Tại sao ta thấy các núi ở xa có màu xanh lam?.

Tại sao ta thấy các núi ở xa có màu xanh lam?. Được rừng bao phủ, lẻ ra chúng phải có màu lục chứ I TẠI SAO BẦU TRỜI CÓ MÀU XANH ?. Câu hỏi bề ngoài có vẻ ngây thơ này, loại câu hỏi mà con trẻ thường đặt ra cho bố mẹ chúng và làm cho họ bực mình vì không biết trả lời như thế nào, lại là một câu hỏi phát lộ chân lí.

Ánh sáng là tác giả của nhiều cảnh tượng tự nhiên vô cùng đẹp đẽ thông qua các trò chơi với các phân tử không khí và tinh thể băng, khi nảy trên bề mặt của các hạt bụi, cây cối và núi non; khi phản xạ trên mặt nước biển và ao hồ hay len lỏi trong các đám mây và sương mù

Một trong những cảnh

tượng tuyệt diệu nhất của tự

nhiên, và cũng là ngắn ngủi

nhất, đó chính là cầu vồng

xuất hiện giữa các giọt nước

mưa ở cuối cơn giông Một

vòng cung có kích thước

khổng lồ, màu sắc hài hòa

Các đặc tính làm nên

vinh quang của cầu vòng không chỉ là nó có kích thước đầy ấn tượng và vẻ đẹp lộng lẫy, mà còn là vì nó rất hiếm khi xuất hiện, hơn thế nữa lại sinh ra và biến mất hết sức đột ngột Sau một trận mưa rào, khi Mặt Trời xuất hiện trở lại, bạn hãy quay đầu thật nhanh về phía đối diện với Mặt Trời cầu vòng chỉ xuất hiện theo hướng đó Mặt trời và nước mưa phải tồn tại song song trong bầu trời thì cầu vòng mới có thể xuất hiện Trong một cơn giông mùa hè, cầu vòng dễ xuất hiện hơn, vì bầu trời xanh được mặt trời chiếu sáng có thể ló ra qua các đám mây, trong khi vào mùa đông, trời thường tối và bị mây mù

bao phủ Nhưng không phải lúc nào có

cả Mặt Trời và mưa thì cầu vồng cũng

đều xuất hiện, vì các nhân tố khác có thể

xen vào

Độ dày của cầu vồng lớn hơn

kích thước góc của Mặt Trăng tròn

khoảng 4 lần, tức khoàng 2 độ Các đầu mút của nó tạo thành với vị trí bạn đang đứng quan sát một góc gần 900 Vòng cung luôn luôn tròn một cách hoàn hảo, nhưng ngay cả khi ngắm nó từ chân trời, qua cửa sổ máy bay chẳng hạn, thì cũng không bao giờ thấy nó là một vòng tròn trọn vẹn, một phần của nó luôn bị che khuất dưới chân trời Bán kính góc của cung luôn là 420, không bao giờ thay đổi Hãy tưởng tượng nối tâm của vòng cung cầu vòng (được gọi là điểm đối nhật) với mắt bạn và Mặt Trời bằng một đường thằng, thì đường thẳng này sẽ xuyên qua mặt đất, vì tâm của cung cầu vồng thường nằm dưới đường chân trời Điều này có nghĩa là vào cuối ngày, do sự thẳng hàng của Mặt Trời - mắt - tâm, nên Mặt Trời càng xuống phía chân trời thì cung và tâm của nó càng đi lên gần đường chân trời, cầu vồng vì thế sẽ có hình bán nguyệt đúng vào lúc Mặt Trời lặn xuống dưới đường chân trời Trái lại, điều này cũng có nghĩa là Mặt Trời đi lên hơn 420 trên đường chân trời, thì cầu vòng sẽ biến mất hoàn toàn dưới đường chân trời và ta sẽ không nhìn thấy nữa Như vậy khả năng quan sát được cầu vòng phụ thuộc vào độ cao của Mặt Trời trên bầu trời, và do đó phụ thuộc vào thời điểm trong ngày Bạn

sẽ có nhiều cơ hội ngắm cầu vòng hơn vào đầu buổi sáng hoặc cuối buổi chiều: Mặt Trời ở những thời điểm đó nằm thấp nhất trên bầu trời, điểm đối nhật nằm ngay sát chân trời và một nửa vòng cung nằm hoàn toàn bên trên chân trời Vị trí của Mặt Trời trên bầu trời còn phụ thuộc vào vĩ độ nơi quan sát, và vào mùa Ở một giờ nhất định trong ngày, Mặt Trời vào mùa đông thấp hơn vào mùa hè Ở các

vĩ độ cao, vào mùa hè, Mặt Trời lên cao hơn trên bầu trời so với tại các vùng vĩ độ thấp; điều ngược lại xảy ra vào mùa đông Chính vì thế, ở vĩ độ của chúng ta, không một ai nhìn được cầu vồng vào giữa ngày mùa hè, khi Mặt Trời lên cao nhất trên bầu trời, tức là có độ cao góc lớn hơn 420

Một đặc tính quan trọng của

cầu vồng, đó là lễ hội các màu sắc

mà nó mang lại cho chúng ta Trật

tự các màu này không bao giờ

thay đổi: đỏ luôn nằm ở mép trên,

đỉnh của vòng cung; rồi sau đó lần

lượt từ cao xuống thấp, có da cam, vàng, lục lam, chàm và tím ở mép dưới Trên thực tế , các màu không bao giờ thay đổi đột ngột, mà dần dần, xen vào nhau hết sức tinh tế

Thỉnh thoảng cũng xuất

hiện một vòng thứ cấp đi kèm

với vòng cung chính; nó mờ hơn

và ở độ cao hơn trên bầu trời,

nhưng các màu thì được sắp xếp

theo trật tự ngược lại: màu tím ở

mép trên và màu đỏ ở mép dưới

Bán kính góc của vòng cung thứ

cấp này lớn hơn bán kính góc

của vòng cung chính và vòng

cung thứ cấp tối hơn vòng tròn xung quanh

Cầu vồng không phải là một vật thể, mà là kết quả của một trò chơi ánh sáng thay đổi theo vị trí của người quan sát Do tính phi vật thể của nó, nên cung hoàn hảo và sự đối xứng của cầu vòng không bao giờ bị ành hưởng Bạn cũng sẽ không bao giờ nhìn thấy nó soi bóng xuống nước hồ, cũng chẳng bao giờ thấy trong gương Cầu vồng như một bóng ma thoắt ẩn, thoắt hiện trong không trung Nó chỉ

là sản phẩm của ánh sang đến từ đằng sau chúng ta, bởi vì nó sẽ đổi khác khi chúng ta di chuyển, nên chúng ta không bao giờ có thể bắt hay sờ mó được nó

Đã có rất nhiều nhà khoa học tìm cách giải thích về hiện tượng cầu vồng: Đám mây cầu vồng chụp trên đỉnh

Everest

Aristote (384-332 TCN) là người đầu tiên thực hiện ý tưởng này trong tác phẩm Khí tượng học ông ý thức được rằng cầu vồng không thể là một vật thể có một vị trí nhất định trên bầu trời, mà là kết quả của một trò chơi ánh sang phụ thuộc vào hướng nhìn

Năm 1266, triết gia và nhà bác học người Anh Roger Bacon (1220-1292) là người đầu tiên đo được bán kính góc 420 của vòng cung chính của cầu vồng Théodoric de Freiberg ( 1250-1310), dựa vào kết quả thực nghiệm với một quả cầu thủy tinh chứa đầy nước mô phổng một giọt nước, đã chứng tỏ rằng cung chính của cầu vòng là sản phẩm của các tia sáng đi vào giọt nước và chịu sự khúc xạ đầu tiên khi ánh sáng từ không khí đi vào giọt nước, phản xạ tại thành trong của giọt nước, rồi khúc xạ lần thứ hai khi ánh sáng từ giọt nước đi ra ngoài Ông cũng đưa

ra giải thích về vòng cung thứ cấp: vòng cung này là sản phẩm của hai phản xạ liên tiếp của ánh sáng ở thành trong của giọt nước Vì một phần ánh sáng bị mất đi sau mội lần phản xạ, nên cung thứ cấp mờ hơn cung chính

Năm 1637, Rene Descartes (1596-1650) với công bố phát hiện về cầu vồng của mình trong cuốn Luận về sao băng, đã thêm vào một đóng góp quan trọng: Dựa trên các định luật khúc luật khúc xạ ánh sáng, ông đã chứng minh được rằng phần lớn các tia sáng Mặt Trời thoát ra từ các giọt nước mưa là nguyên nhân gây nên vòng cung chính, sau một lần phản xạ và hai lần khúc xạ theo một hướng yêu thích, với một góc khoảng 420 Lần đấu tiên, một giải thích đã được đưa ra cho bán kính góc của vòng cung chính Descartes còn đi xa hơn: ông cũng suy nghĩ tới vấn

đề vòng cung thứ cấp Ông chứng minh rằng, nếu ngoài hai khúc xạ trong hai lần

đi vào và đi ra khỏi giọt nước, các tia sáng còn phải chịu hai lần phản xạ, thì chúng lại đi ra theo một hướng ưa thích khoảng 510, giá trị quan sát được của bán kính góc của vòng cung thứ cấp

Năm 1666, Issac Newton (1642-1727) đã dùng một lăng kính phân tích ánh sáng trắng của Mặt Trời thành các màu cầu vồng, ông cũng đã không chỉ chứng minh rằng, ánh sáng trắng là một hỗn hợp của các màu, mà còn chứng minh rằng, chiết suất của một lăng kính (hay của một giọt nước) là khác nhau đối với các màu khác

nhau: ánh sáng bị lệch hướng khác nhau tùy theo màu (hay bước sóng) của nó,

một hiện tượng mà các nhà Vật Lí học gọi là “tán sắc” Bởi vì áng sáng bị tán sắc,

nên mỗi một thành phần màu cho ra một vòng cung khác Như vậy, cái mà chúng

ta tin là một và chỉ một thực thể “cầu vồng” duy nhất thật ra là một tập hợp các

vòng cung màu khác nhau, vòng cung màu này hơi xê dịch đôi chút so với vòng

cung màu kia Bán kính góc của vòng cung chính và vòng cung thứ cấp vì vậy

biến thiên nhẹ theo màu sắc của ánh sáng Như vậy, đối với ánh sáng đỏ và có

bước sóng 800nm, góc là 42,6o đối với vòng cung chính và là 49.920 đối với vòng

cung thứ cấp Đối với ánh sáng tím có bước sóng 400nm, các góc này trở thành

lần lượt 40.510 và 53.730 Độ lớn của các góc đối với các vòng cung chính (cỡ 20)

và của vòng cung thứ cấp (khoảng 40) không gì khác chính là hiệu các góc lệch

của các màu đỏ và tím

Về mặt vật lí thì đây không phải

là cầu vồng Đây là một hiện

tượng đặc biệt, và nguyên nhân

của nó không hề có liênquan

đến mưa, mà là kết quả của hiện

tượng tán sắc của các ánh sáng

từ Mặt Trời khi khúc xạ và phản

xạ qua một loại tinh thể lỏng

Hình ảnh mà chúng ta trông thấy là một hiện tượng quang học có tên chuyên môn

là Cung circumzenithal Nguyên nhân của hiện tượng này là do sự tán sắc của ánh

sáng từ Mặt Trời khi khúc xạ và phản xạ qua một loại tinh thể lỏng mà mắt thường

không nhìn thấy được trong một điều kiện khí hậu nhất định Theo nghiên cứu thì

loại tinh thể gây ra hiện tượng này không lớn hơn một hạt cát, có sáu mặt và chỉ

xuất hiện ở độ cao từ 5 đến 8 km trong điều kiện thời tiết có sương mù và nhiều

mây

Đây không phải là cầu vồng, nó chỉ

có hình dạng giống cầu vồng thôi, còn nguyên lý hình thành lại khác.

I/ TẠI SAO BẦU TRỜI CÓ MÀU XANH ?.

Câu hỏi bề ngoài có vẻ ngây thơ này, loại câu hỏi mà con trẻ thường đặt ra cho bố

mẹ chúng và làm cho họ bực mình vì không biết trả lời như thế nào, lại là một câu hỏi phát lộ chân lí

Câu trả lời chính là do sự tán xạ ánh sáng Mặt Trời, nghĩa là quá trình làm cho một tia tới của Mặt Trời phân tán theo tất cả các hướng khả dĩ, là nguyên nhân làm cho

bầu trời có màu xanh lam Và các hạt vật chất trong không khí có thể làm tán xạ ánh sáng và cho chúng ta một bầu trời màu xanh là các phân tử không khí Trên thực

tế, các phân tử không khí thích tán xạ ánh sáng, và chúng đặc biệt thích ánh sáng màu xanh lam Bước sóng của ánh sáng càng ngắn, nghĩa là nó càng xanh lam, thì cơ hội nó được tán xạ càng cao, bởi vì xác suất để mọi photon của ánh sáng Mặt trời bị tán xạ bởi một phân tử không khí

tỉ lệ nghịch với lũy thừa bậc bốn của bước sóng của nó (một hạt ánh sáng xanh lam có cơ hội được tán xạ lớn hơn ánh sáng màu đỏ gấp 10 lần) Như vậy khi chúng ta nhìn theo bất kì hướng nào của bầu trời, ngoại trừ trực tiếp theo hướng Mặt Trời, cơ hội để một photon Mặt Trời màu xanh lam tới mắt của bạn cao hơn một photon đỏ Và chính vì thế mà bầu trời có màu xanh lam Còn về các photon Mặt Trời đỏ và vàng, vì ít bị tán xạ, nên chúng đến mắt chúng ta chủ yếu theo hướng Mặt Trời Tuy vậy, Mặt Trời hơi có màu đỏ vì sự tán xạ củng lấy đi mất các photon Mặt Trời màu xanh lam trong đường ngắm tới Mặt Trời

Và bầu trời ở gần chân trời sáng hơn ở trên đỉnh đầu chúng ta, ngay cả vào một ngày bầu trời rất trong Chính lượng không khí mà ánh sáng Mặt Trời phải đi qua

để đến mắt chúng ta là nguyên nhân của điều đó: trục nhìn của chúng ta đi qua một khối không khí lớn hơn nhiều khi chúng ta nhìn ngang qua đường chân trời so với

khi nhìn thẳng đứng lên cao Xa chân trời, đường nhìn của chúng ta đi qua một lớp không khí mỏng hơn, có ít phân tử không khí hơn, ánh sáng Mặt Trời trung bình chỉ bị tán xạ một lần, và bâu trời có màu xanh lam Ngược lại, gần chân trời, đường nhìn của chúng ta đi qua một lớp không khí dày hơn, có nhiều phân tử không khí hơn, và các phân từ này tán xạ ánh sáng không chỉ một lần, mà nhiều lần Đúng là photon lam có nhiều cơ hội tán xạ hơn photon đỏ; nhưng do ánh sáng phải đi qua rất nhiều phân tử không khí, nên tất cả các photon, dù chúng có màu

gì, sớm hay muộn đều phải gặp một phân tử, và đường đi của chúng bị lệch

hướng Vì thế các photon thuộc tất cả các màu đều bị tán xạ và phát trở lại rất nhiều lần trước khi đến mắt chúng ta, tới mức chúng hòa trộn vài nhau một cách hoàn hảo chính vì thế da trời gần chân trời có cùng màu với Mặt trời: màu trắng

II/ TẠI SAO NÚI LẠI CÓ MÀU XANH ?

Tại sao ta thấy các núi ở xa có màu xanh lam? Được rừng bao phủ, lẻ ra chúng phải có màu lục chứ Sở dĩ nhìn từ xa chúng

ta thấy chúng có màu xanh lam chứ không phải màu xanh lục, một lần nữa , lại là do các phân

tử không khí nằm giữa chúng ta

và dãy núi làm tán xạ ánh sáng Mặt Trời Ngoài ánh sáng phản chiếu từ dãy núi, chúng ta còn thấy “ánh sáng của không khí” Bởi vì các photon lam có nhiều cơ hội được tán xạ hơn photon đỏ, nên ánh sáng này của không khí có màu lam và sinh ra một tấm voan màu lam giữa núi và chúng ta Lượng ánh sáng của không khí phụ thuộc vào khoảng cách giữa chúng ta và núi Khi một trong các dãy núi này tương đối gần, thì ánh sáng Mặt Trời bị nó phản chiếu đến mắt chúng ta dễ dàng., và chúng ta thấy nó qua một bức voan màu lam tạo cho nó có màu xanh nhạt Mọi khung cảnh ở xa bao giờ có vẻ như cũng được tô các sắc màu lam tinh

tế đan xen hài hòa với nhau Nhưng nếu núi ở đủ xa, và sự tán xạ xảy ra nhiều

hơn, điều này làm cho ánh sáng của nó bị tán xạ ra bên ngoài trục nhìn của chúng

ta, và chúng ta không còn nhìn thấy nó nữa Ánh sáng cũa núi vì vậy được thay bởi ánh sáng của không khí Điều này làm cho, ngay cả trong ngày trời quang, khi không khí rất trong chúng ta cũng không thể phân biệt được những đường nét nổi chìm của dãy núi khi ở ngoài một khoảng cách nào đó

Các dãy núi cũng có thể biến mất khỏi tầm nhìn của chúng ta khi Mặt trời nằm cao trên bầu trời Khi đó, Mặt Trời phát động một lượng lớn ánh sáng vào không khí, làm giảm một lượng tương đương sự tương phản của các dãy núi và làm cho chúng trở nên không thể nhìn thấy được Nhưng nếu Mặt Trời xuống thấp trên bầu trời, thì ánh sáng của không khí dịu đi và các dãy núi lại xuất hiện trong tầm mắt của chúng ta Đó cũng là hiện tượng xảy ra khi đứng trên bờ biển lúc hoàng hôn, chúng ta thấy một hòn đảo hay một bờ biển xuất hiện đột ngột ở phía xa trong khi chúng ta không thể nhìn thấy được trong ngày do độ sáng quá mạnh của không khí

III/ HOÀNG HÔN LỘNG LẪY

Tất cả chúng ta đều bị chinh phục bởi vẻ đẹp tuyệt vời của hoàng hơn, bởi một festival các tông màu vàng, cam và đỏ chiếu sáng bầu trời ngay trước khi Mặt Trời lặn xuống dưới chân trời

Một lần nữa, chính sự tương tác của ánh sáng Mặt Trời ban ngày với các phân tử không khí và các hạt có trong khí quyển Trái Đất đã tạo ra cảnh tượng trang lễ này Trên thực tế, màu của Mặt Trời được quyết định bời số các tương tác mà ánh sáng Mặt Trời phải chịu trên

đường đi của nó trước khi đến

được mắt người Khi Mặt Trời

hạ thấp xuống gần đường chân

trời, đường đi của ánh sáng dài

hơn, ánh sáng Mặt Trời tương

tác với nhiều phân tử không

khí và các hạt hơn trước khi

đến được chúng ta, độ sáng của nó yếu hơn và màu sắc bị thay đổi Một phần lớn các photon xanh lam bị tán xạ bắn ra ngoài chùm các tia Mặt Trời, điều này làm giảm độ sáng của đĩa Mặt Trời Khi ánh sáng xanh lam bị lấy mất ra khỏi ánh sáng trắng của Mặt Trời thì ánh sáng này chuyển sang màu vàng hoặc cam Ngoài sự tán xạ ánh sáng lam bởi các phân tử không khí, các phân tử ozon có trong khí quyển cũng đóng góp vào màu đỏ rực của Mặt Trời bằng cách hấp thụ mạnh màu lam và lục

Nhưng các phân tử không khí và ozon không phải là thủ phạm duy nhất của màu

đỏ và màu cam rực rỡ Các hạt rất nhỏ trong khí quyển sinh ra bởi hoạt động của con người, như bụi và khói, hoặc các hạt tự nhiên như nước mưa trên Đại Dương, cũng đóng vai trò quan trọng Thật vậy, các hạt cực kì nhỏ này, đường kính dưới 100nm, cũng tán xạ ánh sáng xanh lam Bằng cách lấy đi ánh sáng màu lam khỏi đường nhìn của chúng ta, chính các phân tử không khí và các hạt nhỏ đã là các tác nhân tạo ra các tia sáng đỏ rực mà tự nhiên ban tặng cho chúng ta Vì số lượng các hạt này thay đổi theo các ngày khác nhau và ở các vị trí khác nhau, nên không bao giờ có hai hoàng hôn giống hệt nhau

Các đám mây, tập hợp những giọt nước li ti, cũng tán xạ ánh sáng vào lúc mặt trời lặn Chúng đóng góp vào cảnh tượng hoàng hôn bằng cách tô nên các màu vàng và cam và tạo ra các hình thù vô cùng đa dạng, ngày tàn bỗng chốc được tôn lên bằng một gam ánh sáng đỏ pha cam vô cùng rực rỡ Hoàng hôn đẹp nhất khi có các dải mây lơ lửng ở chân trời, chúng sẽ trở nên không trong suốt, chặn hết ánh sáng Mặt Trời, và làm cho cảnh tượng trở nên tối tăm

Các đợt phun trào núi lửa cũng có một ảnh hưởng nhất định đến cường độ của ánh hoàng hôn, đó là vì núi lửa đã đẩy hàng tấn tro bụi và các ion khí chứa lưu huỳnh vào khí quyển Các hạt nặng nhất nhanh chóng rơi xuống, nhưng các hạt nhỏ mịn vẫn lo lửng trong không khí và được gió phát tán bay khắp địa cầu Trong những lúc Mặt Trời lặn, chúng đóng vai trò tán xạ ánh sáng và mang cho chúng ta những cảnh hoàng hôn đẹp chưa từng thấy

Một hiện tượng nổi tiếng gắn liền với hoàng hôn và thường chứa đựng một chiều kích gần như hoang đường, thậm chí huyền bí trong trí tưởng tượng của nhân gian

là “lục quang tuyến”

Đêm không buông ngay lập tức khi Mặt Trời lặn xuống chân trời Bầu trời tiếp tục được chiếu sáng thêm một lúc ngắn nữa: đó là ánh hoàng hôn, hay cảnh tranh sáng tranh tối Và khi đó nếu chúng ta hướng cái nhìn về phía chân trời phía Tây, hướng Mặt Trời lặn, chúng ta có thể được ngắm một dải màu vàng nhạt pha cam vẫn còn vương vấn Đó là cung hoàng hôn trải trên khoảng 900 từ Mặt Trời sang hai bên Các màu càng tương phản hơn khi Mặt Trời càng hạ thấp xuống dưới đường chân trời và bầu trời trên cao càng tối Ở giới hạn của dải màu vàng nhạt và bầu trời màu lam, các màu lục – lam ngọc có thể xuất hiện, tạo ra một hỗn hợp các màu rất đẹp Đây chính là “lục quang tuyến”

Vì chiết suất phụ thuộc vào bước sóng, nên mỗi ánh sáng bị lệch hướng theo một góc khác nhau tùy theo màu của nó, hiện tượng mà các nhà Vật Lí gọi là “ sự tán sắc” Ở gần chân trời, sự tán sắc của khí quyển tạo ra các hình ảnh đối với mỗi màu tách khỏi đĩa Mặt Trời, chúng xê dịch nhẹ đối với nhau theo phương thẳng đứng Vì các bước sóng ngắn bị khúc xạ nhiều nhất, nên trên bầu trời hình ảnh tím của mặt trời nằm hơi cao so với hình ảnh màu lam, hình ảnh màu lam lại cao hơn một chút so với hình ảnh màu lục, và cứ như vậy cho tới hình ảnh màu đỏ Vì sự dịch chuyển của mỗi màu là rất nhỏ so với đường kính của Mặt Trời, nên các hình ảnh chồng chập lên nhau, ngoại trừ ở mức trên có màu tím và mép dưới màu đỏ Những tia nắng cuối cùng trước khi Mặt Trời lặn xuống những đường chân trời phải có màu của mép trên, nghĩa là màu tím Nói cách khác, chúng ta phải quan sát được một tia tím chứ không phải một tia lục Vậy thì lí do gì mà chúng ta lại thấy tia màu xanh lục chứ không phải màu tím? Ở đây nguyên chính là sự hấp thụ

và tán xạ Các quá trình này đã lấy đi một số màu của ánh sáng Mặt Trời trên đường đi đến mắt chúng ta Chẳng hạn, chính hơi nước trong khí quyển đã hấp thụ ánh sáng và lấy đi một phần lớn màu vàng và cam Như chúng ta thấy, sự tán xạ bởi các phân tử không khí và các hạt mịn lơ lửng trong khí quyển lấy đi màu xanh