Lõi trong của Trái Đất đang làm ngày của bạn dài ra rồi ngắn lại vài mili giây

Một ngày trên Trái Đất không cố định ở con số 86.400 giây. Trong từng thập kỷ, nó co giãn vài phần nghìn giây, và một nghiên cứu mới truy nguyên phần lớn sự trôi dạt đó từ một cuộc giằng co hấp dẫn nằm sâu hơn 5.000 km dưới chân chúng ta.

Các nhà địa vật lý Huifeng Zhang và Mathieu Dumberry thuộc Đại học Alberta báo cáo trên tạp chí Nature rằng lõi trong rắn của Trái Đất, một quả cầu sắt hơi méo, kéo lên những vùng đặc của lớp manti khi hướng của nó dịch chuyển. Lực kéo đó làm tăng tốc hoặc giảm tốc lớp manti đá và lớp vỏ nơi chúng ta đang sống, kéo theo đó là độ dài của ngày. Hai lực khác tại ranh giới giữa lõi và lớp manti đẩy ngược lại.

Kết quả này giải đáp một câu hỏi mà các nhà địa vật lý đã quanh quẩn suốt nhiều thập kỷ. Họ biết lõi Trái Đất đang trao đổi spin với lớp manti trong những chu kỳ thời gian này, nhưng không biết liên kết vật lý nào đảm nhận sự trao đổi đó. Nó cũng mang đến một bất ngờ về trung tâm hành tinh: lõi trong dường như chảy rất chậm, thay vì nằm im như một khối cứng.

Vì sao một quả cầu sắt đung đưa có thể làm dịch chuyển đồng hồ

Tổng spin của Trái Đất, tức mô men động lượng, gần như không đổi. Khi lõi ngoài lỏng quay nhanh hơn, lớp manti phải chậm lại để bù trừ, và ngược lại. Những dao động nhỏ trong chuyển động quay của lớp manti chính là thứ khiến độ dài của ngày nhấp nhô trong các chu kỳ nhiều thập kỷ.

Câu hỏi mở là sự liên kết, và có ba ứng viên. Liên kết điện từ hoạt động qua từ trường và phụ thuộc vào độ dẫn điện của tầng thấp nhất của lớp manti. Liên kết địa hình đến từ áp lực đẩy lên các chỗ lồi lõm ở ranh giới lõi-manti. Liên kết hấp dẫn đến từ khối lượng: lõi trong không phải là một khối cầu hoàn hảo, và lớp manti chứa những khối đá đặc không đều.

Khi các dòng chảy trong lõi ngoài lỏng đẩy lõi trong xoay nhẹ tương đối so với lớp manti, các chỗ phình của nó lệch khỏi những vùng đặc đó. Lực hấp dẫn kéo chúng trở lại sự thẳng hàng, và lực kéo phục hồi đó, một mô men xoắn hấp dẫn, truyền spin cho lớp manti. Theo nghiên cứu, lõi trong dao động qua lại khoảng 2,35 độ so với lớp manti, trong chu kỳ 60 đến 70 năm.

“Mô men xoắn hấp dẫn tác động theo hướng giải thích được những thay đổi quan sát thấy trong chuyển động quay của Trái Đất, trong khi các mô men xoắn điện từ và địa hình thường chống lại nó,” hai nhà nghiên cứu viết trong bản tóm tắt công trình cho cộng đồng nghiên cứu của Springer Nature.

Cách họ thực hiện

Không có thiết bị nào có thể chạm tới lõi Trái Đất, vì vậy nhóm nghiên cứu đã kết hợp ba nguồn dữ liệu gián tiếp. Nguồn thứ nhất là độ dài của ngày, được theo dõi bằng đồng hồ nguyên tử và quan sát thiên văn. Nguồn thứ hai là một bộ mô hình về cách lõi ngoài lỏng chảy, được tái dựng từ các phép đo vệ tinh về từ trường Trái Đất. Nguồn thứ ba là bằng chứng địa chấn về cấu trúc của lòng đất sâu.

Họ đưa những dữ liệu này vào một kỹ thuật thống kê gọi là Markov chain Monte Carlo, kỹ thuật này thử một số lượng lớn các giá trị khả dĩ cho các đại lượng chưa biết và giữ lại những tổ hợp phù hợp với quan sát. Các đại lượng chưa biết bao gồm cường độ của từng liên kết trong ba liên kết. Mô hình tái tạo tốt nhất khoảng sáu thập kỷ dữ liệu độ dài ngày khi mô men xoắn hấp dẫn đảm nhận phần lớn công việc và hai lực kia hoạt động như những cái phanh.

Việc kiểm tra cả ba cơ chế cùng lúc là quan trọng vì chúng hoạt động đồng thời và triệt tiêu một phần lẫn nhau. Một mô hình chỉ xem xét một liên kết đơn lẻ có thể gán cho nó một hiệu ứng mà trong Trái Đất thực, đang bị một liên kết khác bù trừ.

“Những mảnh thông tin khác nhau này có thể kết hợp lại để cung cấp một bức tranh mạch lạc hơn về lòng đất sâu của Trái Đất, một khu vực cực kỳ khó quan sát trực tiếp,” Zhang nói.

Vài phần nghìn giây, đo so với cái gì

Hiệu ứng này nhỏ bé so với chính ngày dài. Vài phần nghìn giây trong 86.400 giây là một thay đổi vài phần trong 100 triệu, ngắn hơn nhiều so với một cái chớp mắt. Không ai cảm nhận được, nhưng đồng hồ nguyên tử và các hệ thống theo dõi hướng của Trái Đất cho định vị vệ tinh thì có.

Các lực khác cũng làm thay đổi ngày. Gió và hải lưu làm dịch chuyển nó theo ngày và theo mùa, trong khi thủy triều từ Mặt Trăng từ từ hãm chuyển động quay của Trái Đất qua hàng triệu năm. Những dao động quy mô thập kỷ nằm ở khoảng giữa, với lõi Trái Đất từ lâu bị nghi ngờ là nguồn gốc và cơ chế thì vẫn chưa được làm rõ.

Nghiên cứu cũng định lượng được độ mềm của trung tâm hành tinh. Các mô hình khớp nhất ngụ ý rằng lõi trong nới lỏng hình dạng của nó trong khoảng một thập kỷ, trong khoảng khả dĩ từ 2 đến 31 năm. Dưới áp suất nghiền nát, nó vẫn là sắt rắn, nhưng qua nhiều năm nó chịu khuất phục như một thứ bột bả cực kỳ cứng. Các nhà nghiên cứu báo cáo rằng độ nhớt này phù hợp với các thí nghiệm phòng thí nghiệm gần đây trên hợp kim sắt.

Cường độ của lực hấp dẫn cũng nói lên điều gì đó về lớp manti. Nó ủng hộ quan điểm rằng hai khối đá lớn bằng lục địa dưới châu Phi và Thái Bình Dương, nơi sóng địa chấn truyền đi chậm bất thường, nóng và cũng đặc hơn về mặt hóa học so với đá xung quanh.

Điều nghiên cứu chưa giải quyết

Việc tái dựng phụ thuộc vào những dữ liệu không đầy đủ. Phủ sóng địa chấn của lòng đất sâu còn lỗ hổng, và các mô hình dòng chảy lõi từ dữ liệu từ tính chỉ thấy được những cấu trúc lớn nhất trong lõi ngoài. Hình dạng suy ra của lõi trong và mật độ của các khối manti đến từ kết quả khớp mô hình chứ không phải từ đo đạc trực tiếp, và khoảng 2 đến 31 năm cho độ mềm của lõi trong là rộng.

Mô hình cũng để lại một phần tín hiệu chưa được giải thích. Các biến đổi nhanh hơn trong khoảng thời gian 10 đến 30 năm có thể liên quan đến các quá trình bổ sung, và một dao động sáu năm riêng biệt trong độ dài của ngày vẫn là một bài toán mở mà Zhang đang nghiên cứu.

Rồi đến chính chuyển động quay của lõi trong, một trong những chủ đề gây tranh cãi nhất trong địa chấn học. Các nghiên cứu của một nhóm Đại học Bắc Kinh năm 2023 và một nhóm Đại học Nam California năm 2024 kết luận rằng chuyển động của lõi trong so với lớp manti đã dừng lại và bắt đầu đảo ngược vào khoảng năm 2009 đến 2010. Mô hình mới, với sự đổi hướng vào khoảng năm 2010, khớp với bức tranh đó, nhưng các nhà địa chấn học khác đã lập luận rằng những thay đổi ở bề mặt lõi trong, chứ không phải chuyển động quay của nó, giải thích các tín hiệu địa chấn tương tự. Các tác giả cũng liệt kê là chưa giải quyết được liệu những dịch chuyển trong tương lai của chuyển động quay lõi trong có thể được dự đoán hay không.

Các câu hỏi thường gặp về độ dài ngày của Trái Đất

Vì sao một ngày không chính xác 24 giờ?

Ngày 24 giờ là một quy ước, và chuyển động quay thực tế của Trái Đất biến đổi. Gió và hải lưu thay đổi nó theo ngày và theo mùa, thủy triều từ Mặt Trăng kéo dài nó qua hàng triệu năm, và sự trao đổi spin giữa lõi và lớp manti thay đổi nó vài phần nghìn giây qua nhiều thập kỷ.

Lõi trong Trái Đất có đang đảo ngược chuyển động quay không?

Không. Các nghiên cứu địa chấn cho thấy lõi trong quay nhanh hơn hoặc chậm hơn lớp manti một chút, vì vậy so với bề mặt, nó trôi theo một hướng rồi quay lại. Nghiên cứu mới mô hình hóa điều này như một sự dao động khoảng 2,35 độ trong chu kỳ 60 đến 70 năm, với sự đổi hướng vào khoảng năm 2010.

Lõi trong có làm cho ngày dài hơn hoặc ngắn hơn một cách đáng kể không?

Không. Những thay đổi cộng dồn lại vài phần nghìn giây qua nhiều thập kỷ, thấp hơn nhiều so với bất cứ điều gì con người có thể nhận thấy. Chúng quan trọng đối với việc giữ giờ chính xác, định vị vệ tinh và địa vật lý, nơi chuyển động quay của Trái Đất được theo dõi đến từng phần nghìn giây.

Làm sao các nhà khoa học biết điều gì xảy ra bên trong lõi Trái Đất?

Không có tàu thăm dò nào có thể chạm tới đó. Các nhà nghiên cứu kết hợp sóng địa chấn từ động đất xuyên qua lõi, các phép đo vệ tinh về từ trường tạo ra trong lõi ngoài lỏng, và các ghi chép chính xác về chuyển động quay của Trái Đất. Nghiên cứu này đã sử dụng cả ba.

Tạp chí Nature công bố nghiên cứu vào ngày 23 tháng 9 năm 2026. Giữa đầu những năm 1970 và 2021, nhóm nghiên cứu phát hiện, các quá trình lõi đã thay đổi độ dài của ngày vài phần nghìn giây. Thử thách tiếp theo là chu kỳ sáu năm: một nhóm riêng biệt báo cáo trong một bản in trước ngày 23 tháng 6 năm 2026, chưa được bình duyệt, một tín hiệu sáu năm khớp nhau trong dữ liệu trọng lực vệ tinh mà họ liên kết với cùng sự liên kết giữa lõi trong và lớp manti. Nếu cả hai bản ghi cho thấy cùng một sự dao động, lực kéo của một quả cầu kim loại ở trung tâm hành tinh sẽ có thể đọc được từ quỹ đạo cũng như từ đồng hồ.

Tài liệu tham khảo: Zhang và Dumberry, “Gravitational torque drives multidecadal variations in length of day,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10999-2

Thẻ: earth science, geophysics, lõi trong, Mathieu Dumberry, sự tự quay của Trái Đất, University of Alberta