Vì sao bầu trời màu xanh?
Ngắn gọn: ánh sáng Mặt Trời là ánh sáng trắng, gồm nhiều màu khác nhau. Khi đi qua khí quyển Trái Đất, các phân tử không khí làm tán xạ ánh sáng xanh mạnh hơn ánh sáng đỏ, nên từ nhiều hướng trên bầu trời, mắt ta nhận được nhiều ánh sáng xanh hơn. Vì thế ta thấy bầu trời có màu xanh.
1) Ánh sáng Mặt Trời thật ra không “trắng đơn giản”
Ánh sáng Mặt Trời chứa nhiều bước sóng:
- Tím
- Xanh lam
- Xanh lục
- Vàng
- Cam
- Đỏ
Mỗi màu tương ứng với một bước sóng khác nhau:
- Ánh sáng xanh/tím: bước sóng ngắn
- Ánh sáng đỏ: bước sóng dài
2) Khí quyển làm gì với ánh sáng?
Khí quyển có:
- Các phân tử khí như nitơ, oxy
- Một ít hơi nước
- Hạt bụi rất nhỏ
Khi ánh sáng đi qua, nó không đi thẳng hoàn toàn mà bị tán xạ theo nhiều hướng.
Loại tán xạ quan trọng ở đây là tán xạ Rayleigh, xảy ra khi ánh sáng gặp các hạt rất nhỏ so với bước sóng của nó, như các phân tử không khí.
3) Vì sao màu xanh bị tán xạ mạnh hơn?
Trong tán xạ Rayleigh, cường độ tán xạ tăng rất mạnh khi bước sóng ngắn hơn, xấp xỉ theo quy luật:
- Cường độ tán xạ ∝ 1 / bước sóng⁴
Điều này có nghĩa là:
- Ánh sáng xanh bị tán xạ mạnh hơn ánh sáng đỏ rất nhiều
- Bước sóng càng ngắn, càng dễ bị “hất” ra mọi hướng
Ví dụ:
- Ánh sáng xanh lam có thể bị tán xạ mạnh hơn ánh sáng đỏ vài lần
Vì vậy khi nhìn lên bầu trời (không nhìn thẳng vào Mặt Trời), ánh sáng từ mọi hướng đi vào mắt ta chủ yếu là phần ánh sáng xanh đã bị tán xạ.
4) Tại sao không phải bầu trời màu tím?
Đây là câu hỏi rất hay, vì:
- Ánh sáng tím có bước sóng còn ngắn hơn xanh
- Theo lý thuyết, tím còn bị tán xạ mạnh hơn nữa
Nhưng ta vẫn thấy bầu trời chủ yếu là xanh lam, không phải tím, vì nhiều lý do:
a) Mặt Trời phát ra ít ánh sáng tím hơn ánh sáng xanh
Phổ ánh sáng Mặt Trời ở vùng nhìn thấy không phân bố đều; lượng tím đi đến khí quyển ít hơn lượng xanh trong phần mắt ta cảm nhận rõ.
b) Tầng khí quyển trên cao hấp thụ bớt một phần ánh sáng tím và tử ngoại
Đặc biệt, ozone hấp thụ mạnh vùng tử ngoại và ảnh hưởng phần gần tím.
c) Mắt người nhạy với xanh hơn tím
Võng mạc của ta không cảm nhận tím mạnh bằng vùng xanh lam/xanh lục.
d) Não “trộn màu”
Ánh sáng tán xạ đến mắt không chỉ có xanh, mà là hỗn hợp nhiều màu, trong đó xanh nổi trội hơn theo cảm nhận thị giác.
Kết quả: ta cảm thấy bầu trời là xanh lam nhạt chứ không tím.
5) Vì sao hoàng hôn và bình minh lại đỏ/cam?
Khi Mặt Trời ở gần đường chân trời:
- Ánh sáng phải đi qua quãng đường khí quyển dài hơn nhiều
- Các màu bước sóng ngắn như xanh và tím bị tán xạ ra khỏi tia sáng trực tiếp gần như phần lớn
- Phần còn lại đi thẳng đến mắt ta là:
- đỏ
- cam
- vàng
Nên Mặt Trời và vùng trời gần nó lúc này thường có màu đỏ/cam.
6) Tại sao bầu trời không phải lúc nào cũng xanh giống nhau?
Màu bầu trời thay đổi do nhiều yếu tố:
Khi trời rất trong
- Ít bụi, ít ô nhiễm
- Tán xạ Rayleigh chiếm ưu thế
- Bầu trời xanh sâu, rõ
Khi có nhiều bụi, khói, hơi nước
- Xuất hiện thêm kiểu tán xạ khác như Mie scattering
- Làm bầu trời:
- nhạt màu hơn
- trắng đục hơn
- ít xanh hơn
Khi nhiều mây
- Mây gồm các giọt nước lớn hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng
- Chúng tán xạ gần như mọi màu tương đối đều
- Nên mây thường nhìn trắng hoặc xám
7) Tại sao bầu trời trên Mặt Trăng lại không xanh?
Vì Mặt Trăng gần như không có khí quyển đáng kể.
Không có đủ phân tử khí để tán xạ ánh sáng Mặt Trời, nên:
- ban ngày trên Mặt Trăng, bầu trời vẫn trông đen
- chỉ bề mặt được chiếu sáng mạnh
8) Một hình dung đơn giản
Hãy tưởng tượng:
- Mặt Trời chiếu một chùm ánh sáng trắng vào khí quyển
- Màu đỏ đi khá “thẳng”
- Màu xanh dễ bị các phân tử khí “đẩy lệch” sang nhiều hướng
Khi bạn đứng dưới đất và ngước lên:
- bạn nhận ánh sáng xanh từ khắp nơi trên bầu trời
- nên toàn bộ vòm trời trông xanh
9) Tóm tắt một câu
Bầu trời màu xanh vì các phân tử trong khí quyển tán xạ ánh sáng có bước sóng ngắn (đặc biệt là xanh) mạnh hơn nhiều so với ánh sáng đỏ, khiến mắt ta nhận ánh sáng xanh từ mọi hướng trên bầu trời.
Nếu bạn muốn, mình có thể giải thích tiếp bằng:
- mức phổ thông dễ hiểu cho trẻ em, hoặc
- mức vật lý sâu hơn có công thức Rayleigh và góc phân cực.