Khi lõi trong Trái Đất đổi chiều quay: bằng chứng, nguyên nhân và ý nghĩa

Một công bố khoa học mới gây chú ý khi cho thấy hướng quay của lõi trong Trái Đất có thể thay đổi trong chu kỳ vài thập kỷ — và những biến động này để lại dấu vết có thể đọc được trong sóng địa chấn. Thay vì là một khối rắn tĩnh tại tâm hành tinh, lõi trong có biểu hiện chuyển động tinh tế so với các lớp bao quanh, và kiểu chuyển động ấy có thể đảo chiều theo thời gian.

Những dữ kiện then chốt từ nghiên cứu gần đây

Nghiên cứu được nhắc tới, được công bố hôm 23/1 trên tạp chí Nature Geoscience, phân tích chuỗi dữ liệu địa chấn thu từ những trận động đất lặp lại, bắt đầu từ thập niên 1960. Nhóm tác giả do Xiaodong Song (Phòng thí nghiệm SinoProbe, Đại học Bắc Kinh) và cộng sự triển khai phân tích này với mục tiêu truy vết chuyển động tương đối của lõi trong qua nhiều thập kỷ.

Những kết luận chính từ phân tích là: lõi trong từng quay nhanh hơn lớp phủ và lớp mặt theo chiều từ tây sang đông trong giai đoạn từ đầu thập niên 1970 đến khoảng năm 2009; sau đó chuyển sang giai đoạn tạm ngưng giữa 2009 và 2011; và từ thời điểm đó có dấu hiệu bắt đầu đảo chiều. Nhóm nghiên cứu lưu ý rằng những biến đổi này có thể là một phần của dao động chu kỳ dài, với quy mô thời gian khoảng 70 năm.

Phương pháp: đọc chuyển động lõi qua sóng địa chấn

Sóng địa chấn phát sinh từ các trận động đất lặp lại — những sự kiện xảy ra ở cùng vị trí nhưng tại các thời điểm khác nhau — thường tạo ra dạng sóng giống nhau khi đến cùng một trạm quan sát. Tuy nhiên, khi các sóng đó đi xuyên qua lõi trong, chúng có thể phản chiếu những khác biệt tinh tế về cấu trúc và chuyển động ở bên trong. Nhóm nghiên cứu tận dụng đặc điểm này để so sánh dạng sóng và thời điểm tới của các cặp trận động đất lặp lại, từ đó suy ra hướng và tốc độ quay tương đối của lõi trong qua từng giai đoạn.

Cách tiếp cận dựa trên dữ liệu địa chấn có ưu thế vì nó khai thác tín hiệu thực tế đi qua lõi Trái Đất. Nhưng đồng thời phương pháp này cũng phụ thuộc rất lớn vào lượng và chất lượng dữ liệu sẵn có trong thời gian dài.

Hình dung cấu trúc Trái Đất liên quan tới chuyển động lõi

Để hiểu chuyển động lõi trong, cần nhớ ngắn gọn về cấu trúc theo lớp của hành tinh. Trái Đất gồm vỏ, lớp phủ, lõi ngoài và lõi trong. Các con số quan trọng được nghiên cứu nêu rõ:

• Vỏ Trái Đất: mỏng nhất ở đại dương, với độ dày trung bình khoảng 6,4 km; ở lục địa, độ dày vào khoảng 32–48 km.
• Lớp phủ: dày khoảng 2.900 km và chiếm khoảng 84% thể tích Trái Đất; vật liệu ở đây chủ yếu rắn nhưng có vùng chịu áp suất cao dẫn tới chảy.
• Lõi ngoài: dày khoảng 2.253 km, chủ yếu là sắt lỏng và nickel.
• Lõi trong: nằm ở tâm, có độ dày khoảng 1.207 km, cấu tạo chủ yếu từ sắt, một lượng nhỏ nickel cùng các nguyên tố khác; phần này có trạng thái rất đặc.

Mô phỏng mặt cắt các lớp của Trái đất. (Ảnh: iStock)

Những lực ảnh hưởng: từ trường và trọng lực

Theo mô tả trong công trình, hai yếu tố chính tác động lên chuyển động của lõi trong là lực điện từ và trọng lực. Từ trường Trái Đất được tạo ra bởi chuyển động của chất lỏng trong lõi ngoài; tương tác từ trường này với lõi trong có thể gây ra mô-men xoắn khiến lõi trong quay. Mặt khác, trọng lực giữa lõi trong và lớp phủ, do khác biệt vật lý giữa hai cấu trúc, có xu hướng kéo lõi trong về vị trí cân bằng. Khi hai lực này không cân bằng, lõi trong có thể tăng tốc hoặc giảm tốc.

Sự biến đổi tương đối giữa hai lực trên theo thời gian được cho là một trong những nguyên nhân khiến lõi trong biểu hiện dao động trong chu kỳ dài — và chu kỳ khoảng 70 năm mà nhóm tác giả nhắc tới có thể liên hệ tới những biến đổi định kỳ quan sát được trong các đại lượng địa vật lý khác, ví dụ sự thay đổi của từ trường hay biến đổi độ dài của ngày.

Chuỗi thời gian phát hiện được và những giới hạn dữ liệu

Phân tích sử dụng sóng địa chấn từ thập niên 1960 tới nay cho phép nhóm tác giả dựng lại mô hình chuyển động lõi trong trong vài thập kỷ vừa qua. Họ nhận thấy một khoảng thời gian rõ rệt khi lõi trong quay nhanh hơn lớp phủ từ thập niên 1970 tới khoảng năm 2009; sự tạm ngưng trong giai đoạn 2009–2011; và dấu hiệu đảo chiều sau đó.

Tuy vậy, các nhà nghiên cứu thẳng thắn nêu ra hạn chế lớn: dữ liệu địa chấn có chất lượng cao và liên tục chỉ mới có từ khi các trạm đo kỹ thuật số được triển khai rộng rãi từ thập niên 1990. Nhiều bản ghi địa chấn cũ được lưu trên giấy và hiện khá khan hiếm, khó tiếp cận; do vậy nhóm chưa thể quan sát đầy đủ một chu kỳ 70 năm từ nguồn dữ liệu hiện có. Nhóm lưu ý rằng kết luận về chu kỳ dài cần được củng cố thêm khi có thêm dữ liệu lịch sử hoặc quan sát tiếp theo.

Vì sao chuyển động của lõi trong đáng quan tâm?

Chuyển động tương đối của lõi trong ảnh hưởng tới nhiều hiện tượng địa vật lý. Mối liên hệ giữa động lực lõi và từ trường khiến biến đổi ở lõi trong có thể phản ánh hoặc góp phần làm thay đổi từ trường bề mặt. Tương tự, dao động trong tốc độ quay lõi trong có thể khớp với những thay đổi nhỏ trong độ dài ngày — những thay đổi này mặc dù nhỏ nhưng có thể được quan sát bằng các phương pháp đo chính xác.

Vì vậy, truy vết và hiểu rõ chu kỳ chuyển động ở lõi trong giúp các nhà khoa học liên kết dữ liệu địa chấn, quan trắc từ trường và biến thiên vũ trụ thời gian dài để có bức tranh hoàn chỉnh hơn về động lực hành tinh.

Những câu hỏi còn mở và hướng nghiên cứu tiếp theo

Một số vấn đề vẫn chưa có lời giải thỏa đáng. Đầu tiên là tính chính xác của mô hình chu kỳ 70 năm khi dữ liệu quan sát liên tục chưa đủ dài để bao phủ đầy đủ một chu trình. Thứ hai, chi tiết về cách hai lực điện từ và trọng lực tương tác thay đổi theo thời gian, và vai trò tương đối của mỗi loại lực trong từng giai đoạn tăng tốc hay đảo chiều, còn cần các phân tích mô phỏng và dữ liệu bổ sung để xác thực.

Các hướng tiến tới có thể gồm khai thác các bản ghi địa chấn lịch sử hơn (nếu có thể số hóa và hiệu chỉnh), tăng mật độ trạm quan sát toàn cầu, và kết hợp nhiều loại quan sát địa vật lý để dựng mô hình động lực lõi toàn diện hơn.

Kết luận: những điều nên nhớ

Nghiên cứu mới cung cấp bằng chứng mạnh mẽ rằng lõi trong Trái Đất không giữ một tốc độ quay bất biến qua nhiều thập kỷ, mà có những giai đoạn quay nhanh hơn so với lớp phủ theo chiều từ tây sang đông, giai đoạn tạm ngưng và dấu hiệu đảo chiều. Các biến đổi này nhiều khả năng thuộc về một dao động chu kỳ dài, có thể liên quan tới những biến thiên khác của hệ thống Trái Đất như từ trường và độ dài ngày.

Tuy nhiên, giới hạn của dữ liệu hiện tại khiến một số kết luận vẫn mang tính tạm thời: cần thêm quan sát dài hạn và nguồn dữ liệu lịch sử được khai thác tốt hơn để khẳng định chu kỳ và hiểu rõ cơ chế điều khiển. Nói cách khác, lõi trong đang kể một câu chuyện phức tạp về động lực nội sinh của hành tinh — và các nhà khoa học vẫn đang lần theo những dấu vết sóng địa chấn để đọc tiếp chương tiếp theo.

FAQ ngắn

Câu hỏi: Dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu bắt đầu từ khi nào?

Nhóm nghiên cứu phân tích sóng địa chấn từ các trận động đất lặp lại có nguồn gốc từ thập niên 1960 đến nay, kết hợp các quan sát kỹ thuật số hiện đại và dữ liệu lịch sử khi có thể.

Câu hỏi: Tại sao nói lõi trong “đổi chiều” thay vì chỉ đổi tốc độ?

Báo cáo cho biết sau một giai đoạn quay nhanh theo chiều từ tây sang đông và một giai đoạn tạm ngưng vào khoảng 2009–2011, có dấu hiệu quay dần theo hướng ngược lại so với trước đó — nên dùng từ “đổi chiều” để mô tả xu hướng thay đổi hướng quay tương đối.

Câu hỏi: Có phải chu kỳ 70 năm đã được quan sát đầy đủ?

Không — các tác giả nhấn mạnh dữ liệu hiện có chưa bao phủ đầy đủ một chu kỳ 70 năm, vì các trạm địa chấn kỹ thuật số đầy đủ chỉ có từ thập niên 1990; do đó chu kỳ vẫn cần được xác nhận với dữ liệu bổ sung.

Để hiểu sâu hơn về các hiện tượng nhận thức và trí nhớ liên quan tới trải nghiệm cá nhân mà cũng dựa trên nghiên cứu khoa học, bạn có thể đọc bài phân tích chuyên sâu về déjà vu. Bài viết này lý giải các giả thuyết chính và thiết kế thực nghiệm hiện đại, giúp người đọc nắm rõ bằng chứng và cách các nhà khoa học tiếp cận hiện tượng này: giải mã các giả thuyết và thí nghiệm về déjà vu.

Nếu bạn quan tâm đến phát hiện bất thường ở môi trường cây cối tại các di tích lịch sử và tác động của các kim loại nặng đến sức khỏe cộng đồng, có một bài viết điều tra trường hợp cây lựu gắn với lăng Tần Thủy Hoàng, phân tích nguồn gốc thủy ngân và hệ quả sức khỏe mà bạn nên tham khảo: phân tích phát hiện thủy ngân trên cây lựu tại lăng Tần Thủy Hoàng.

Và để mở rộng góc nhìn về nước trên Trái Đất, có một bài viết đáng đọc trình bày bằng chứng khoáng vật học và địa chấn cho thấy một lớp phủ sâu 400–600 km có thể chứa lượng nước lớn, hé lộ ý nghĩa về nguồn gốc nội sinh của nước hành tinh: phát hiện khoáng vật và bằng chứng về đại dương ẩn dưới lớp vỏ.