Khảo sát sinh viên tốt nghiệp Harvard năm 1987 hỏi một câu tiểu học: “Vì sao có mùa?” — đa số trả lời “mùa hè Trái Đất gần Mặt Trời hơn”. Sai toàn tập, và sai ngược: Trái Đất qua cận nhật vào ~4 tháng Một — gần hơn tháng Bảy tận 5 triệu km — đúng lúc Hà Nội cắt da cắt thịt. Thủ phạm thật nằm trong demo này:
Nắng xiên là nắng bị trải mỏng
Khoảng cách chỉ chênh 3,3% (vis-viva ghi sổ đầy đủ), nắng mạnh hơn ~7% — quá còm để làm nên mùa. Thế lực thật là trục nghiêng 23,4°: suốt vòng quanh năm, trục Trái Đất trỏ cố định một hướng (về sao Bắc Cực — con quay khổng lồ giữ hướng), nên nửa năm Bắc bán cầu ngả về Mặt Trời, nửa năm ngả đi.
Ngả đi thì sao? Mặt trời giữa trưa thấp xuống, và tia nắng xiên bị trải trên diện đất rộng hơn — demo vẽ đúng cảnh đó: cùng một chùm tia, mùa đông phết lên gấp rưỡi, gấp đôi diện tích. Mỗi mét vuông nhận theo sin của góc cao:
- Hà Nội (21°B): hạ chí mặt trời gần thẳng đỉnh (87,6°) — 100% liều nắng; đông chí còn 45,6° — 71%. Chênh 29%: đủ làm nên gió mùa, chưa đủ làm tuyết.
- London (51,5°B): hè 61,9° (88%) nhưng đông chí mặt trời lết ở 15° — còn 26%. Nắng trưa yếu hơn hè 3,4 lần, chưa kể ngày ngắn còn 8 tiếng. Vĩ độ càng cao, biên độ hàm sin càng dữ — đó là toàn bộ lý do “xứ ôn đới” tồn tại như một khái niệm.
Còn khoản “gần hơn 5 triệu km” tháng Một? Nó có thật và có việc: làm mùa của Nam bán cầu (hè rơi đúng cận nhật) hơi gắt hơn, mùa Bắc bán cầu hơi dịu hơn — một hiệu chỉnh 7% đè lên cơ chế chính, không phải cơ chế chính.
Vành đai nhiệt của hành tinh là đồ thị của một hàm sin
Nhìn lại demo lần nữa với con mắt bản đồ: xích đạo quanh năm mặt trời cao — sin sát 1, nắng đậm đều, “mùa” chỉ còn là mưa/khô. Hai chí tuyến (±23,4° — đúng bằng độ nghiêng trục, không trùng hợp) là ranh nơi mặt trời còn lên được thiên đỉnh. Hai vòng cực (±66,6° = 90 − 23,4) là ranh của đêm trắng và ngày không mặt trời. Các đường kẻ trên quả địa cầu treo tường không phải quy ước trang trí — chúng là nghiệm hình học của trục nghiêng, vẽ sẵn từ trước khi ai đặt tên.
Nông nghiệp đọc đồ thị này bằng lịch: tổ tiên đo bóng cây nêu thấy ngày đông chí bóng dài nhất — mặt trời thấp nhất — và đặt Tết ngay sau đó, đón mặt trời “quay lại”. Tấm pin mặt trời hiện đại đọc đúng chỗ ấy: lắp nghiêng bằng vĩ độ là chĩa vuông góc với mặt trời trung bình năm — người lắp điện mặt trời ở Việt Nam nghiêng ~15–21°, ở Đức nghiêng ~35°, tất cả đang giải cùng bài sin của demo.
Trường hợp biên: hành tinh nằm ngửa
Muốn thấy trục nghiêng quan trọng cỡ nào, chỉnh nó tới cực đoan — vũ trụ đã làm thí nghiệm hộ: Sao Thiên Vương nghiêng 98°, nằm ngửa hẳn ra mà lăn quanh Mặt Trời. Mỗi cực của nó hưởng 42 năm ngày liên tục rồi 42 năm đêm liên tục; “vòng cực” của nó lan gần tới xích đạo. Ngược lại, một hành tinh trục thẳng đứng 0° sẽ không có mùa nào — mỗi vĩ độ một khí hậu đóng đinh vĩnh viễn. Trái Đất nghiêng 23,4° là nằm giữa hai thái cực: đủ nghiêng để có bốn mùa gieo gặt, đủ thẳng để mùa không thành thảm hoạ — và Mặt Trăng, bằng lực triều của mình, đang giữ cho cái trục ấy khỏi lắc lư hỗn loạn qua hàng tỉ năm. Câu hỏi tiểu học, hoá ra, chấm điểm được cả một hệ hành tinh.