việc quan sát 2 hiện tượng này không chỉ giúp cho các nhà thiên văn tính toán được chính xác thời gian chúng xảy ra , bổ sung thêm chính xác vào lí thuyết chuyển động của Mtrời, Mtrăng, TĐ mà còn đem lại nhiều dữ liệu quan trọng trong nhiều vấn đề khác
Như đã nói tầng khí quyển của MTrời gồm ba tầng :ngoài cùng là nhật hoa , giữa là quang cầu , trong là sắc cầu .Lượng vật chất của hai tàng trong rất loãng nên ánh sáng của chúng mờ nhạt đến nỗi ngày thường không thể nhìn thấy bởi chúng bị ánh sáng của tầng quang cầu che khuất.Khi Nhthực TP xảy ra, lúc này a/s của tầng quang cầu bị Mtrăng che khuất , a/s của tầng sắc cầu và nhật hoa mới hiện ra trên nền trời tối. Đây là thời điểm duy nhất để quan sát và nghiên cứu thêm vè hai tầng này, về trạng thái vật lí của khí quyển MTrời.
Ngoài ra , dùng kình viễn vọng Mtrời q/s hiện tượng Nhật thực TP , người ta có thể nghiên cứu thêm về các bức xạ vô tuyến, sự phân bố bức xa vô tuyến, cấu trúc nguồn của bức xạ vô tuyến.Phần lớn các kết quả tư liệu về bức xạ vô tuyến Mặt trời từ giữa thập kỉ 70 của thế kỉ 20 đến nay đều thu đuợc tù việc quan sát Nhthực Tp
Khi nhật thực xảy ra , Mtròi bị che khuất dần dần nên bức xạ mặt trời trên mặt đất cũng thay đổi , dẫn đến sự thay đổi của bầu khí quyển và điện từ trường của TĐ.Cũng trong lúc này, các nhà TVmới có thể quan sát trực tiếp quan sát nhằm tìm kiếm thêm các thiên thể ở vùng không gian xung quanh Mtrời
Mỗi lần nguyệt thực xảy ra , việc nghiên cứu sự biến đổi a/s và màu sắc của đĩa Mtrăng khi bị che khuất giúp các nhà khoa học biết được cấu trúc hoá hoc trên thượng tầng khí quyển TĐ.Sự thay đổi nhiiệt đọ trên bề mặt Mtrăng khi đó cũng giúp ta nghiên cứu được cấu tạo của lớp đất đá trên đó.
Cũng nhờ quan sát nhiều lần Ng. thực mà nhà bác học Galile đã khẳng định rằng TĐ có hình cầu, vì chỉ có vật hình cầu mới có cái bóng hình tròn trên Mtrăng trong bất kì lần Ngthực nào và ở bất kì nơi nào
Bầu trời xám xịt. Một phần mặt trăng được nhìn thấy. Ảnh chụp tại Almaty, Kazakhstan.
Một chiếc máy bay bay qua thời điểm nhật thực diễn ra tại Almaty, Kazakhstan.
Cảnh nhật thực chụp gần tượng đài Độc lập ở Almaty, Kazakhstan.
Chú chim “may mắn” được chiêm ngưỡng hiện tượng mặt trời bị mặt trăng “xâm lấn”. Ảnh Chụp tại Hồ Bắc, Trung Quốc.
Mặt trời chỉ còn được nhìn thấy là một mảnh trăng lưỡi liềm. Ảnh chụp tại Gaotai, tỉnh Gansu, Trung Quốc
Hình ảnh Nhật thực toàn phần được nhìn thấy ở nước Anh
Rishi” là từ tiếng Trung dùng để mô tả hiện tượng che khuất của mặt trăng. Ảnh chụp trên Vạn Lý Trường Thành, thị trấn Jiayuguan, tỉnh Gansu, Trung Quốc.
Mặt trời bị “ăn” gần hết. Ảnh chụp tại thị trấn Jiayuguan, tỉnh Gansu, Trung Quốc.
Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn!




Tác giả: Phan Thế Định