1. Đường chân trời là gì?
Mỗi chúng ta ai cũng có khái niệm đường chân trời trong thiên nhiên. Theo định nghĩa phổ thông thì đường chân trời được hiểu cơ bản chính là một đường thẳng mà chúng ta sẽ không thấy rõ ràng ở vô cực mà mọi điểm hay đường thẳng khác đều quy về nó.
Trong các bức ảnh, mỗi chúng ta sẽ thường nhận ra đường phân chia ranh giới giữa vùng trời và vùng đất khi chúng ta nhìn một khung cảnh nào đó. Trong chụp ảnh, mỗi bức ảnh có một đường thẳng ngang nào đó trong mặt phẳng hình học được xác định là đường thẳng giúp cho bức ảnh nhìn được cân đối, thông thường cũng được gọi là đường chân trời. Trong nhiều phối cảnh khác nhau, đường chân trời cũng sẽ có khi bị ẩn khuất bởi cảnh vật, đường chân trời lúc đó có thể khó thấy, nhưng vẫn hiện hữu mà mọi điểm / đường khá quy về nó ở vô cực.
Đường chân trời (hoặc chân trời) cũng là một đường phân cách giữa mặt đất với bầu trời mà ta có thể nhìn thấy rõ ràng.
Nói một cách đơn giản, đường chân trời (hoặc chân trời) là 1 tên gọi để chỉ rìa mép vòng cung của Trái đất trong tầm nhìn chúng ta quan sát được.
Chân trời sẽ chia đôi bầu trời và mặt đất, và thực tế thì đây cũng được xem là giới hạn dưới cùng mà ta nhìn thấy được bầu trời. Còn phần bên dưới đã bị Trái đất che khuất.
Trái đất có dạng hình cầu, tuy nhiên nó có chu vi quá lớn, cho nên khi nhìn vào đường phân cách đó ta sẽ có cảm giác đó là 1 đường thẳng. Thực ra, nó chính là 1 đường vòng cung.
Trên thực tế, đường chân trời không tồn tại một cách vật lý. Chúng ta sẽ nhìn thấy bầu trời và mặt đất tiếp xúc với nhau là do giới hạn của mắt người không nhìn thấy được điểm xa tít mắt.
Thông thường, các chủ thể cũng sẽ nhìn thấy đường phân cách này ở những khu vực thoáng tầm nhìn, có thể là biển, hoang mạc, ở 2 cực, …
Còn ở khu vực rừng núi, đô thị thường sẽ không nhìn thấy vì các công trình kiến trúc, cây cối, … sẽ hạn chế tầm nhìn của mỗi người.
Như vậy, nói đường chân trời, nôm na chúng ta có thể hiểu đó là 1 đường thẳng giao cắt giữa mặt đất và bầu trời, có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Trên phương diện vật lý, đường chân trời không tồn tại mà thực chất nó là điểm xa nhất mà mắt chúng ta có thể nhìn thấy. Ở điểm này, chúng ta có cảm giác bầu trời và mặt đất như tiếp xúc, như chạm vào nhau. Sự uốn cong của bề mặt trái đất không cho phép mắt chúng ta có thể nhìn qua xa.
Đường chân trời tiếng Anh là: Horizon line.
2. Hình thức và ứng dụng của đường chân trời:
Hình thức của đường chân trời:
Thực tế thì trước khi loài người phát minh ra đài phát thanh và điện báo thì khoảng cách tới chân trời có thể nhìn thấy ở trên biển là cực kỳ quan trọng vì nó thể hiện phạm vi tối đa có thể truyền tin và tầm nhìn.
Thậm chí cho đến tận ngày nay, khi điều khiển một chiếc máy bay theo quy tắc VFR (Vision flight rules), là tập hợp những quy tắc hướng dẫn phi công điều khiển máy bay trong điều kiện thời tiết cho phép có thể dùng mắt thường định vị vị trí, đường đi, né tránh chướng ngại vật của máy bay, thì phi công cũng sử dụng các mối quan hệ trực quan giữa mũi của máy bay và đường chân trời để điều khiển máy bay. Một phi công cũng có thể dựa vào đường chân trời để nhằm mục đích thông qua đó có thể thực hiện việc định hướng không gian.
Trong nhiều lĩnh vực cụ thể, đặc biệt là phép chiếu phối cảnh trong các bản vẽ, thì độ cong của Trái Đất được bỏ qua và chân trời cũng được xem là một đường thẳng lý thuyết mà tất cả các điểm trên bất kỳ mặt phẳng nằm ngang nào cũng đều hội tụ về đó (khi chiếu lên mặt phẳng hình ảnh) làm tăng khoảng cách từ người quan sát (làm cho người quan sát cảm thấy được độ xa gần của hình ảnh chiếu 3D).
Trong thiên văn học, chân trời được biết đến chính là mặt phẳng nằm ngang qua mắt của người quan sát. Đường chân trời là mặt phẳng cơ bản của hệ tọa độ chân trời và là quỹ tích các điểm có độ cao 0 độ.
Ứng dụng của đường chân trời trong thực tế:
Trước khi con người chúng ta phát triển và có thể tự mình phát minh ra các thiết bị liên lạc, đài phát thanh hay điện báo thì khoảng cách từ tầm nhìn của mắt người tới đường chân trời trên biển sẽ thể hiện phạm vi xa nhất có thể truyền tin giữa các bên.
Tầm quan trọng của đường chân trời (hoặc chân trời) cũng không bị ảnh hưởng trong thời đại công nghệ phát triển như vũ bão hiện nay. Như đã phân tích cụ thể bên trên thì chủ thể là các phi công có nhiều kinh nghiệm vẫn thường sử dụng mối quan hệ trực quan giữa mũi máy bay và chân trời để điều khiển, xử lý máy bay.
Thêm vào đó, người ta có thể dựa vào đường chân trời để xác định không gian.
Ngoài ra, trong lĩnh vực thiên văn học đường chân trời còn được sử dụng giống như một mặt phẳng nằm ngang qua sự quan sát của mắt người. Đây cũng chính là mặt phẳng cơ bản nhất của hệ toạ độ chân trời hay còn gọi là quỹ tích các điểm có độ cao 0 độ.
3. Đường chân trời cách bao xa?
Công thức tính đường chân trời:
Khi chúng ta đã hiểu được đường chân trời là gì, thì các chủ thể cũng sẽ cần phải biết thêm tầm quan trọng của nó. Từ xa xưa, khi điện báo, đài phát thanh hay các phương tiện liên lạc hiện đai chưa có thì tầm nhìn của mắt người đến đường chân trời là rất rất quan trọng. Bởi thực tế thì đường chân trời quyết định phạm vi xa nhất có thể truyền tải thông tin giữa mọi người.
Trong tính toán, nếu ta bỏ qua sự ảnh hưởng của khúc xạ ánh sáng thì khoảng cách từ người quan sát trên mặt đất đến đường chân trời được tính theo công thức:
Trong đó, d được tính theo km, còn h là độ cao so với mặt nước biển, tính theo m. Ví dụ:
– Một người quan sát trên mặt đất ở h=1.7m thì khoảng cách đến đường chân trời d=4,65km.
– Tương tự như với 1 người quan sát trên mặt đất ở h=2m thì khoảng cách sẽ là: d=5km.
– Còn nếu người đó đứng trên đỉnh tòa nhà Burj Khalifa ở Dubai (h=828m) thì d=111km.
– Vậy nếu bạn đứng ở đỉnh của ngọn Everest thì sao? Khi đó, h=8848m, kéo theo khoảng cách sẽ là: d=336km.
Chúng ta cũng cần lưu ý rằng đây chỉ là cách tính trong trường hợp tương đối, đã bỏ qua ảnh hưởng của khúc xạ. Ngoài ra, chúng ta còn có những công thức hình học, công thức hình học gần đúng hay công thức tính chính xác với giả định Trái Đất hình cầu (bởi thực ra Trái Đất của chúng ta có dạng hình e-líp, hơi thuôn ở 2 cực và phình ra ở xích đạo)…
Công thức hình học:
Nếu giả định Trái Đất là một hình cầu không có khí quyển thì ta có thể dễ dàng tính ra khoảng cách từ người quan sát tới chân trời. (Bán kính cong của Trái Đất thực sự thay đổi 1%, chính vì thế công thức này là không chính xác thậm chí đã giả sử là không có sự khúc xạ.) Theo công thức liên hệ giữa tiếp tuyến và cát tuyến trong đường tròn, ta có:
Trong đó:
– d = OC = khoảng cách đến chân trời
– D = AB = đường kính của Trái Đất
– h = OB = độ cao của người quan sát so với mực nước biển.
– D+h = OA = đường kính + độ cao người quan sát.
– R là bán kính Trái Đất.
Phương trình trở thành:
hoặc
Ta cũng có thể sử dụng định lý Pythagore trong trường hợp này để tính khoảng cách đến chân trời. Do tia nhìn của người quan sát tiếp tuyến với đường tròn Trái Đất cho nên nó vuông góc với bán kính tại điểm tiếp xúc, tạo nên 1 tam giác vuông với cạnh huyền là tổng bán kính với độ cao của người quan sát so với mực nước biển. Với:
– d = khoảng cách đến đường chân trời
– h = chiều cao của người quan sát so với mực nước biển
– R = bán kính của Trái Đất
Theo định lý Pythagore, ta có:
Một phương trình thể hiện sự tương quan giữa độ dài cung tròn s với góc mở γ tính bằng radian:
mà:
Thế vào, ta có:
Lại có:
Thế vào phương trình trên:
Khoảng cách d và độ dài cung tròn s là gần bằng nhau vì độ cao h rất bé so với bán kính R (h ≪ R)/
Công thức tính chính xác với giả định Trái Đất là hình cầu:
Nếu độ cao h là đáng kể so với bán kính R, như khi quan sát từ các vệ tinh, thì cần phải có công thức tính chính xác:
Với R là bán kính Trái Đất (R và h phải tính cùng 1 đơn vị đo lường. Ví dụ, nếu vị tinh ở độ cao 2000 km, thì khoảng cách đến đường chân trời là 5.430 kilômét (3.370 mi); nếu ta bỏ qua tham số h thì sẽ cho 1 kết quả là 5.048 kilômét (3.137 mi) với sai số lên đến 7%.
