Một lần nhật thực hoặc nguyệt thực có thể có một sự kiện tương tự xảy ra sau đó khoảng 18 năm. Hai sự kiện có thể có vị trí thẳng hàng tương tự, khoảng cách Trái Đất–Mặt Trăng tương tự và đường đi tương tự qua hình học bóng của Trái Đất hoặc bóng của Mặt Trăng. Mối liên hệ này được gọi là chu kỳ Saros, một trong những ví dụ hữu ích nhất trong thiên văn học về một quy luật hình thành nhờ một số nhịp điệu không hoàn toàn trùng khớp nhưng gần như hòa hợp với nhau.
Một chu kỳ Saros kéo dài khoảng 18 năm, 11 ngày và 8 giờ. Đây không phải là lịch hẹn để một lần nhật thực giống hệt xảy ra phía trên cùng một thị trấn. Số giờ dư làm thay đổi hình học khi nhìn từ Trái Đất, trong khi những khác biệt nhỏ tích lũy qua mỗi lần lặp lại. Mỗi lần nhật thực hoặc nguyệt thực là một phần của chuỗi đang biến đổi, chứ không phải một loạt sự kiện trùng lặp vô tận.
Danh mục nguyệt thực cung cấp thông tin về từng sự kiện, bao gồm loại nguyệt thực, thời điểm tiếp xúc, thời lượng và khả năng quan sát tại vị trí của bạn. Chu kỳ Saros giải thích mối liên hệ sâu xa hơn giữa một số mục trong danh mục: vì sao một kiểu thẳng hàng nhất định có thể tái diễn nhiều thập kỷ sau.
3 nhịp điệu của Mặt Trăng phải gần như trùng khớp
Mặt Trăng có nhiều chu kỳ hữu ích. Chu kỳ pha của nó, hay tháng giao hội, trung bình dài 29,53059 ngày. Đây là khoảng thời gian từ kỳ trăng non này đến kỳ trăng non tiếp theo, hoặc từ kỳ trăng tròn này đến kỳ trăng tròn tiếp theo. Nhật thực cần xảy ra vào kỳ trăng non; nguyệt thực cần xảy ra vào kỳ trăng tròn. Vì vậy, trở lại đúng pha là điều kiện đầu tiên để nhật thực hoặc nguyệt thực lặp lại.
Nhịp điệu thứ hai liên quan đến quỹ đạo nghiêng của Mặt Trăng. Mặt phẳng quỹ đạo của nó nghiêng 5,14 độ so với mặt phẳng hoàng đạo, tức mặt phẳng quỹ đạo của Trái Đất quanh Mặt Trời. Hai mặt phẳng giao nhau theo một đường thẳng, còn các điểm Mặt Trăng đi qua mặt phẳng đó được gọi là các nút. Nhật thực hoặc nguyệt thực đòi hỏi Mặt Trăng ở gần một nút, đồng thời phải đúng pha. Khoảng thời gian giữa hai lần Mặt Trăng đi qua cùng một nút là một tháng giao điểm, dài khoảng 27,21 ngày.
Nhịp điệu thứ ba đo thời gian Mặt Trăng quay lại điểm cận địa, điểm gần Trái Đất nhất. Tháng cận điểm này kéo dài khoảng 27,55 ngày. Khoảng cách ảnh hưởng đến kích thước biểu kiến của Mặt Trăng và tốc độ chuyển động của nó trên quỹ đạo, vì vậy chu kỳ này lặp lại giúp tạo ra các lần nhật thực hoặc nguyệt thực có đặc điểm tương tự.
Các tháng này khác nhau vì hướng của các nút và điểm cận địa thay đổi từ từ. Chỉ một tháng thông thường không thể đưa cả 3 nhịp điệu trở lại điểm khởi đầu.
Phép tính đằng sau 18 năm
Chu kỳ Saros có được vì 223 tháng giao hội gần bằng 242 tháng giao điểm và 239 tháng cận điểm. Sau khoảng thời gian đó, Mặt Trăng quay lại gần đúng cùng pha, gần đúng cùng vị trí so với một nút và gần đúng cùng vị trí trong chu kỳ khoảng cách gần đến xa của nó.
Dùng độ dài trung bình của chu kỳ pha sẽ cho ta một ví dụ tính toán hữu ích: 223 × 29,53059 ngày = 6.585,32157 ngày. Phần lẻ, 0,32157 ngày, tương đương khoảng 7 giờ và 43 phút. Đây là cơ sở của cách diễn đạt quen thuộc được làm tròn: “18 năm, 11 ngày và 8 giờ”. Số ngày dư theo lịch thay đổi tùy số ngày nhuận đi qua; đôi khi có thể là khoảng 10 ngày thay vì 11 ngày.
Đây là sự gần trùng khớp, không phải bội số chung chính xác. Sự thẳng hàng với nút và khoảng cách không được đặt lại hoàn hảo, đó là lý do nhật thực hoặc nguyệt thực thay đổi khi chuỗi của nó kéo dài. Khoảng thời gian thực tế giữa các thời điểm tương ứng của các lần nhật thực và nguyệt thực cũng có đôi chút khác biệt, vì vậy cộng thêm độ dài Saros trung bình không thể thay thế việc tính toán thời điểm tiếp xúc của một sự kiện.
Còn một điểm cần phân biệt: chu kỳ 223 tháng nối một lần nhật thực với một lần nhật thực khác, hoặc một lần nguyệt thực với một lần nguyệt thực khác. Nó không biến nhật thực xảy ra vào kỳ trăng non thành nguyệt thực xảy ra vào kỳ trăng tròn. Hai loại này thuộc các chuỗi Saros riêng biệt.
Vì sao lần nhật thực tiếp theo dịch chuyển về phía tây
Phần lẻ của một ngày dư lại gây ra hệ quả địa lý đáng kể. Trái Đất tiếp tục quay trong khi chu kỳ Saros tiếp theo hoàn tất. Khoảng 8 giờ tương đương khoảng một phần ba vòng quay, vì vậy khu vực hướng về phía nhật thực dịch chuyển khoảng 120 độ kinh độ về phía tây từ sự kiện này sang sự kiện tiếp theo trong cùng chuỗi.
Với nhật thực, điều này giúp giải thích vì sao một lần xuất hiện muộn hơn trong chuỗi quen thuộc thường đi qua một phần khác của Trái Đất. Ngay cả khi vị trí thẳng hàng giữa Mặt Trời và Mặt Trăng gần giống sự kiện trước, địa điểm quan sát của bạn đã quay khỏi vị trí tương tự bên dưới bóng Mặt Trăng. Đường đi cũng dịch chuyển về phía bắc hoặc phía nam khi sự thẳng hàng thay đổi.
Với nguyệt thực, không có dải toàn phần hẹp nào chạy ngang bề mặt Trái Đất. Điều cần xét là những nơi nào có thể thấy Mặt Trăng phía trên đường chân trời trong từng giai đoạn. Sự dịch chuyển theo kinh độ làm thay đổi những khu vực trên thế giới có thể quan sát sự kiện, dù các vùng quan sát rộng vẫn có thể chồng lấn.
3 chu kỳ Saros tạo thành một exeligmos, kéo dài khoảng 54 năm và 1 tháng. Số giờ dư cộng lại gần bằng một ngày, đưa thời điểm trong ngày về gần với thời điểm ban đầu. Điều này làm tăng mức độ tương đồng về mặt địa lý, nhưng vẫn không tái tạo chính xác một lần nhật thực hay nguyệt thực.
Một chuỗi nhật thực có hành trình riêng
Chuỗi Saros là nhóm được hình thành khi lần theo những lần nhật thực hoặc nguyệt thực có liên hệ với nhau, cách nhau một chu kỳ Saros. Chu kỳ là khoảng thời gian lặp lại; chuỗi là tập hợp các sự kiện được kết nối bởi chu kỳ đó. Nhiều chuỗi cùng diễn ra, với các sự kiện đan xen nhau trong lịch nhật thực và nguyệt thực. Vì vậy, hai lần nhật thực hoặc nguyệt thực liên tiếp không nhất thiết thuộc cùng một chuỗi.
Mỗi chuỗi kéo dài nhiều thế kỷ vì sự sai khác nhỏ trong độ thẳng hàng với nút tích lũy rất chậm. Một chuỗi nguyệt thực bắt đầu khi Mặt Trăng chỉ vừa đi vào vùng nửa tối của Trái Đất, phần ngoài của bóng Trái Đất. Những sự kiện xuất hiện sau đó có thể đi sâu hơn vào bóng, trở thành nguyệt thực một phần và, trong một số chuỗi, nguyệt thực toàn phần. Cuối cùng, Mặt Trăng lại đi qua bóng nông hơn và chuỗi kết thúc. Không phải chuỗi nào cũng có nguyệt thực toàn phần.
Sự khác nhau giữa nguyệt thực nửa tối, một phần và toàn phần giúp hình dung quá trình này. Chu kỳ Saros đem đến góc nhìn dài hạn hơn: các dạng nguyệt thực đó có thể là những giai đoạn khác nhau trong quá trình phát triển của một chuỗi, chứ không phải những loại sự kiện không liên quan.
Các chuỗi nhật thực cũng bắt đầu và kết thúc bằng nhật thực một phần, với các lần nhật thực trung tâm có thể xuất hiện giữa những giai đoạn đó. Hình học thay đổi có thể tạo ra các lần nhật thực toàn phần, hình khuyên hoặc lai. Sự tương đồng trong một chuỗi là có thật, nhưng không bao giờ đảm bảo loại nhật thực sẽ giữ nguyên.
Những gì người quan sát thời cổ đại có thể dự đoán
Các nhà thiên văn Babylon đã nhận ra những quy luật lặp lại của nguyệt thực từ rất lâu trước khi có cách giải thích vật lý hiện đại về chuyển động quỹ đạo. Các ghi chép được sưu tầm qua nhiều thế hệ giúp họ liên kết những sự kiện cách nhau nhiều năm. Thành tựu cốt yếu là nhận ra rằng một chuỗi dài có cấu trúc, thay vì xem mỗi lần nguyệt thực như một điềm báo riêng lẻ hoặc một sự kiện bất ngờ.
Nguyệt thực có lợi thế thực tiễn trong việc phát hiện những quy luật này. Chúng có thể quan sát được trên một phần lớn nửa đêm của Trái Đất, vì vậy người quan sát ở một địa điểm có nhiều cơ hội nhìn thấy nguyệt thực hơn so với nhật thực toàn phần, vốn chỉ đi qua một dải hẹp. Dù vậy, thời tiết, ban ngày và việc Mặt Trăng nằm dưới đường chân trời có thể tạo ra những khoảng trống trong ghi chép tại địa phương.
Một khoảng thời gian lặp lại có thể chỉ ra cơ hội xảy ra nhật thực hoặc nguyệt thực mà không cung cấp mọi thông tin như người quan sát hiện đại mong đợi. Dự đoán đường đi của nhật thực tại một địa điểm cụ thể hoặc thời điểm chính xác nguyệt thực toàn phần bắt đầu đòi hỏi hình học chi tiết hơn. Vì vậy, sức mạnh lịch sử của chu kỳ Saros không nằm ở độ chính xác hoàn hảo, mà ở một mối liên hệ đáng tin cậy có thể rút ra từ quan sát mà không cần có lý thuyết hoàn chỉnh về lực hấp dẫn.
Sử dụng chu kỳ nhưng đừng kỳ vọng quá mức
Để so sánh thực tế, hãy chọn một lần nguyệt thực trong danh mục rồi tìm một sự kiện xảy ra trước hoặc sau đó khoảng 18 năm. Nếu danh mục có cung cấp số Saros, hãy dùng chúng để xác nhận mối liên hệ thay vì chỉ dựa vào khoảng cách giữa các ngày trên lịch. So sánh loại nguyệt thực và thời lượng: mức độ tương đồng cao cho thấy hình học lặp lại, còn những khác biệt hé lộ sự biến đổi dần dần của chuỗi.
Đừng chỉ đánh dấu cùng một ngày trên lịch sau 18 năm. Số ngày dư có ý nghĩa, và số giờ dư cũng vậy. Hãy dùng lịch pha Mặt Trăng để tra thời điểm trăng tròn chính xác, sau đó xem danh mục nhật thực và nguyệt thực để biết các thời điểm Mặt Trăng tiếp xúc với bóng. Trăng tròn là pha cần thiết, chứ không đảm bảo Mặt Trăng đi vào bóng Trái Đất.
Cuối cùng, hãy phân biệt việc một lần nhật thực hoặc nguyệt thực xảy ra với khả năng quan sát được sự kiện đó. Bảng thông tin Mặt Trăng theo thành phố cung cấp thời điểm Mặt Trăng mọc, lặn, độ cao và phương vị để bạn kiểm tra điều kiện đường chân trời tại địa phương. Một lần nhật thực hoặc nguyệt thực có thể diễn ra trong điều kiện hình học thuận lợi nhưng Mặt Trăng lại nằm dưới đường chân trời, hoặc bắt đầu khi Mặt Trăng còn ở thấp phía sau các tòa nhà. Chu kỳ Saros cho biết vì sao một sự kiện có liên hệ lại xuất hiện; thời gian địa phương và đường chân trời quyết định bạn có thể quan sát nó hay không.