Tại sao bầu trời mùa thu trong xanh, tại sao có những ngày hè bầu trời trắng hoặc thậm chí xám xịt, tại sao phía chân trời thường nhuộm màu vàng hoặc đỏ mỗi khi mặt trời mọc hoặc lặn trong khi phía trên đầu vẫn là bầu trời xanh lam. Tại sao mây có lúc thì trắng như bông, có lúc thì vàng, còn những lúc sắp có dông thì mây lại đen kịt… ?
Vô số những câu hỏi như thế sẽ được giải đáp nhờ những hiểu biết về hiện tượng tán xạ (hay khuếch tán) của ánh sáng trong khí quyển.
IV.1. Cơ sở lý thuyết:
Quan sát một chùm tia sáng rọi vào một phòng tối. Nếu không khí trong phòng thật sạch, ta không thấy được đường đi của chùm tia sáng. Điều đó chứng tỏ ánh sáng chỉ truyền theo phương quang hình. Nhưng nếu trong phòng có vẩn cát hạt bụi nhỏ thì ta nhìn thấy được đường đi của chùm tia sáng chiếu vào phòng nhờ những hạt bụi nhỏ, trở thành những hạt sáng trong chùm tia. Điều này chứng tỏ rằng trong một môi trường vẩn có lẫn các hạt bụi nhỏ không đồng tính (về quang học) với môi trường, ngoài phần ánh sáng truyền đi theo phương tới, còn một phần ánh sáng truyền theo các phương khác. Hiện tượng này gọi là sự tán xạ ánh sáng.
Hiện tượng tán xạ ánh sáng bởi các hạt nhỏ (so với bước sóng) trong một môi trường không đồng tính về quang học (trong không khí chẳng hạn) được gọi là hiện tượng Tyndall; Tyndall khảo sát hiện tượng(1868) và Rayleigh khảo sát về lí thuyết(1871).
IV.1.1.Định luật Rayleigh:
Cường độ ánh sáng I tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc bốn của bước sóng ánh sáng. I =
4
λ Κ
K là một hằng số đối với bước sóng λ.
Theo định luật này bước sóng càng nhỏ thì ánh sáng khuếch tán có cường độ càng lớn.
Định luật này được giải thích như sau: Xét một điểm M của thể tích vi cấp v trong môi trường tán xạ. Giả sử phương trình dao động của ánh sáng tới tại điểm M là Acosωt. Theo lý thuyết về nhiễu xạ thì thể tích vi cấp v đóng vai trò của nguồn thứ cấp
đồng pha với dao động tới. Dao động từ nguồn thứ cấp này truyền tới một điểm P cách M một khoảng rlà : y = k. r Α .v.cos(ωt - 2πr λ )
Hệ số ktùy thuộc góc mà phương MP làm với phương của tia tới, tính chất của hạt tán xạ, mật độ các hạt tán xạ, bước sóng λ của ánh sáng.
k.
r
Α
.v chính là biên độ dao động tán xạ, vậy phải cùng thứ nguyên với A. Do đó
kv
r không có thứ nguyên (hay [ kv
r ] = 1), suy ra thứ nguyên của klà nghịch đảo của
chiều dài bình phương [k] = L-2. Rayleigh chứng tỏ rằng hệ số k tỉ lệ nghịch với λ2.
k = k02
λ
Vậy biên độ của dao động tán xạ có thể viết là:
a = k.( r Α ).v = k0.( r Α ).v.( 12 λ ) Cường độ dao động tán xạ là: I = a2 = 2 0 v k r Α .( 14 λ ) = λ4 Κ
IV.1.2.Thuyết điện từ về sự tán xạ bởi các hạt nhỏ (xét định tính):
Xét một điện tích bất kì chuyển động có gia tốc (dao động chẳng hạn) khi đó nó sẻ bức xạ sóng điện từ. Sự bức xạ mạnh nếu gia tốc càng lớn.
Mỗi khi sóng điện từ tràn tới điểm nào của môi trường thì sóng điện từ tạo nên ở điểm đó một điện từ trường biến thiên.
Từ các điện tích dao động với cùng tần số, các sóng tạo thành sao cho tại các điểm này chúng có thể tăng cường lẫn nhau còn ở các điểm khác thì có thể dập tắt lẫn nhau (hiện tượng giao thoa sóng).
Ánh sáng là sóng điện từ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ánh sáng trắng nhìn thấy là một « bộ » sóng điện từ, trong đó bước sóng ngắn nhất ứng với màu tím và màu lam [λ = (4 – 5). 10-7m] còn bước sóng dài nhất ứng với các màu vàng và đỏ [λ = (6 – 7). 10-7m].
Khi ánh sáng đi qua một môi trường thuần nhất (đồng tính) thì trường biến thiên của nó kích thích các electron trong nguyên tử chất của môi trường dao động, và các electron bắt đầu bức xạ sóng điện từ có cùng tần số ấy. Tuy nhiên, bức xạ của chúng dập tắt lẫn nhau theo tất cả mọi phương ngoại trừ phương truyền ánh sáng. Trong môi trường thuần nhất lí tưởng chúng ta tuyệt nhiên không thấy ánh sáng tán xạ nào cả.
Nếu môi trường thiếu đồng tính thì tình hình lại khác. Các tạp chất có mặt đã tạo nên những điều kiện hoàn toàn khác trong việc cộng các sóng thứ cấp và khiến cho ánh sáng tán xạ theo các phương khác nhau.
Định luật Rayleigh chỉ áp dụng được nếu các hạt tạp chất có kích thước bé hơn nhiều lần so với bước sóng của ánh sáng tới (khoảng 0,001µm).
Thực ra, một môi trường hoàn toàn tinh chất, không có các hạt vẩn, vẫn khuếch tán ánh sáng. Tuy nhiên cường độ ánh sáng khuếch tán bởi các môi trường này rất yếu. Sự tán xạ này có nguyên nhân là do chuyển động hỗn loạn của các phân tử dẫn đến sự thay đổi chiết suất từ nơi này đến nơi khác trong môi trường. Nói cách khác, vào mỗi thời điểm, môi trường mặc dù hoàn toàn tinh chất, vẫn không hoàn toàn đồng tính về mặt quang học, do đó vẫn tán xạ ánh sáng. Sự chuyển động nhiệt của các phân tử tùy thuộc vào nhiệt độ, do đó cường độ ánh sáng tán xạ phân tử cũng tùy thuộc nhiệt độ. Hiện tán xạ ánh sáng đang đề cập được gọi là hiện tượng tán xạ phân tử.
IV.2. Giải thích hiện tượng:
IV.2.1.Màu xanh của bầu trời :
Những phân tử khuếch tán ánh sáng của khí quyển như oxygène, nitrogène, bụi thì có độ lớn gần bằng độ dài của sóng ánh sáng nên thỏa mãn định luật Rayleigh. Do đó cường độ màu được khuếch tán tỷ lệ nghịch với lũy thừa bốn của độ dài sóng của nó. Những quang tử (photon) mang màu xanh thì được khuếch tán nhiều trong lúc màu đỏ thì không.
Cường độ khuếch tán của màu xanh: I xanh = 1/(446.10-9)4 = 2,52.1025 Cường độ khuếch tán của màu đỏ: I đỏ = 1/(750.10-9)4 =3.16.1024
Tỷ lệ giữa màu xanh và màu đỏ: I xanh / Iđỏ = 8.
Vậy màu xanh khuếch tán mạnh hơn màu đỏ 8 lần.
Khi ta nhìn trời, ánh sáng đến mắt ta có hai nguồn gốc khác nhau: một nguồn từ mặt trời đi thẳng, một nguồn khác theo một quá trình lộn xộn và không thể biết trước (mà người ta gọi là chuyển động Brownien), khuếch tán khắp nơi trong khí quyển đến ta. Nguồn thứ nhất màu trắng và gây ra những cái bóng vì nó đi thẳng từ mặt trời đến trong khi nguồn thứ hai thì bị màu xanh lấn át và không gây ra bóng bởi vì nó đến từ khắp mọi phía.
Vậy thì ánh sáng khuếch tán bởi khí quyển chứa rất nhiều bức xạ màu xanh hơn bức xạ màu đỏ (8 lần): mắt ta nhận màu xanh da trời .
Do đó bầu trời có màu xanh.
Sự giải thích này cũng phải được bổ túc. Theo lý giải ở trên, màu xanh lơ của bầu trời, là do các tia sáng xanh bị tán xạ đi nhiều hơn tia sáng đỏ. Nhưng sự tán xạ này cũng mạnh không kém ở các tia tím, vậy tại sao bầu trời không phải là màu tím!
Câu trả lời, được giải thích đầy đủ đó là do mắt của người quan sát.
Ánh sáng trắng được tạo thành từ tất cả các màu đơn sắc. Các nhà vật lý cho rằng
Bầu trời xanh tại trang trại Estacado - Nam Mỹ
ôxy trên bầu trời, nó bị tán xạ, hoặc khúc xạ. Các tia sáng có bước sóng ngắn nhất (xanh và tím) bị tán xạ mạnh hơn các tia sóng dài (đỏ và vàng). Và chính những tia tán xạ này đi tới mắt chúng ta. Vì thế, khi chúng ta nhìn theo một hướng trên bầu trời, chúng ta nhìn thấy những ánh sáng bước sóng bị tán xạ nhiều nhất, thường là cuối dải màu xanh.
Gần đây, Raymond Lee từ Học viện hải quân Mỹ tiến hành đo ánh sáng trên bầu trời vào giữa trưa. Cả phương trình và phép đo đạc đều cho thấy cường độ của ánh sáng tím tới mắt ta cũng nhiều không kém gì ánh sáng xanh dương.
"Cách lý giải truyền thống về bầu trời xanh là ánh sáng mặt trời bị tán xạ - các bước sóng ngắn hơn thì tán xạ mạnh hơn các tia sóng dài. Song thực tế, một nửa lời giải thích thường bị bỏ qua: đó là bằng cách nào mắt chúng ta nhận được phổ này", Glenn Smith, một giáo sư cơ khí tại Viện Công nghệ Georgia nhận xét. Smith đã viết một bài báo để giải thích trên số mới đây của tạp chí American Journal of Physics, kết hợp vật lý ánh sáng với hệ thống thị giác của mắt người.
Mắt người nhìn được màu sắc là nhờ vào 3 loại tế bào hình nón, que và hình trụ trên võng mạc. Mỗi loại cảm nhận tương ứng với một loại ánh sáng có bước sóng khác nhau: dài, vừa và ngắn. "Bạn sẽ cần cả ba loại tế bào này mới nhìn màu chính xác được", Smith giải thích.
Khi một bước sóng ánh sáng đi đến mắt, tế bào hình nón sẽ gửi một tín hiệu tới não. Nếu là ánh sáng xanh dương với các gợn sóng ngắn, tế bào nón sẽ phát tín hiệu để não nhìn ra màu xanh. Nếu là sóng đỏ với các bước sóng dài, não sẽ nhìn thấy màu "đỏ".
Tuy nhiên cả ba loại tế bào trên đều nhạy cảm trên một khoảng rộng, có chỗ chồng chập lên nhau, điều đó có nghĩa là hai phổ khác nhau có thể gây ra cùng một phản ứng ở một nhóm các tế bào nón. Chẳng hạn nếu một sóng đỏ và sóng xanh lục đi vào mắt cùng lúc, các tế bào nón khác nhau sẽ gửi một tín hiệu mà não dịch ra là màu vàng.
Smith đã chỉ ra rằng, màu cầu vồng đa sắc của bầu trời khi đi vào mắt người sẽ được cảm nhận tương tự như sự chồng chập của ánh sáng xanh dương "nguyên chất" với ánh sáng trắng. Và đó là lý do vì sao bầu trời xanh lơ - hoặc gần như vậy.
Tóm lại, bầu trời có màu xanh lam là do ánh sáng mặt trời đi vào bầu khí quyển là ánh sáng trắng, trong dó các tia màu bị tán xạ mạnh là các tia tím, chàm và lam. Và mắt ta nhạy cảm nhất với những màu nằm ở giữa của quang phổ, mà tia sáng lam lại
nằm dày đặc ở chính phần giữa đó, cho nên chúng ta cảm nhận được nó nhiều hơn các tia màu chàm và màu tím.
IV.2.2.Màu của Mặt trời :
Nếu ánh sáng khuếch tán chứa nhiều tia màu chàm là bởi vì nó tùy thuộc vào ánh sáng được chuyển đến (mắt ta). Ánh sáng càng thiếu mất màu chàm khi đường đi của nó trong bầu khí quyển càng lớn.
Mặt trời có màu trắng dưới mắt các phi hành gia ngoài vũ trụ (vì không qua một "lăng kính" thiên nhiên nào hết). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhìn từ trái đất, nó có màu vàng khi ở đỉnh đầu.
Khi mặt trời di chuyển xuống chân trời, nó càng lúc càng đỏ hơn vì ánh sáng của nó đi xuyên qua một lớp khí quyển càng lúc càng dày hơn.
Màu của mặt trời hoàng hôn:
Buổi hoàng hôn, ánh sáng Mặt trời chiếu một khoảng cách dài hơn (đường xéo d2
dài hơn đường d1) trước khi đến mắt ta. Số phân tử mà ánh sáng dội (bondir) lên đó nhiều hơn rất nhiều nên những màu chàm và tím có nhiều thời gian để bị khuếch tán hoàn toàn. Do sự vắng mặt của thành phần chàm
và tím mà thành phần còn lại là vàng và đỏ với một ít xanh lá cây tạo cho bầu trời có màu đỏ tía (pourpre).
Màu của Mặt trời bình minh:
Cũng như mặt trời hoàng hôn, Mặt trời bình minh ở sát chân trời vì trong quá trình xa xôi ánh
sáng của nó đã mất đi phần lớn ánh sáng màu chàm và xanh nên còn lại màu cam và đỏ. Mặt trời bình minh có màu đỏ cam.
Mây khuếch tán màu đỏ này khắp mọi hướng nên truyền những màu này đến mắt ta cả một không gian nhuộm đỏ cam thật đẹp.
Lúc Mặt trời mới mọc hoặc sắp lặn không phải toàn bộ ánh sáng Mặt trời đều tán xạ qua tầng khí quyển dày hơn để đi đến mắt ta, mà một số ánh sáng đã thoát lên phần khí quyển ở ngay phía trên đầu của chúng ta. Mặc dầu chỉ có một phần nhỏ ánh sáng đi được tới phần trên này, nhưng đó toàn là các tia sáng màu có bước sóng ngắn trong ánh sáng trắng d9a4 bị tán xạ. Do đó bầu trời trên đầu chúng ta vẫn có sắc thái xanh lam trong khi mặt trời bình minh và hoàng hôn có màu vàng, cam và đỏ.
Mặt trời xanh :
Mặt trời xanh là kết quả của sự tán sắc dị thường của ánh sáng Mặt trời trong điều kiện các tạp chất có kích thước so sánh được với bước sóng của phần ánh sáng nhìn thấy. Như đã nói ở phần lí thuyết, định luật Rayleigh chỉ áp dụng được nếu các hạt tạp chất có kích thước bé hơn nhiều lần so với bước sóng của ánh sáng tới (khoảng 0,001µm). Khi các vi thể tạp chất có kích thước r = 0,7 µm thì ánh sáng Mặt trời sẽ tán xạ một cách dị thường: phần màu đỏ của quang phổ mặt trời bị tán xạ mạnh hơn tất phải thoát
ra ngoài trường nhìn của ta, còn phần màu xanh bị tán xạ yếu hơn lại lọt vào mắt người quan sát. Lúc này Mặt trời không còn sáng như bình thường hoặc đỏ như lúc mới mọc mà lại trông thấy có màu xanh.
Trong khí quyển có chứa các hạt nước, nhỏ nhất là các hạt chứa trong mây có kích thước r = 3 -5 µm. Trong sương mù các giọt có r = 5 - 50 µm, còn trong mưa thì các giọt nước có r = 0,1- 2,5 µm. Không có giọt nước có kích thước vào cỡ r = 0,7 µm, cho nên ta dễ hiểu vì sao bình thường không có thấy hiện tượng Mặt trời xanh. Tuy nhiên vào ngày 26 tháng 9 năm 1951 người dân ở nhiều nước Tây Âu đã sững sờ xúc động vì một cảnh tượng kì lạ: Mặt trời ban ngày có màu xanh biển thẳm, còn về buổi tối thì Mặt trăng cũng có màu xanh !
Được trang bị bằng lí thuyết tán xạ ánh sáng, người ta đã mau chóng tìm ra nguyên nhân gây nên hiện tượng dị thường về màu sắc này. Số là do gió thổi từ Canada ở bên kia bờ Đại tây dương đã đem theo những đám mây khổng lồ gồm các hạt nhựa cây bốc bay lên từ những đám cháy rừng rộng lớn tại đỉnh Albert của nước này. Đo đạc kích thước của các hạt nhựa cây và các tham số ứng với tán xạ dị thường của ánh sáng trong không khí, người ta thu được kết quả hoàn toàn đúng như lí thuyết dã dự đoán. Người dân Tây Âu hiểu rõ cơ sở khoa học của hiên tượng mặt trời và mặt trăng màu xanh nên không còn lo sợ vì những…điềm báo dữ của một tai họa mơ hồ nào đó mà một số người vì tư lợi thường hay tung tin để lừa bịp dân chúng.
IV.2.3.Màu của mây, sương mù :
Màu trắng của Mây:
Màu xanh của bầu trời là do sự khuếch tán ánh sáng bởi các phân tử nhỏ hơn rất nhiều so với các sóng của tia sáng mà mắt chúng ta nhận được.
Nếu những phần tử làm khuếch tán ánh sáng này to lớn hơn nhiều so với các sóng của tia sáng thì sẽ có một hiện tượng truyền ánh sáng có tính chất khác hẳn: Tất cả các tia sáng đều được khuếch tán đồng đều như nhau. Những phần tử khi nhận tia sáng sẽ phản chiếu khắp nơi, nhất là vào mắt ta, một ánh sáng y hệt như ánh sáng nguồn, tức là ánh sáng không bị phân tích, hay còn gọi là ánh sáng trắng.
Mây gồm những giọt nước nhỏ hay những tinh thể nước đá (vì càng lên cao nhiệt độ càng giảm) có kích thước nhỏ vài micron nhưng cũng khá lớn so với độ dài sóng của ánh sáng. Chúng sẽ phản chiếu trở lại tất cả những màu của ánh sáng mặt trời, và sự tổng hợp của tất cả những màu đó lại là màu trắng. Do đó mây có màu trắng.