Vì sao ban ngày trời xanh, còn hoàng hôn lại đỏ?
Cốt lõi là: ánh sáng Mặt Trời là ánh sáng trắng, nhưng khi đi qua khí quyển Trái Đất, các màu không bị tán xạ giống nhau.
Màu xanh lam bị tán xạ mạnh hơn màu đỏ, nên:
- Ban ngày: ánh sáng xanh bị rải khắp bầu trời → ta thấy trời xanh
- Lúc hoàng hôn: ánh sáng phải đi qua lớp khí quyển dày hơn rất nhiều, phần xanh bị “lọc” bớt khỏi tia sáng trực tiếp, còn lại nhiều đỏ/cam → ta thấy Mặt Trời và vùng trời gần chân trời đỏ hơn
1) Ánh sáng trắng thực ra gồm nhiều màu
Ánh sáng từ Mặt Trời nhìn có vẻ trắng, nhưng thật ra là hỗn hợp nhiều bước sóng:
- tím / xanh lam: bước sóng ngắn
- xanh lục
- vàng
- cam / đỏ: bước sóng dài
Điểm quan trọng là: khí quyển không đối xử các màu như nhau.
2) Cơ chế chính: tán xạ Rayleigh
Trong khí quyển có rất nhiều phân tử khí nhỏ như:
- nitơ
- oxy
Chúng nhỏ hơn rất nhiều so với bước sóng ánh sáng.
Khi ánh sáng gặp các phân tử này, xảy ra hiện tượng gọi là tán xạ Rayleigh.
Quy luật quan trọng
Cường độ tán xạ xấp xỉ tỉ lệ với:
1 / bước sóng^4
Nói đơn giản:
- bước sóng càng ngắn → bị tán xạ càng mạnh
- bước sóng càng dài → bị tán xạ yếu hơn
Vì vậy:
- ánh sáng xanh lam bị tán xạ mạnh hơn nhiều
- ánh sáng đỏ bị tán xạ ít hơn
Đây là lý do nền tảng nhất.
3) Vậy tại sao bầu trời ban ngày màu xanh?
Khi Mặt Trời ở cao, ánh sáng đi vào khí quyển theo quãng đường tương đối ngắn.
Điều xảy ra:
- ánh sáng trắng từ Mặt Trời đi vào khí quyển
- thành phần xanh lam bị các phân tử không khí tán xạ ra mọi hướng mạnh hơn các màu khác
- mắt ta nhìn lên mọi hướng trên trời đều nhận được phần ánh sáng xanh bị rải ra đó
Kết quả: cả vòm trời có màu xanh.
Tại sao không phải tím, vì tím còn bước sóng ngắn hơn?
Câu này hay vì nó cho thấy phải nhìn cả vật lý + sinh học thị giác.
Có 3 lý do chính:
- ánh sáng Mặt Trời phát ra ở vùng tím ít hơn vùng xanh một chút
- tầng khí quyển trên hấp thụ một phần ánh sáng tím/ tử ngoại
- mắt người nhạy với xanh lam/xanh lục hơn tím
Nên tổng hợp lại, bầu trời hiện ra xanh lam chứ không tím.
4) Tại sao hoàng hôn lại đỏ?
Khi Mặt Trời gần chân trời, tia sáng không đi thẳng “xuyên xuống” mà đi chéo qua khí quyển.
Hệ quả:
Quãng đường ánh sáng phải đi qua dài hơn nhiều so với lúc trưa.
Có thể hình dung:
- buổi trưa: ánh sáng xuyên qua lớp không khí gần như ngắn nhất
- hoàng hôn: ánh sáng lướt ngang qua khí quyển, nên đi qua lượng không khí lớn hơn rất nhiều
Điều này làm gì?
Vì quãng đường dài hơn:
- màu xanh, tím bị tán xạ ra khỏi chùm sáng trực tiếp rất mạnh
- màu đỏ, cam ít bị tán xạ hơn nên còn lại nhiều hơn trong tia đi thẳng tới mắt ta
Thế là:
- Mặt Trời trông đỏ/cam
- vùng trời quanh chân trời cũng đỏ/cam
Nói cách khác, hoàng hôn đỏ là ánh sáng đã bị “lọc bỏ” bớt các màu bước sóng ngắn.
5) Vì sao có hôm hoàng hôn đỏ rực, có hôm chỉ vàng nhạt?
Vì ngoài tán xạ Rayleigh còn có bụi, hơi nước, khói, ô nhiễm, sol khí trong không khí.
Có hai kiểu tác động chính
a) Không khí rất sạch
- tán xạ Rayleigh chiếm ưu thế
- trời xanh rõ
- hoàng hôn có thể đẹp nhưng “mảnh”, trong
b) Không khí có nhiều hạt lớn hơn phân tử khí
Ví dụ:
- bụi
- khói cháy rừng
- hạt ô nhiễm
- sương mù mỏng
Khi đó xuất hiện nhiều tán xạ Mie hơn, do các hạt lớn hơn gây ra.
Đặc điểm:
- ít phụ thuộc bước sóng hơn Rayleigh
- làm bầu trời trắng đục hơn
- nhưng trong một số điều kiện lại làm hoàng hôn đỏ/cam rực hơn, vì ánh sáng bị suy giảm và lọc theo cách phức tạp hơn
Đó là lý do sau núi lửa lớn hoặc cháy rừng, hoàng hôn đôi khi đỏ rất mạnh.
6) Tại sao mây thường trắng, không xanh?
Mây gồm các giọt nước hoặc tinh thể băng, kích thước lớn hơn nhiều so với phân tử khí.
Chúng tán xạ gần như mọi màu khá đều nhau, nên ánh sáng trộn lại thành trắng.
- mây dày → ít ánh sáng xuyên qua → trông xám
- mây mỏng, đủ nắng → trông trắng
Nên:
- không khí phân tử → thiên về Rayleigh → trời xanh
- giọt nước lớn trong mây → tán xạ khá đều → mây trắng/xám
7) Tại sao bầu trời không xanh đều mọi chỗ?
Vì màu bầu trời phụ thuộc vào:
- hướng bạn nhìn
- vị trí Mặt Trời
- độ sạch của không khí
- độ ẩm
- độ cao
- hạt bụi/ô nhiễm
Ví dụ:
- nhìn gần Mặt Trời: bầu trời thường trắng hơn vì ánh sáng trực tiếp rất mạnh và có thêm tán xạ hướng về phía trước
- nhìn lệch xa Mặt Trời: xanh rõ hơn
- trên núi cao: trời thường xanh đậm hơn vì không khí loãng, ít bụi hơn
8) Một hình dung rất trực quan
Hãy tưởng tượng ánh sáng Mặt Trời là một đoàn người gồm:
- người nhỏ, nhanh, dễ bị đẩy lệch = màu xanh
- người to, lì hơn = màu đỏ
Khí quyển như một đám đông chật chội:
- đi đoạn ngắn: người nhỏ bị va đập, văng ra khắp nơi → bầu trời xung quanh đầy “xanh”
- đi đoạn rất dài: người nhỏ bị bật ra gần hết khỏi hàng ngũ đi thẳng → chùm còn lại chủ yếu là “đỏ”
Đó chính là khác biệt giữa trời xanh ban ngày và hoàng hôn đỏ.
9) Một số ngộ nhận hay gặp
“Bầu trời phản chiếu màu của đại dương”
Sai.
Biển có thể phản chiếu màu trời phần nào, nhưng trời xanh không phải vì phản chiếu từ biển. Nếu vậy thì trên sa mạc trời đã không xanh.
“Hoàng hôn đỏ vì Mặt Trời đổi màu”
Không phải Mặt Trời tự đổi màu.
Ánh sáng của nó bị khí quyển lọc và tán xạ khác đi trước khi tới mắt ta.
“Không khí có màu xanh”
Không khí tự nó không “xanh” theo kiểu sơn xanh.
Mà cái ta thấy là ánh sáng xanh bị tán xạ vào mắt.
10) Tóm gọn một câu
- Ban ngày trời xanh vì ánh sáng xanh bị các phân tử khí tán xạ mạnh và rải khắp bầu trời.
- Hoàng hôn trời đỏ vì ánh sáng đi qua quãng đường khí quyển dài hơn, phần xanh bị tán xạ mất khỏi tia trực tiếp, còn lại chủ yếu đỏ/cam.
Nếu bạn muốn, mình có thể giải thích tiếp theo kiểu “vì sao trời xanh nhưng không gian ngoài vũ trụ lại đen” hoặc “Rayleigh và Mie khác nhau như thế nào”.