Bản thảo Giáo trình Môn khoa học Trái đất | Đại học Cần Thơ

lOMoAR cPSD| 58137911
TS. LÊ VĂN NHƯƠNG (chủ biên) ThS. LÊ THÀNH NGHỀ, TS. PHAN HOÀNG
LINH, ThS. HUỲNH HOANG KHẢ, ThS. LÊ ĐÌNH QUẾ GIÁO TRÌNH
KHOA HỌC TRÁI ĐẤT (Bản thảo) CẦN THƠ – 2020 MỤ ỤC L C
DANH MỤC HÌNH .............................................................................................. 5
DANH MỤC BẢNG.............................................................................................. 7 GIỚI
THIỆU ......................................................................................................... 8
Chương 1 – NHẬP MÔN KHOA HỌC TRÁI ĐẤT.............................................. 9
1.1. QUAN NIỆM VỀ KHOA HỌC TRÁI ĐẤT ............................................... 9
1.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRÁI ĐẤT................... 10 1.3. MỐI
QUAN HỆ GIỮA KHOA HỌC TRÁI ĐẤT VÀ
CÁC KHOA HỌC KHÁC .......................................................................... 10 1.4. Ý
NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA KHOA HỌC TRÁI ĐẤT12
Chương 2 – TRÁI ĐẤT TRONG VŨ TRỤ VÀ HỆ MẶT TRỜI........................ 15 lOMoAR cPSD| 58137911
2.1. VŨ TRỤ ........................................................................................................ 15
2.1.1. Quan niệm về Vũ Trụ ............................................................................ 15
2.1.2. Nguồn gốc Vũ Trụ ................................................................................. 15
2.1.3. Các mô hình Vũ Trụ .............................................................................. 18 2.1.4. Hiện
tượng giãn nở Vũ Trụ.................................................................... 20
2.2. THIÊN HÀ.................................................................................................... 20
2.2.1. Khái niệm............................................................................................... 20
2.2.2. Phân loại ................................................................................................ 21 2.2.3. Cụm
thiên hà và quần thiên hà .............................................................. 22
2.3. VẬT CHẤT TỐI TRONG THIÊN HÀ VÀ VŨ TRỤ .............................. 22
2.4. HỆ MẶT TRỜI............................................................................................ 24
2.4.1. Nguồn gốc Hệ Mặt Trời Và Trái Đất .................................................... 24
2.4.2. Cấu trúc.................................................................................................. 28
2.4.3. Vận động của Hệ Mặt Trời .................................................................... 29
2.4.4. Phân bố khối lượng trong Hệ Mặt Trời ................................................. 29
2.4.5. Đặc điểm các thiên thể trong Hệ Mặt Trời ............................................ 29 Chương
3 - CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA TRÁI ĐẤT ............................. 41
3.1. HÌNH DẠNG, KÍCH THƯỚC VÀ TUỔI TRÁI ĐẤT............................. 41
3.1.1. Hình dạng............................................................................................... 41
3.1.2. Kích thước ............................................................................................. 43
3.1.3. Tuổi của Trái Đất................................................................................... 43 1
3.2. CẤU TRÚC CỦA TRÁI ĐẤT .................................................................... 45
3.2.1. Vỏ Trái Đất ............................................................................................ 46
3.2.2. Bao Manti .............................................................................................. 51 3.2.3.
Nhân....................................................................................................... 52
3.3. ĐẶC TÍNH VẬT LÍ CỦA TRÁI ĐẤT....................................................... 52
3.3.1. Nhiệt độ.................................................................................................. 52
3.3.2. Tỷ trọng và áp suất................................................................................. 53
3.3.3. Từ trường ............................................................................................... 53
3.4. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA TRÁI ĐẤT.......................................... 54
3.4.1. Thành phần hóa học của vỏ Trái Đất..................................................... 55
3.4.2. Thành phần hóa học của bao Manti....................................................... 56
3.5. SỰ PHÂN BỐ LỤC ĐỊA VÀ ĐẠI DƯƠNG TRÊN TRÁI ĐẤT............. 57
3.5.1. Đất nổi.................................................................................................... 57
3.5.2. Đại dương ............................................................................................. 58 lOMoAR cPSD| 58137911
3.5.3. Một số quy luật trong sự phân bố các lục địa và đại dương trên Trái Đất59 Chương 4
- CÁC VẬN ĐỘNG CỦA TRÁI ĐẤT VÀ HỆ QUẢ ..................... 61
4.1. VẬN ĐỘNG TỰ QUAY QUANH TRỤC VÀ HỆ QUẢ .......................... 61
4.1.1. Vận động................................................................................................ 61
4.1.2. Hệ quả .................................................................................................... 62 4.2.
VẬN ĐỘNG QUAY QUANH MẶT TRỜI VÀ HỆ QUẢ........................ 68 4.2.1.
Vận động................................................................................................ 68 4.2.2. Hệ quả
.................................................................................................... 69 4.3. VẬN
ĐỘNG TRÁI ĐẤT - MẶT TRĂNG VÀ HỆ QUẢ.......................... 79 4.3.1. Vận động của Mặt
Trăng ....................................................................... 79 4.3.2. Hệ
quả .................................................................................................... 79 Chương 5 –
LỚP VỎ ĐỊA LÍ CỦA TRÁI ĐẤT .............................................. 85 5.1. KHÁI
NIỆM VÀ GIỚI HẠN...................................................................... 85 THẠCH
QUYỂN ................................................................................................ 85 5.1.1.
Thành phần khoáng vật.......................................................................... 86 5.1.2.
Thành phần thạch học ............................................................................ 89 5.1.3. Hoạt
động địa chất ngoại sinh ............................................................... 93 5.1.4. Hoạt động
địa chất nội sinh ................................................................... 94 2
5.2. KHÍ QUYỂN ................................................................................................ 96
5.2.1. Khái niệm............................................................................................... 96
5.2.2. Cấu trúc khí quyển................................................................................. 96
5.2.3. Thành phần của khí quyển..................................................................... 98
5.2.4. Hoàn lưu khí quyển.............................................................................. 100 5.2.5. Nhiệt
độ Khí quyển và biển đổi khí hậu.............................................. 104
5.3. THỦY QUYỂN .......................................................................................... 113
5.3.1. Khái quát.............................................................................................. 113
5.3.2. Chu trình hoạt động của nước.............................................................. 114
5.3.3. Thành phần Thủy quyển ...................................................................... 115
5.3.4. Sự phân bố của Thủy quyển ................................................................ 116 5.3.5. Nước
biển và các hoạt động địa chất của biển .................................... 120
5.4. THỔ NHƯỠNG QUYỂN.......................................................................... 126
5.4.1. Khái niệm............................................................................................. 126
5.4.2. Cấu trúc và nguồn gốc ......................................................................... 127
5.4.3. Vai trò và chức năng............................................................................ 132
5.5. SINH QUYỂN ............................................................................................ 134 lOMoAR cPSD| 58137911
5.5.1. Khái niệm............................................................................................. 134 5.5.2. Cấu
trúc và nguồn gốc ......................................................................... 135
Chương 6 - CÁC QUY LUẬT CHUNG CỦA TRÁI ĐẤT ........................... 142
6.1. QUY LUẬT THỐNG NHẤT VÀ HOÀN CHỈNH ................................. 142
6.1.1. Khái niệm............................................................................................. 142
6.1.2. Sự thống nhất của hệ thống vật liệu..................................................... 142
6.1.3. Ý nghĩa thực tiễn.................................................................................. 143 6.2.
QUY LUẬT TUẦN HOÀN VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG ............. 143 6.2.1.
Khái niệm............................................................................................. 143 6.2.2. Các vòng tuần
hoàn.............................................................................. 144 6.3. QUY
LUẬT NHỊP ĐIỆU .......................................................................... 148 6.3.1. Khái
niệm............................................................................................. 148 6.3.2. Nguyên nhân
........................................................................................ 149 6.3.3. Biển hiện
.............................................................................................. 149 6.3.4. Ý nghĩa thực
tiễn.................................................................................. 152 3
6.4. QUY LUẬT ĐỊA ĐỚI................................................................................ 153
6.4.1. Khái niệm............................................................................................. 153
6.4.2. Nguyên nhân ........................................................................................ 153 6.4.3. Biểu
hiện .............................................................................................. 153
6.5. QUY LUẬT PHI ĐỊA ĐỚI ....................................................................... 156
6.5.1. Khái niệm............................................................................................. 156
6.5.2. Nguyên nhân ........................................................................................ 156
6.5.3. Biểu hiện .............................................................................................. 156
6.5.4. Ý nghĩa................................................................................................. 158 TÀI
LIỆU THAM KHẢO................................................................................ 160 4 DANH MỤC HÌNH
Tên hình.................................................................................................................Trang
Hình 2.1. Mô hình Vũ Trụ của C.Ptôlêmée ..................................................................18
Hình 2.2. Mô hình Vũ Trụ của N.Copecnic..................................................................19
Hình 2.3. Kích thước của một thiên hà .........................................................................20
Hình 2.4. Ánh sáng từ các thiên hà bị bẻ cong bởi túi vật chất tối...............................23
Hình 2.5. Sự va chạm giữa Mặt Trời và sao chổi theo giả thuyết của Buffon .............25 Hình
2.6. Sự hạ nhiệt của một thiên thể quay chậm theo giả thuyết của Laplace ........26
Hình 2.7. Sức hút của ngôi sao lạ với Mặt Trời theo giả thuyết của Jeans ..................27 Hình
2.8. Sức hút của Mặt Trời đối với đám mây bụi theo giả thuyết của O.Y. Schmid 28 Hình
2.9. Sơ đồ Hệ Mặt Trời với các hành tinh, vệ tinh, vành đai,..............................29 Hình 2.10. lOMoAR cPSD| 58137911
Các vệ tinh tự nhiên và tỉ lệ của nó so với Mặt Trăng của Trái Đất...........37 Hình 2.11. Vành
đai Kuiper so với đám mây Oort.......................................................38 Hình 2.12. Đường đi
và cấu trúc của sao chổi Halley năm 1986 .................................39 Hình 3.1. Dạng Ellipsoid
của Trái Đất .........................................................................41 Hình 3.2. Dạng Geoid của
Trái Đất..............................................................................42 Hình 3.3. Đường kính của Trái
Đất so với các hành tinh.............................................45
Hình 3.4. Cấu trúc của Trái Đất....................................................................................46
Hình 3.5. Các mảng kiến tạo của Trái Đất theo thuyết “Địa kiến tạo mảng” ..............51
Hình 3.6. Cấu trúc quyển Manti ...................................................................................52
Hình 3.7. Bắc Từ và Bắc Địa lí lệch nhau 11,50(nguồn của NASA)...........................54
Hình 3.8. Sơ đồ đường cong độ cao và độ sâu của địa hình lục địa và đại dương.......59 Hình
4.1. Thí nghiệm con lắc đơn của Foucault..........................................................61 Hình 4.2.
Hiện tượng luân phiên ngày đêm trên Trái Đất ............................................62 Hình 4.3. Bản
đồ múi giờ theo giờ quốc tế..................................................................63
Hình 4.4. Ranh giới các múi giờ trên Trái Đất .............................................................65
Hình 4.5. Tác động của lực Coriolis.............................................................................67
Hình 4.6. Vị trí điểm Cận nhật và Viễn nhật của Trái Đất ..........................................69 Hình
4.7. Chuyển động biểu kiến quanh Mặt Trời.......................................................70
Hình 4.8. Địa đồ cầu .....................................................................................................73
Hình 4.9. Diện tích chiếu sang vào ngày 22/6 và 22/12 ...............................................75
Hình 4.10. Vành đai nhiệt theo vĩ độ (Trái) và theo đường đẳng nhiệt (Phải).............76
Hình 4.11. Vận động của Trái Đất và các mùa trong năm ...........................................78 Hình
4.12. Nhật thực toàn phần và bán phần trên Trái Đất..........................................79 5
Hình 4.13. Nguyệt thực toàn phần và bán phần trên Trái Đất......................................80 Hình
4.14. Hệ thống Trái Đất - Mặt Trăng...................................................................81 Hình 4.15.
Lực triều trên Trái Đất ................................................................................82
Hình 4.16. Triều chậm 50’ mỗi ngày............................................................................82 Hình
4.17. Thuỷ triều và tuần trăng..............................................................................83 Hình 5.1.
Sơ đồ phân biệt cấu trúc lớp vỏ Trái Đất và Thạch quyển ...........................85 Hình 5.2.
Thành phần và tỉ lệ các chất khí trong Khí quyển .......................................99 Hình 5.3. Các
đới gió và đới khí áp hành tinh ở mặt đất............................................101
Hình 5.4. Vòng tuần hoàn nước trên Trái Đất ............................................................115 Hình
5.5. Tỉ lệ tổng lượng nước và nước ngọt trên Trái Đất......................................116
Hình 5.6. Vị trí của 10 con sống dài nhất thế giới......................................................117
Hình 5.7. Vị trí của 10 hồ lớn nhất thế giới................................................................119 Hình
5.8. Các sống núi đại dương ..............................................................................123 Hình 5.9.
Vị trí lớp vỏ thổ nhưỡng ở lục địa ..............................................................127 Hình 5.10.
Thành phần vật chất trong đất...................................................................127 Hình 5.11. Sơ
đồ quá trình hình thành đất..................................................................131
Hình 5.13. Phạm vi của sinh quyển ............................................................................135 lOMoAR cPSD| 58137911
Hình 6.1. Vòng tuần hoàn của đá................................................................................144
Hình 6.2. Sự di chuyển của các khối khí ....................................................................145
Hình 6.3. Vòng tuần hoàn của nước ...........................................................................146 6 DANH MỤC BẢNG
Tên bảng ................................................................................................................Trang
Bảng 2.1. Quá trình tiến hóa của Vũ Trụ ......................................................................17 lOMoAR cPSD| 58137911
Bảng 2.2. Phân loại thiên hà theo hình thái của E. Hubble...........................................21
Bảng 2.3. Một số thông tin cơ bản về các hành tinh trong hệ Mặt Trời .......................33 Bảng
2.4. Khoảng cách và vệ tinh của các hành tinh trong Hệ Mặt Trời.....................36
Bảng 3.1. So sánh dạng geoid và dạng ellipsoid của Trái Đất......................................42
Bảng 3.2. Các số liệu cơ bản về kính thước Trái Đất ...................................................45 Bảng
3.3. Tỉ trọng và áp suất theo độ sâu bên trong lòng Trái Đất ..............................53
Bảng 3.4. Thành phần hóa học của Trái Đất theo một số tác giả nghiên cứu ..............54
Bảng 3.5. Bảng trị số Clack của các nguyên tố học học trên Trái Đất .........................56 Bảng
3.6. Thành phần hóa học của Manti.....................................................................57 Bảng 3.7.
Diện tích các lục địa và châu lục trên Trái Đất ............................................58
Bảng 3.8. Diện tích của các đại dương lớp trên Trái Đất .............................................58
Bảng 4.1. Góc nhập xạ vào những ngày 21/3, 22/6, 23/9, 22/12 tại một số vĩ độ........72
Bảng 4.2. Thời gian ngày dài nhất trong năm ở các vĩ độ thuộc Bán cầu Bắc và Bán cầu
Nam vào ngày 22/6 .................................................................................................75
Bảng 4.3. Số ngày hoặc đêm dài 24h ở các vĩ độ từ các vòng cực về các cực .............75
Bảng 5.1. Nhiệt độ và hướng gió ở một số vĩ độ trên Trái Đất ..................................100
Bảng 5.2. Biến đổi khí hậu từ sau Công nguyên đến thế kỉ XIX................................109 Bảng
5.3. Các thông số của 4 đại dương lớn trên Trái Đất.........................................114
Bảng 5.4. Thành phần không khí trong đất và trong khí quyển (%) ..........................129
Bảng 5.5. Các sinh đới lớn trên đất liền......................................................................136 7 lOMoAR cPSD| 58137911 GIỚI THIỆU
Giáo trình Khoa học Trái Đất được biên soạn hướng đến mục tiêu cung cấp tài liệu giảng
dạy cho sinh viên chuyên ngành Sư phạm Địa lí, đồng thời là tài liệu tham khảo cho các
chuyên ngành có liên quan đến mảng nội dung về Khoa học Trái Đất. Bên cạnh đó, giáo viên
ở các trường phổ thông cũng có thể sử dụng như một dạng học liệu để hỗ trợ dạy học, đặc
biệt là các hình ảnh, bảng số liệu, sơ đồ… Giáo trình Khoa học Trái Đất gồm 6 chương:
Chương 1 – Nhập môn Khoa học Trái Đất: Chương này khái quát những vấn đề chung
nhất về Khoa học Trái Đất, định hướng nội dung nghiên cứu các chương khác và khái quát
về những bộ môn khoa học có liên quan.
Chương 2 - Trái Đất trong Vũ Trụ và Hệ Mặt Trời: Chương này khái quát các vấn đề
cơ bản về Vũ Trụ, Hệ Mặt Trời, các hành tinh, các tiểu hành tinh,...; các giả thuyết về
nguồn gốc Vũ Trụ và Thái Dương hệ như giả thuyết BigBang, giả thuyết của các tác giả
C. Buffon, Jeans, Laplace, O. Y. Scmidth.
Chương 3 – Các đặc trưng cơ bản của Trái Đất: Chương này cung cấp cho người học
kiến thức về hình dạng, kích thước của Trái Đất; cấu tạo, các đặc tính vật lí, sự phân bố của
lục địa và đại dương trên Trái Đất
Chương 4 – Vận động của Trái Đất: Chương này cung cấp cho người học kiến thức về
các chuyển động của Trái Đất và hệ quả của nó bao gồm: vận động tự quay quanh trục, vận
động quanh Mặt Trời và sự vận động của hành tinh đôi Trái Đất - Mặt Trăng.
Chương 5 – Các hợp phần của Trái Đất: Chương này cung cấp cho người học kiến
thức về đặc điểm các quyển của Trái Đất bao gồm Thạch quyển, Khí quyển, Thủy quyển,
Thổ Nhưỡng quyển và Sinh quyển.
Chương 6 – Các quy luật chung của Trái Đất: Chương này cung cấp cho người học
kiến thức về khái niệm, nguyên nhân, biểu hiện và ý nghĩa của các quy luật chung trên Trái
Đất bao gồm: quy luật hoàn chỉnh và thống nhất, quy luật tuần hoàn vật chất và năng lượng,
quy luật nhịp điệu, quy luật địa đới và phi địa đới.
Bên cạnh các kiến thức đã cung cấp, người học còn được rèn luyện kĩ năng thông qua
các hoạt động học tập gắn với từng chương, từ đó, phát triển được các năng lực tự học, tính
toán, ngôn ngữ, giải quyết vấn đề,… và các năng lực đặc thù của khoa học Địa lí như: năng
lực tổng hợp lãnh thổ, năng lực sử dụng số liệu thống kê, năng lực sử dụng bản đồ, năng lực
sử dụng biểu đồ - tranh ảnh,… Nhóm tác giả lOMoAR cPSD| 58137911 8
Chương 1 – NHẬP MÔN KHOA HỌC TRÁI ĐẤT
1.1. QUAN NIỆM VỀ KHOA HỌC TRÁI ĐẤT
Khoa học Trái Đất hay Các Khoa học về Trái Đất (“Geosciences” hoặc “Earth Sciences”)
là ngành khoa học đa lĩnh vực bao gồm tất cả các khoa học liên quan đến Trái Đất. Có rất
nhiều cách tiếp cận khác nhau trong nghiên cứu về Khoa học Trái Đất vì Trái Đất vốn dĩ là
một hệ thống phức tạp, giống như cơ thể con người, bao gồm đa dạng các thành phần và
chúng tương tác với nhau theo những cách rất phức tạp. Trong các nghiên cứu phổ biến về
Khoa học Trái Đất, các nhà khoa học thường tiếp cận dưới dạng nghiên cứu chuyên sâu Khí
quyển, Thạch quyển, Thủy quyển, Thổ nhưỡng quyển và Sinh quyển, … của Trái Đất như
một hệ thống nhất. Trái Đất của chúng ta đã và đang thay đổi trên tất cả các thước đo không
gian và thời gian. Vì vậy nghiên cứu Khoa học Trái Đất có ý nghĩa rất quan trọng giúp con
người hiều biết sâu sắc hơn về nơi mà chúng ta đang sinh sống, từ đó có những ứng xử phù
hợp hơn. Ngày nay, nghiên cứu về khoa học về Trái Đất được chia thành nhiều ngành, trong đó có sáu nhóm lớn:
– Nghiên cứu nước và không khí trong hoặc trên bề mặt rắn của Trái Đất, bao gồm nghiên cứu
nước trên và trong lòng đất (Thủy văn), sông băng và chỏm băng Băng hà), đại dương (Hải
dương học), bầu khí quyển và các hiện tượng của nó (Khí tượng học), và khí hậu trên thế
giới (Khí hậu học). Các lĩnh vực nghiên cứu này được nhóm lại ở 2 ngành: khoa học Khí
quyển và khoa học Thủy quyển.
– Các nghiên cứu liên quan đến cấu tạo vật lí - hóa học ở bề mặt rắn của Trái Đất, baogồm
nghiên cứu về khoáng vật (Khoáng vật học), ba nhóm đá chính (đá badan, trầm tích và biến
chất), hóa học của đá (Địa hóa học), các cấu trúc bên trong các lớp đá
(Địa chất cấu trúc), và các đặc tính vật lí của đá trên và bên trong bề mặt
Trái Đất (Địa vật lí).
– Nghiên cứu về địa mạo (Địa mạo), liên quan đến việc mô tả các đặc điểm của các dạngđịa
hình trên bề mặt Trái Đất và phân tích các quá trình hình thành chúng.
– Các nghiên cứu liên quan đến lịch sử địa chất của Trái Đất, bao gồm nghiên cứu hóathạch
và ghi chép hóa thạch (Cổ sinh vật học), sự phát triển của các tầng trầm tích được lắng đọng
thường xuyên qua hàng triệu năm (Địa tầng), hóa học đồng vị và xác định niên đại của đá (Địa chất học).
– Các nghiên cứu ứng dụng Khoa học Trái Đất để giải quyết các vấn đề trong thực tiễncuộc
sống, bao gồm nghiên cứu về nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, khí đốt tự nhiên và than đá); hồ
chứa dầu; mỏ khoáng sản; năng lượng địa nhiệt; cấu trúc và thành phần của nền móng cho
vị trí của lò phản ứng hạt nhân, đường xá, đập, và các tòa nhà chọc trời; các nguy cơ liên
quan đến tuyết lở đá và bùn, núi lửa phun, động đất và sự cố sập hầm mỏ; xói mòn ven biển, vách đá và đất...
– Nghiên cứu về hồ sơ đá trên Mặt Trăng, các hành tinh và vệ tinh của chúng (địa chất học
chiêm tinh). Lĩnh vực này bao gồm việc điều tra các đặc điểm có liên 9
quan trên mặt đất — cụ thể là tektites (các vật thể thủy tinh do tác động của thiên thạch) và
astrobleme (hố thiên thạch). lOMoAR cPSD| 58137911
1.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRÁI ĐẤT
Phương pháp nghiên cứu Khoa học Trái Đất rất đa dạng, tùy thuộc vào bản chất của các
đối tượng được nghiên cứu mà lựa chọn phương pháp phù hợp. Các nghiên cứu phổ biến
trong Khoa học Trái Đất thường tập trung vào ba nhóm: lí thuyết, quan sát và thực nghiệm.
− Nhóm phương pháp nghiên cứu lí thuyết: được tiến hành chủ yếu bằng cách tổng hợp, phân
tích các nguồn tài liệu đã nghiên cứu khác nhau để hình thành nên hệ thống lí thuyết mới.
Chẳng hạn, dựa vào các tài liệu Địa vật lí, người ta nghiên cứu được cấu trúc của thạch
quyển, manti và nhân Trái Đất; hoặc nghiên cứu biến thiên thế kỉ chu kì ngắn trường địa từ
và mối quan hệ giữa biến thiên thế kỉ chu kì ngắn trường địa từ và các hiện tượng vật lí địa
cầu khác (động đất, trọng lực, mực nước biển, sự quay trái đất,...). Bên cạnh đó còn có các
nghiên cứu lí thuyết nền tảng cho các hoạt động quan sát, thực nghiệm. Chẳng hạn, nghiên
cứu các thuật toán xử lí số liệu trong địa chấn thăm dò, ra đa xuyên đất, thăm dò điện, từ,
trọng lực; phát triển các kĩ thuật xử lí mới nhằm cải thiện chất lượng hình ảnh của mặt cắt
địa vật lí, tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu và biểu diễn đúng hơn cấu trúc môi trường bên dưới mặt đất.
− Nhóm phương pháp nghiên cứu qua quan sát: nhóm này thường áp dụng đối với các đối tượng
tồn tại trên bề mặt Trái Đất. Người nghiên cứu có thể quan sát trực tiếp ngoài thực địa hoặc
gián tiếp qua ảnh vệ tinh, viễn thám,…
− Nhóm phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: bao gồm phương pháp thăm dò địa chấn, từ,
trọng lực, từ tellua, thăm dò điện, phóng xạ và ra đa xuyên đất trong khảo sát và thăm dò
khoáng sản (khoáng sản rắn, dầu khí,...), địa chất công trình, nghiên cứu ô nhiễm môi trường,
khảo sát cấu trúc địa chất, đánh giá tai biến địa chất (đứt gãy, sạt lở), khảo sát địa chất thủy
văn, đo vẽ bản đồ công trình ngầm đô thị và đánh giá chất lượng công trình.
Bên cạnh những phương pháp trên, trong nghiên cứu Khoa học Trái Đất người ta còn
áp dụng nhiều phương pháp khác như: mô hình hóa (mô hình toán học, mô sinh vật lí, mô
hình hóa học, mô hình sinh học,…), phân tích dữ liệu trên máy tính,..
1.3. MỐI QUAN HỆ GIỮA KHOA HỌC TRÁI ĐẤT VÀ CÁC KHOA HỌC KHÁC
Khoa học Trái Đất có mối quan hệ chặt chẽ với các ngành khoa học khác như Thiên văn
học, Vật lí học, Hóa học, Sinh học, Toán học, Tin học... Kết quả nghiên cứu của các ngành
khoa học khác là tiền đề cho Khoa học Trái Đất; ngược lại, Khoa học Trái Đất làm sáng tỏ
những lí thuyết của các khoa học khác và đặt ra những vấn đề để các khoa học khác tiếp tục nghiên cứu giải quyết. 10
− Thiên văn học (Astronomy) là lĩnh vực khoa học nghiên cứu các thiên thể và các hiện tượng
tự nhiên có nguồn gốc từ Vũ Trụ. Trong mối quan hệ với Khoa học Trái Đất, Thiên văn học
nghiên cứu những yếu tố Vũ Trụ tác động trực tiếp đến Trái Đất như: sự phát triển, tính chất
vật lí, hóa học, chuyển động, khí tượng học của các vật thể Vũ Trụ và sự hình thành Vũ Trụ.
Nội dung nghiên cứu Thiên văn học được chia làm 3 phần chính là: Quy luật chuyển động lOMoAR cPSD| 58137911
của các thiên thể trong mối quan hệ giữa Trái Đất và bầu trời, cấu trúc cũng như bản chất vật
lí của các thiên thể và các quá trình xảy ra trong Vũ Trụ, nguồn gốc hình thành và phát triển của thiên thể.
− Vật lí học (Physics) là lĩnh vực khoa học nghiên cứu về vật chất và chuyển động của nó trong
không gian và thời gian, cùng với những khái niệm liên quan như năng lượng và lực. Ở góc
độ khái quát, Vật lí học là khoa học nghiên cứu về vật chất và sự tương tác của vật chất. Ở
góc độ chi chi tiết, Vật lí học là khoa học nghiên cứu về các quy luật vận động của tự nhiên,
từ thang vi mô (các hạt cấu tạo nên vật chất) cho đến thang vĩ mô (các hành tinh, thiên hà và
Vũ Trụ). Đối tượng nghiên cứu chính của vật lí hiện nay bao gồm vật chất, năng lượng, không
gian và thời gian. Kết quả nghiên cứu của vật lí học là cơ sở để giải thích hiện tượng tự nhiên
trên Trái Đất như: hình dạng Trái Đất, thủy triều trên Trái Đất, tính chất của các loại đá,…
− Hóa học (Chemistry) là khoa học nghiên cứu về thành phần, cấu trúc, tính chất, và sự thay đổi
của vật chất. Hóa học nghiên cứu về các nguyên tố, hợp chất, nguyên tử, phân tử, và các phản
ứng hóa học xảy ra giữa những thành phần đó. Nhờ các thành tựu nghiên cứu trong lĩnh vực
hóa học, các thành phần vật chất của lớp vỏ, lớp Manti, lớp Nhân của Trái Đất được mô tả
rất chi tiết hơn. Bên cạnh đó tỉ lệ của các nguyên tố trong các quyển của Trái Đất được phân
tích một cách chi tiết và ngày càng chính xác hơn.
− Sinh học (Biological) là khoa học nghiên cứu về đặc điểm cấu tạo và hoạt động của các cơ thể
sống, giải thích bản chất của các hiện tượng sống, cơ chế của các quá trình diến ra trong các
tổ chức sống, khám phá các quy luật phát sinh phát triển của sinh giới trên Trái Đất. Các
thành tựu nghiên cứu của lĩnh vực sinh học không chỉ giúp con người nhận thức đúng nguồn
gốc tự nhiên của sự sống mà còn giúp con người vận dụng có hiệu quả các quy luật đó vào
thực tiễn điều khiển, cải biến sinh vật phục vụ cho mục đích của mình. Đối tượng của sinh
học là sự sống, một dạng vật chất phức tạp, vì vậy so với các ngành khoa học tự nhiên khác
như vật lí học, hoá học, địa chất học thì sinh học đã ra đời sau và phát triển muộn hơn, tuy
nhiên thành tựu nghiên cứu của sinh học góp phần rất lớn trong việc giải quyết mối quan hệ
giữa sinh quyển với các quyển khác của Trái Đất.
− Bên cạnh các ngành khoa học trên thì Toán học (Math) và Tin học (Information
Technology) cũng là những bộ môn khoa học có nhiều đóng góp chi sự phát triển của khoa
học Trái Đất, đặc biệt trong lĩnh vực đo đạc, số hóa và phân tích các dữ liệu, các lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao. 11
Ngoài mối liên hệ với các ngành khoa học khác thì bản thân các ngành khoa học Trái
Đất cũng rất đa dạng, về mặt lí thuyết lẫn ứng dụng nhằm xây dựng một sự hiểu biết định
lượng về các yếu tố chính (hay còn gọi là các quyển) của Trái Đất và sự tương tác giữa chúng. lOMoAR cPSD| 58137911
1.4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA KHOA HỌC TRÁI ĐẤT
Khoa hoc Trái Đất có nhiều đóng góp cho khoa học, kiến thức thu được từ các nghiên
cứu của Khoa hoc Trái Đất giúp xã hội thích ứng tốt hơn với môi trường theo nhiều cách.
Kiến thức nghiên cứu về cấu trúc, địa tầng và thành phần hóa học của vỏ Trái Đất giúp chúng
ta xác định được các nguồn tài nguyên giúp duy trì và nâng cao chất lượng cuộc sống. Hiểu
được các lực trong lớp vỏ và các quá trình tự nhiên trên bề mặt cho phép chúng ta dự đoán
các thảm họa tự nhiên như núi lửa và động đất cũng như môi trường địa chất; chẳng hạn như
các hoạt động khai thác gây hại hoặc xử lí chất thải không đúng cách, cung cấp cho chúng ta
thông tin để điều chỉnh các hoạt động như vậy và thiết kế thêm thủ tục lành tính cho tương
lai. Việc nhận thức toàn diện về hành tinh sẽ cho phép chúng ta dự đoán những thay đổi lớn
của môi trường toàn cầu và kiểm soát hoặc thích nghi với những thay đổi đó. Có thể thấy
Khoa học Trái Đất có rất nhiều ý nghĩa, điển hình như:
− Vẽ lại bức tranh thế giới cổ đại: Khoa học Trái Đất mô tả quá trình hình thành và vận động
của vỏ trái đất từ cách đây 4-5 tỉ năm cho đến cấu tạo bình ổn hiện nay chứng minh sự hội
tụ và di chuyển các mảng thạch quyển là nguyên nhân dẫn đến quá trình hình thành các hoạt
động tạo núi, tạo sông, phát sinh núi lửa, động đất… Thế giới cổ đại đã từng có những loài
sinh vật nào từng tồn tại – các nhà Cổ sinh vật học đã, đang và sẽ trả lời qua việc nghiên cứu
các hóa thạch (hóa đá của các sinh vật). Các nền văn minh của con người đều phụ thuộc vào
điều kiện khí hậu, điều kiện sinh thái mà phát triển hoặc suy thoái, vì vậy, các kết quả nghiên
cứu cổ sinh thái khí hậu đã làm sáng tỏ bức tranh tiến hóa của con người.
− Nghiên cứu và dự báo sự biến đổi của khí hậu: Biến đổi khí hậu, sự ấm dần lên của Trái
Đất và ô nhiễm môi trường đang là những chủ đề thu hút sự quan tâm của toàn nhân loại.
Các nhà khoa học Trái Đất đang nỗ lực để tìm ra nguyên nhân và biện pháp khắc phục, dự
báo xu thế biến đối để giúp con người kịp thời ứng phó với biến đổi khắc nghiệt của thiên nhiên.
− Nghiên cứu và dự báo thiên tai: Việc lắp đặt và phân tích các thông tin thu nhận từ hàng trăm
trạm địa chấn đặt khắp nơi trên thế giới đã giúp con người ngày càng hiểu rõ hơn về nguyên
nhân của những thiên tai khủng khiếp như động đất, núi lửa và sóng thần. Kết hợp với việc
phân tích các dữ liệu từ các nguồn đo đạc và quan trắc Trái Đất khác như GPS (hệ thống
định vị toàn cầu), địa hóa... con người đang cố gắng tăng dần khả năng dự đoán chính xác
thiên tai, từ đó đưa ra các biện pháp dự phòng thích hợp để hạn chế đến mức tối đa thiệt hại về người và của. 12
− Thăm dò tài nguyên và khoáng sản: Các chuyên ngành khoa học Trái Đất như Địa vật lí,
Địa hóa học và Địa chất được sử dụng rất rộng rãi trong việc thăm dò tài nguyên và khoáng
sản. Các phương pháp địa vật lí như địa chấn khúc xạ và phản xạ, các phương pháp từ và
trọng lực... là công cụ đắc lực giúp con người tìm ra các nguồn nguyên liệu cơ bản như dầu
khí, than đá, các khoáng sản như vàng, đồng, đá quý... trên đất liền cũng như ngoài khơi. lOMoAR cPSD| 58137911
− Khảo sát, quy hoạch công trình, du lịch sinh thái: Tại mọi nơi từ đồi núi, đồng bằng hay trên
biển, đại dương, mọi hoạt động của con người đều dựa trên nền tảng hạ tầng cơ sở. Hơn ai
hết những người nghiên cứu, làm việc trong các ngành Khoa học Trái Đất hiểu rõ tính chất
và đặc điểm của môi trường để từ đó vạch ra được những kế hoạch phát triển mang tính
khoa học và bền vững. Từ việc xây dựng các công trình nhà ở, nhà máy, thủy điện, đê sông,
đê biển, hải cảng, bến tàu, giàn khoan dầu, ống dẫn dưới lòng biển…, đến việc quy hoạch
vùng khai thác nước ngọt, khai thác thủy sản, vùng du lịch và bảo tồn sinh thái…
− GIS: Hệ thống thông tin địa lí (Geographic Information System, viết tắt là GIS) sử dụng các
ứng dụng của tin học để tích hợp, phân tích, minh họa dữ liệu; nhận dạng mối quan hệ, mô
hình, xu hướng và tìm ra các giải pháp giải quyết một vấn đề nào đó. Hệ thống GIS được
thiết kế nhằm nhập dữ liệu, cất giữ, cập nhật, quản lí, tính toán, phân tích và hiển thị kết quả
ở dạng địa lí hay là các bản đồ kết quả.
− Viễn Thám: Công nghệ Viễn thám (Remote Sensing RS) giúp thu thập và phân tích các thông
tin về môi trường và bề mặt Trái Đất thông qua các ảnh số thu thập được từ các vệ tinh, máy
bay, các cảm biến mặt đất. Dữ liệu thu thập được từ các thiết bị trên thường được lưu trữ
dưới dạng số, hoặc thể hiện năng lượng bức xạ hoặc phản xạ của vật thể trên bề mặt Trái
Đất hoặc năng lượng bức xạ hoặc phản xạ của tầng khí quyển; hoặc thể hiện tín hiệu được
truyền từ vệ tinh sau đó phản xạ lại.
Như vậy, Khoa học Trái Đất giúp đánh giá, khai thác và giữ gìn các nguồn tài nguyên:
đánh giá trữ lượng, chất lượng và khai thác khoáng sản, bảo vệ nguồn tài nguyên nước sạch,
phát triển du lịch sinh thái, sử dụng tài nguyên trong các lĩnh vực công nghệ… Phát triển
bền vững: Đánh giá, quản lí, quy hoạch và đưa ra các giải pháp phát triển bền vững: các
vấn đề về môi trường, quy hoạch đô thị và nông thôn, xây dựng các công trình nhân sinh...
Hạn chế rủi ro: Dự báo, đánh giá các hiểm họa thiên nhiên: động đất, núi lửa, bão lụt…
cũng như những rủi ro do hậu quả của hành vi nhân sinh: ô nhiễm môi trường đất, nước,
không khí... Và nâng cao sự hiểu biết của chúng ta về Trái Đất.
Hướng dẫn nghiên cứu tài liệu chương 1:
1. Trình bày quan niệm về Khoa học Trái Đất.
2. Sơ đồ hóa các lĩnh vực nghiên cứu của Khoa học Trái Đất. 13
3. Cho ví dụ về việc áp dụng các phương pháp nghiên cứu Khoa học Trái Đất.
4. Sơ đồ hóa mối liên hệ giữa Khoa học Trái Đất với các khoa học khác. 5.
Nghiên cứu Khoa học Trái Đất mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn gì? lOMoAR cPSD| 58137911 14
Chương 2 – TRÁI ĐẤT TRONG VŨ TRỤ VÀ HỆ MẶT TRỜI 2.1. VŨ TRỤ
2.1.1. Quan niệm về Vũ Trụ
Từ khi loài người xuất hiện, Vũ Trụ đã trở thành một bức màn bí ẩn chứa đựng nhiều
điều là xã hội loài người muốn khám phá, giải thích. Việc tìm hiểu về nguồn gốc Vũ Trụ đã
được con người quan tâm từ rất sớm. Ở mỗi quốc gia, khu vực, tôn giáo lại có một cách hiểu
khác nhau về Vũ Trụ. Vì vậy, đã có nhiều quan niệm về Vũ Trụ như sau:
Theo Triết học phương Tây: “Vũ Trụ là toàn bộ thế giới hiện hữu mà con người nhận thức được”.
Theo Triết học phương Đông: “Tứ phương, thượng hạ viết vũ, vãng cổ lai kim viết trụ”.
Có nghĩa: bốn phương, trên dưới là Vũ, từ cổ đến nay là Trụ”. Vậy, có thể hiểu Vũ Trụ là
không gian và thời gian, đây là hai yếu tố vĩnh cửu.
Theo NASA (National Aeronautics and Space Administration):“Vũ Trụ là tất cả vật chất
và năng lượng, bao gồm cả Trái Đất, các thiên hà, và những gì chứa đựng trong không gian”.
Những kết quả quan trắc và nghiên cứu hiện nay cho thấy Vũ Trụ là vô tận. Vũ Trụ mà
con người biết hiện nay có bán kính đến hàng tỉ năm ánh sáng (*1 năm ánh sáng = 9,46 ngàn
tỉ km, tương đương 6.300 đơn vị thiên văn, 1 đơn vị thiên văn = 150 triệu km ), vật chất ở
đây tồn tại dưới dạng các sao và có khả năng tự phát sáng, các sao này phân bố không đều
trong không gian, tập trung thành những hệ sao có hình dạng khác nhau được gọi là các thiên
hà. Nguyên tố hóa học phổ biến trong Vũ Trụ là H và He,
chúng tạo nên 98% khối lượng các ngôi sao và thiên hà.
Các sao phân bố không đều trong không gian, tập trung thành những hệ có hình dạng
xác định gồm hàng tỉ sao và được gọi là Thiên hà. Các thiên hà thường có dạng Ellip, dạng
đĩa xoắn với đường kính hàng trăm ngàn năm ánh sáng.
Như vậy, có thể hiểu Vũ Trụ là khoảng không gian vô cùng vô tận chứa các Thiên hà
(trong đó có Thiên hà chứa Hệ Mặt Trời gọi là Ngân hà) với hàng tỉ ngôi sao và vật chất Vũ Trụ.
2.1.2. Nguồn gốc Vũ Trụ
a. Một số giả thuyết của phương Đông và phương Tây
* Các giả thuyết của phương Đông -
Thuyết Ngũ hành: Theo Triết học cổ Trung Hoa, tất cả vạn vật đều phát sinh từ
5 nguyên tố cơ bản và luôn luôn trải qua 5 trạng thái được gọi là: Mộc, Hỏa, Thổ, Kim và
Thủy. Năm trạng thái này được gọi là Ngũ hành (không phải là vật chất như cách hiểu đơn
giản theo nghĩa đen trong tên gọi của chúng mà đúng hơn là cách quy ước của người Trung
Hoa cổ đại để xem xét mối tương tác và quan hệ của vạn vật). 15 lOMoAR cPSD| 58137911 -
Thuyết về khí: Coi sinh khí nguyên thủy là cơ sở hình thành Vũ Trụ. Theo
thuyết nàythì phần nhẹ và trong suốt của khí là “nguyên thể dương” tức là trời, phần đục
và nặng của khí là “nguyên thể âm” tức là đất. Âm và dương tương tác tạo thành vạn vật.
* Các giả thuyết của phương Tây lOMoAR cPSD| 58137911 -
Talet (Thales VII – VI trước CN) nhà Toán học, Triết học Hy Lạp cho rằng nước
lànguyên tố cơ bản của Vũ Trụ, nước luôn vận động nhưng trước sau không thay đổi và do
đó hòa tan mọi vật. Bởi vậy nước là nguồn gốc của Vũ Trụ. -
Anaximăngđrơ (Anaximangdre 611 – 547 trước CN) nhà Triết học Hy Lạp cho
rằngnguồn gốc của Vũ Trụ là vô cực. Vũ Trụ chia thành 2 mặt như khô và ướt, nóng và lạnh,
rồi kết hợp với nhau phức tạp mà thành mọi vật như đất, nước, không khí, lửa… Đồng thời
ông cho rằng Vũ Trụ không ngừng phát triển, không ngừng hình thành, không ngừng sản sinh ra những vật mới. -
Arixtôt (Aristote 384 – 322 trước CN) nhà Triết học Hy Lạp tin rằng Vũ Trụ
đượctạo nên bởi sự vận động của 4 yếu tố ban đầu: Đất, nước, không khí và lửa. Mỗi chuyển
động và biến đổi của Vũ Trụ có thể được giải thích trên cơ sở vận động của các yếu tố này.
Từ những quan niệm trên, chúng ta thấy mỗi tôn giáo, tín ngưỡng, thời đại và khu vực
lại có những quan niệm khác nhau về Vũ Trụ, nhưng đến khoa học hiện đại ngày nay đã chỉ
ra rằng những quan niệm đó còn rất mơ hồ và có ít cơ sở khoa học. Đến đầu thế kỉ XX một
thuyết mới về Vũ Trụ ra đời đó là thuyết Big bang, thuyết này đã nhanh chóng được nhiều người quan tâm.
b. Giả thuyết Vụ nổ lớn (Big Bang)
Theo nhà vật lí thiên văn và toán học G.Le Maitre (người Bỉ - 1927) thì: Vũ Trụ là “Trứng
Vũ Trụ”, “Trứng” này là một nguyên tử nguyên thủy, chứa đựng toàn bộ vật chất bị nén ép
trong một không gian cực kì nhỏ bé, nên nó đậm đặc và nhiệt độ vô cùng cao. Nó ở trạng
thái không ổn định và đột nhiên tạo ra một vụ nổ vĩ đại vào khoảng 15 tỉ năm trước đây. Vụ
nổ đã làm cho vật chất bắn tung ra tứ phía, tạo nên những đám khí và bụi khổng lồ. Hàng tỉ
năm sau khi nhiệt độ giảm thì ánh sáng mới xuất hiện, rồi hàng tỉ năm sau những đám khí
và bụi mới dần dần co lại dưới tác động của lực hấp dẫn, chúng tự quay và cuộn xoáy lên,
tạo thành những thiên hà hình xoắn ốc với vô vàn hệ sao.
Thuyết Big bang mở ra một cách tiếp cận mới trong nghiên cứu Vũ Trụ và đã được nhiều
nhà khoa học hưởng ứng rộng rãi. Hiện nay, thuyết này đang được kiểm nghiệm và đã có
những cơ sở khoa học đầu tiên, đặc biệt là bằng cỗ máy gia tốc khổng lồ được đặt ở biên
giới giữa Thụy Sỹ và Pháp.
Như vậy, theo lí thuyết Big Bang, Vũ Trụ ra đời từ một vụ nổ lớn diễn ra trong quá khứ
cách hiện tại khoảng 15 tỉ năm. Quá trình tiến hóa của Vũ Trụ từ đó đến nay như bảng dưới đây: 16 Bảng
2.1. Quá trình tiến hóa của Vũ Trụ Mốc
Đặc điểm Vũ Trụ và quá trình tiến hóa thời gian t=0
Vũ Trụ ra đời, nhiệt độ và mật độ vật chất vô cùng lớn. lOMoAR cPSD| 58137911 t=10-43s
Nhiệt độ T≥10-32K, kích thước Vũ Trụ d=10-32cm, mật
độ vật chất m=1094g/cm3 t=10-35s
Nhiệt độ T=1027K, thể tích tăng lên 10150 lần, kích thước
tăng 1050 lần, Vũ Trụ giãn nở theo hàm số mũ, hình thành
các hạt quark, leptron (electron và nơtrino) và các phản hạt
của chúng, các hạt ánh sáng (photon) chiếm ưu thế.
Downloaded by Linh Nguyen (linhnguyen246028@gmail.com) T=10-6s
Nhiệt độ T=1013 K, kích thước Vũ Trụ xấp xỉ kích thước
Hệ Mặt Trời, các hạt quark và phản quark kết hợp thành các
hadron (proton, nơtron và các phản hạt của chúng), các hadron chiếm ưu thế. T=10-3s
Nhiệt độ T=1012 K, các leptron (electron và nơtrino)
chiếm ưu thế và cân bằng với các photon. T=1s
T=6.109K – 1010K, mật độ vật chất m=100kg/cm3, Vũ Trụ
chấm dứt thời kì hạt, bước vào thời kì bức xạ kéo dài
380.000 năm, Vũ Trụ giãn nở với căn bậc 2 của thời gian,
proton và nơtron bắt đầu kết hợp với nhau để tạo ta dôton (hạt nhân dơteri). T=100s
T=109K, thời kì tổng hợp hạt nhân dơteri kết hợp với nơtron
tạo ra He3, He3 kết hợp với proton tạo ra He4. Vũ Trụ bao
gồm các hạt hidro (chiếm ¾) và Heli (1/4) t=15
T=106K, kết thúc thời kì tổng hợp hạt nhân nguyên thủy, phút
Vũ Trụ tiếp tục nở và lạnh đi. T=
T=3.000K, bắt đầu thời kì vật chất, electron kết hợp với các 300.000
hạt nhân để tạo ra các nguyên tử (hidro và heli) vật chất và
bức xạ tách rời nhau, Vũ Trụ giãn nở theo hàm lũy thừa của đến thời gian t2/3. 400.000 năm T=200
Những ngôi sao đầu tiên ra đời triệu năm t= 1 tỉ
Hình thành các thiên hà và các quark đầu tiên. năm T=10,4
Hình thành Hệ Mặt Trời. tỉ năm Hiện T = 2,7535 – 3K nay, t= 15 tỉ năm lOMoAR cPSD| 58137911
(Nguồn: Lưu Đức Hải – Trần Nghi, 2000) 17
Sự ủng hộ của cộng đồng khoa học cho lí thuyết Big Bang dựa trên ba bằng chứng khoa
học lớn của thế kỉ: kết quả quan sát sự dịch chuyển về phía vạch đỏ của quang phổ từ các
thiên hà, bức xạ tàn dư hay bức xạ phông Vũ Trụ, khả năng tiên đoán của lí thuyết. Vũ Trụ
hiện nay có vẻ như bị thống trị bởi một dạng năng lượng bí ẩn được gọi là năng lượng tối.
Khoảng 70% năng lượng toàn phần của Vũ Trụ tồn tại ở dạng này.
Sự có mặt của dạng năng lượng này được suy ra từ sai khác giữa sự giãn nở của Vũ Trụ
và công thức liên hệ giữa tốc độ - khoảng cách làm cho thời gian giãn nở nhanh hơn trông
đợi tại các khoảng cách lớn. Năng lượng tối xuất hiện như một hằng số Vũ Trụ trong các
phương trình Einstein của lí thuyết tương đối rộng. Nhưng bản chất chi tiết về phương trình
trạng thái và mối liên hệ với mô hình chuẩn của vật lí hạt vẫn chưa sáng tỏ, cần được nghiên
cứu cả về lí thuyết lẫn thực nghiệm.
2.1.3. Các mô hình Vũ Trụ
a. Mô hình Vũ Trụ Địa tâm của Clôt Ptôlêmê (Claude Ptolêmée)
Clôt Ptôlêmê (100 – 170 sau CN), nhà toán học, thiên văn học Hy Lạp đã đưa ra mô hình
Vũ Trụ Địa tâm để giải thích đặc điểm chuyển động của các thiên thể. Clôt Ptôlêmê cho rằng
Trái Đất là trung tâm Vũ Trụ. Vũ Trụ bị giới hạn bởi một mặt cầu chứa các ngôi sao cố định,
mặt cầu quay xung quanh một trục qua tâm Trái Đất. Mặt Trời, Mặt Trăng và các hành tinh
quay xung quanh Trái Đất. Người Hy Lạp cổ đại và các nhà triết học thời Trung Cổ thường
quy mô hình Địa tâm đi cùng với Trái Đất hình cầu. Vì thế nó không giống với mô hình Trái
Đất phẳng từng được đưa ra trong một số thần thoại.
Hình 2.1. Mô hình Vũ Trụ của C.Ptôlêmée 18 lOMoAR cPSD| 58137911
Mô hình Vũ Trụ Địa tâm không thể hiện đúng bản chất của Vũ Trụ, nhưng lại phù hợp
với hiện tượng quay nhìn thấy của bầu trời. Bởi hàng ngày chúng ta thấy Mặt Trời, các vì
sao cứ mọc ở phía đông đi qua đầu chúng ta rồi lại lặn ở phía tây, hiện tượng này là do chúng
ta đứng trên Trái Đất đang quay quanh trục rất nhanh theo hướng từ tây qua đông nhìn về
các thiên thể khác gần như đứng yên. Vì vậy, có cảm nhận như là các thiên thể đang quay
quanh chúng ta chứ không phải chúng ta đang quay (hiện tượng này giống như chúng ta ngồi
trên tàu hỏa nhìn qua cửa kính khi tàu chạy, ta thấy mọi vật chạy ngược lại với chúng ta chứ
không phải tàu chạy). Một thực tế là thời bấy giờ chưa có một quan niệm hay chứng minh
nào về hiện tượng quay của Trái Đất. Ngoài ra, mô hình này còn phù hợp với giáo lí của nhà
thờ, nên được Giáo hội bảo vệ. Vì vậy, đã chi phối nền thiên văn học châu Âu trong suốt 14
thế kỉ, mãi tới thời kì Phục hưng thuyết này mới bị đánh đổ bởi thuyết Nhật tâm của Côpecnic.
b. Mô hình Vũ Trụ Nhật tâm của N. Côpecnic (N.Copernic 1473 – 1543)
Mô hình Vũ Trụ Nhật tâm của N.Côpecnic ra đời vào năm 1543. Mô hình cho rằng Mặt
Trời nằm yên ở trung tâm Vũ Trụ, các hành tinh chuyển động quanh Mặt Trời trên các quỹ
đạo tròn. Trái Đất quay quanh trục của nó trong khi chuyển động quanh Mặt Trời.
Mô hình này đã mô tả đúng về cấu trúc của Hệ Mặt Trời, người ta đã giải thích một cách
dễ dàng các đặc điểm chuyển động nhìn thấy của các thiên thể. Tuy nhiên, ngày nay chúng
ta chưa thể xác định được trung tâm của Vũ Trụ nằm ở đâu, quỹ đạo chuyển động của hành
tinh quanh Mặt Trời không phải là quỹ đạo tròn. Nhưng mô hình Vũ Trụ Nhật tâm đã đánh
dấu bước ngoặt trong nhận thức của con người về Vũ Trụ và được coi là cuộc cách mạng
khoa học kĩ thuật lần thứ nhất của loài người.
Hình 2.2. Mô hình Vũ Trụ của N.Copecnic 19 lOMoAR cPSD| 58137911
2.1.4. Hiện tượng giãn nở Vũ Trụ
Năm 1929 nhà thiên văn người Mỹ Hơpbơn (Hubble) trong khi quan sát các thiên hà
trong Vũ Trụ đã phát hiện ra sự thay đổi khoảng cách của 24 thiên hà đã được đo tính kĩ từ
trước, đó là các thiên hà đều rời ra xa nhau, tốc độ rời xa của chúng tỉ lệ thuận với khoảng
cách đến người quan sát. Đó là hiện tượng rời ra xa nhau của các thiên hà và mở rộng khoảng
cách giữa chúng, tốc độ chuyển động rời xa và mở rộng khoảng cách giữa chúng tỉ lệ thuận
với cự ly giữa chúng với chúng ta và giữa chúng với nhau (tuân theo định luật Hubble), điều
này chứng tỏ Vũ Trụ đang giãn nở.
Hiện các thiên hà vẫn tiếp tục giãn nở, có lẽ còn giãn nở cho đến một lúc nào đó lực đẩy
ra phía ngoài bị lực hấp dẫn triệt tiêu, lúc đó sự co lại và bị ép trong một khoảng không gian
nhỏ hẹp sẽ làm chúng bùng nổ trở lại. 2.2. THIÊN HÀ 2.2.1. Khái niệm
Thiên hà là một tập hợp gồm hàng tỉ ngôi sao có kích thước khác nhau phân bố theo hình dạng xác định.
Các sao trong mỗi thiên hà phân bố cũng không đều, đa số tập trung trong một mặt phẳng
được gọi là mặt phẳng chính hoặc mặt phẳng quỹ đạo của thiên hà.
* Kích thước của Thiên Hà
Hình 2.3. Kích thước của một thiên hà (Nguồn: NASA) 20