Bầu trời xanh nhìn từ dưới tán cây: thứ ánh sáng ta thấy là ánh nắng đã bị phân tử không khí tán xạ

Ánh sáng trắng là hỗn hợp nhiều màu

Thí nghiệm lăng kính của Isaac Newton cho thấy ánh sáng trắng tách ra thành dải màu từ đỏ đến tím. Mỗi màu ứng với một bước sóng: tím và lam có bước sóng ngắn nhất, đỏ dài nhất. Theo NASA, ánh sáng đi thẳng cho tới khi gặp vật cản, và có ba cách vật cản đổi hướng nó:

• Phản xạ: ánh sáng dội lại, như khi gặp gương.
• Khúc xạ: ánh sáng bị bẻ cong, như khi đi qua lăng kính.
• Tán xạ: ánh sáng bị hắt ra nhiều hướng, như khi gặp phân tử khí trong khí quyển.

Tán xạ Rayleigh hoạt động thế nào

Tán xạ Rayleigh xảy ra khi ánh sáng gặp những hạt nhỏ hơn nhiều so với bước sóng, thường lấy mốc dưới một phần mười bước sóng. Phân tử nitơ và oxy, hai thành phần chính của không khí, đáp ứng đúng điều kiện này. Điện trường dao động của sóng ánh sáng kéo các điện tích trong phân tử dao động theo cùng tần số, biến phân tử thành một lưỡng cực nhỏ phát lại ánh sáng ra xung quanh. Phần ánh sáng phát lại đó là thứ ta thấy từ khắp bầu trời.

Điểm mấu chốt là cường độ tán xạ tỉ lệ nghịch với lũy thừa bậc bốn của bước sóng:

• Bước sóng ngắn đi một nửa thì ánh sáng bị tán xạ mạnh gấp 16 lần.
• Vì vậy ánh sáng lam, tím bị tán xạ mạnh hơn hẳn ánh sáng đỏ, cam.
• Đây là tán xạ đàn hồi: ánh sáng đổi hướng nhưng không đổi màu.

Vì sao trời xanh mà không tím

Nếu tím có bước sóng ngắn nhất, lẽ ra trời phải màu tím. Một nghiên cứu trên American Journal of Physics được Wikipedia dẫn lại cho rằng màu trời là kết quả của ba yếu tố cùng lúc:

• Phổ ánh sáng Mặt Trời tới khí quyển có nhiều lam hơn tím.
• Tán xạ Rayleigh trên phân tử oxy và nitơ.
• Mắt người, theo Đài thiên văn Hoàng gia Greenwich, nhạy với ánh sáng lam hơn tím.

Mắt ta cảm nhận hỗn hợp đó như ánh sáng lam pha thêm trắng, tức một màu xanh nhạt. Càng nhìn về phía chân trời, trời càng nhạt dần, vì ánh sáng từ đó đi qua nhiều không khí hơn, bị tán xạ nhiều lần và các màu trộn lại với nhau. Vùng gần như trắng quanh Mặt Trời chủ yếu do tán xạ Mie từ bụi và hạt lớn hơn, loại tán xạ ít phụ thuộc bước sóng.

Hoàng hôn đỏ: ánh sáng lam bị lọc bớt trên đường đi

Khi Mặt Trời ở thấp, ánh sáng phải xuyên qua lớp khí quyển dày hơn nhiều so với buổi trưa. Trên quãng đường dài đó, phần lớn ánh sáng lam và tím đã bị tán xạ ra khỏi hướng nhìn, phần còn lại tới mắt chủ yếu là đỏ, cam và vàng.

Quảng cáo

Hoàng hôn ở Tromsø, Na Uy: sát chân trời ánh sáng chuyển cam đỏ, phía trên cao trời vẫn xanh

Theo NASA, bụi nhỏ, khói ô nhiễm và các sol khí khác cũng tán xạ ánh sáng lam, có lúc khiến cả một góc trời đỏ rực. Sau các vụ phun trào núi lửa lớn, sol khí sunfat tồn tại nhiều năm trong tầng bình lưu và làm màu trời thay đổi. Một số nhà nghiên cứu cho rằng những bầu trời đỏ trong tranh của J. M. W. Turner có thể liên quan tới vụ phun trào Tambora.

Vì sao mây màu trắng

Giọt nước trong mây lớn hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng nên không tuân theo tán xạ Rayleigh. Theo HyperPhysics, tán xạ từ các giọt này gần như không phụ thuộc bước sóng, mọi màu bị hắt ra ngang nhau và mây hiện ra màu trắng hoặc xám. Sương mù trắng đục cũng vì lý do này.

Thủy tinh opal nhìn từ bên cạnh có màu xanh, còn ánh sáng xuyên qua lại màu cam, giống bầu trời lúc hoàng hôn

Từ Leonardo da Vinci đến Lord Rayleigh

• Khoảng 1506 đến 1510, Leonardo da Vinci phỏng đoán các hạt nhỏ trong không khí tán xạ ánh nắng tạo ra màu trời.
• Năm 1869, John Tyndall thấy ánh sáng chiếu qua các hạt cực nhỏ có ánh xanh nhạt, nhưng chưa giải thích được vì sao.
• Năm 1871, Rayleigh định lượng hiện tượng này; năm 1881 ông chứng minh nó phù hợp với lý thuyết điện từ của Maxwell.
• Năm 1899, ông chỉ ra tán xạ xảy ra ngay trên từng phân tử khí, đặt nền cho mô hình màu trời dùng tới ngày nay.

Quảng cáo

Bầu trời ở những nơi khác

Khí quyển Sao Hỏa mỏng, chưa bằng một phần trăm của Trái Đất, lại nhiều bụi mịn. Ban ngày trời Sao Hỏa màu vàng cam, lúc hoàng hôn vùng quanh Mặt Trời lại ngả xanh xám, ngược với Trái Đất. Trên Mặt Trăng gần như không có khí quyển, ánh sáng không bị tán xạ nên trời luôn đen, kể cả ban ngày.

Nguồn:

Wikipedia (Rayleigh scattering)

,

Wikipedia (Diffuse sky radiation)

,

NASA Space Place

,

Royal Observatory Greenwich

,

HyperPhysics