Ngạc nhiên với 3 lý do bầu trời buổi trưa màu xanh, chiều lại ngả sang màu đỏ

Nếu bạn từng tò mò về thế giới mình đang sống, có lẽ bạn đã từng thắc mắc tại sao bầu trời lại có màu xanh. Các câu trả lời mà mọi người thường đưa ra để trả lời bao gồm: ánh sáng mặt trời có màu xanh, bản thân oxy là một chất khí màu xanh lam hoặc rằng bầu trời phản chiếu các đại dương... đều không đúng khi hoàng hôn buông xuống vì lúc đó bầu trời lại chuyển sang màu đỏ.

Trong hàng nghìn năm, loài người phải đơn giản chấp nhận những đặc tính này của thế giới chúng ta như những sự thật hiển nhiên. Nhưng với những tiến bộ của khoa học hiện đại, chúng ta đã hiểu tại sao bầu trời có màu xanh lam rồi lại chuyển sang màu đỏ.

Trái ngược với những gì bạn có thể đã đọc, không có một yếu tố duy nhất nào chịu trách nhiệm cho màu xanh của bầu trời Trái đất.

Bầu trời có màu xanh không vì ánh sáng mặt trời có sắc xanh. Mặt trời của chúng ta phát ra ánh sáng có nhiều bước sóng khác nhau và ánh sáng đó tổng hợp thành thứ mà ta gọi là ánh sáng trắng. Bản thân oxy không phải là một loại khí có màu xanh lam, mà là trong suốt với ánh sáng.

Tuy nhiên, có vô số phân tử và các hạt lớn hơn trong bầu khí quyển của chúng ta đóng vai trò tán xạ ánh sáng có bước sóng khác nhau với lượng khác nhau. Đại dương không đóng vai trò gì trong màu sắc của bầu trời, nhưng sự nhạy cảm của mắt chúng ta thì hoàn toàn có: chúng ta không nhìn thấy thực tế như nó vốn có, mà đúng hơn là khi các giác quan của chúng ta cảm nhận nó và bộ não của chúng ta diễn giải nó.

Ba yếu tố gồm: ánh sáng của Mặt trời, hiệu ứng tán xạ của bầu khí quyển Trái đất và phản ứng của mắt người - là những yếu tố kết hợp để tạo cho bầu trời có màu xanh lam.

Khi cho ánh sáng mặt trời chiếu qua một lăng kính, chúng ta có thể thấy cách nó phân tách thành các thành phần riêng lẻ gọi là ánh sáng đơn sắc. Ánh sáng năng lượng cao nhất cũng là ánh sáng có bước sóng ngắn nhất (và tần số cao), trong khi ánh sáng năng lượng thấp hơn có bước sóng dài hơn (và tần số thấp). Lý do ánh sáng bị phân tách hoàn toàn bởi vì bước sóng là thuộc tính quan trọng quyết định cách ánh sáng tương tác với vật chất.

Ví dụ các lớp phủ mỏng trên kính râm của bạn phản xạ ánh sáng cực tím, tím và xanh dương, nhưng cho phép các màu lục, vàng, cam và đỏ có bước sóng dài hơn đi qua. Và các hạt nhỏ, vô hình tạo nên bầu khí quyển của chúng ta - các phân tử như nitơ, oxy, nước, carbon dioxide, cũng như các nguyên tử argon - tán xạ ánh sáng ở tất cả các bước sóng, nhưng tán xạ ánh sáng có bước sóng ngắn hơn, xanh hơn một cách hiệu quả hơn.

Có một lý do vật lý đằng sau điều này: tất cả các phân tử tạo nên bầu khí quyển của chúng ta đều có kích thước nhỏ hơn các bước sóng ánh sáng khác nhau mà mắt người có thể nhìn thấy. Cụ thể, các phân tử O2, O3 và N2 trong bầu khí quyển Trái đất có kích thước vào cỡ nanômét, trong khi bước sóng ánh sáng vào cỡ 100 đến 1.000 nanômét. Bản thân các phân tử này tán xạ rất yếu ánh sáng, do kích thước quá nhỏ, nhưng chúng lại luôn chuyển động nhiệt hỗn loạn tạo nên các vùng khí quyển không đồng nhất vi mô, có kích thước vào cỡ 10 nanômét. Các bước sóng gần với kích thước của các phân tử hiện diện sẽ tán xạ hiệu quả hơn; về mặt định lượng, định luật mà nó tuân theo được gọi là tán xạ Rayleigh*.

Ánh sáng tím ở giới hạn bước sóng ngắn mà chúng ta có thể nhìn thấy, tán xạ thường xuyên hơn 9 lần so với ánh sáng đỏ, bước sóng dài nhất trong thang sóng có thể nhìn của chúng ta. Đây là lý do tại sao trong thời gian bình minh, hoàng hôn và nguyệt thực, ánh sáng đỏ vẫn có thể truyền qua bầu khí quyển một cách hiệu quả, nhưng các bước sóng ánh sáng xanh hơn thực tế không tồn tại, chúng được ưu tiên tán xạ ra xa.

Vì các bước sóng của ánh sáng càng xanh càng dễ tán xạ, nên ánh sáng mặt trời càng đi qua nhiều bầu khí quyển hơn thì sẽ càng trở nên đỏ hơn. Tuy nhiên, phần còn lại của bầu trời sẽ được chiếu sáng bởi ánh sáng mặt trời gián tiếp: ánh sáng chiếu vào bầu khí quyển và sau đó chuyển hướng về phía mắt bạn. Phần lớn ánh sáng đó sẽ có bước sóng màu xanh, đó là lý do tại sao bầu trời có màu xanh vào ban ngày.

Nó sẽ chỉ có màu đỏ hơn nếu có đủ khí quyển để tán xạ ánh sáng xanh đó trước khi nó đến mắt bạn. Nếu mặt trời ở dưới đường chân trời, tất cả ánh sáng phải đi qua một lượng lớn bầu khí quyển. Ánh sáng xanh hơn bị phân tán ra xa mạnh hơn, theo mọi hướng, trong khi ánh sáng đỏ hơn ít có khả năng bị phân tán hơn, nghĩa là nó đi thẳng đến mắt bạn hơn. Nếu bạn đã từng lên máy bay sau khi mặt trời lặn hoặc trước khi mặt trời mọc, bạn có thể có được một cái nhìn ngoạn mục về hiệu ứng này.

Điều này có thể giải thích tại sao hoàng hôn, bình minh và nguyệt thực có màu đỏ, nhưng có thể khiến bạn thắc mắc tại sao bầu trời có màu xanh thay vì màu tím. Thật vậy, thực sự có một lượng ánh sáng tím phát ra từ bầu khí quyển nhiều hơn ánh sáng xanh lam, nhưng cũng có sự pha trộn của các màu khác. Bởi vì mắt của bạn có ba loại tế bào hình nón (để phát hiện màu sắc), cùng với tế bào hình que, các tín hiệu từ cả bốn tế bào đó truyền về não để xác định cảm giác màu.

Mỗi loại tế bào hình nón, cộng với tế bào que, nhạy cảm với ánh sáng có bước sóng khác nhau, nhưng tất cả chúng đều bị kích thích ở một mức độ nào đó bởi bầu trời. Mắt của chúng ta phản ứng mạnh hơn với các bước sóng ánh sáng xanh dương, xanh lam và xanh lơ so với ánh sáng tím. Mặc dù có nhiều ánh sáng tím hơn, nhưng nó không đủ để vượt qua tín hiệu màu xanh lam mạnh mẽ mà bộ não của chúng ta phát ra, và đó là lý do tại sao bầu trời có màu xanh lam đối với mắt chúng ta.

Nói cách khác, với những loài động vật có tế bào cảm nhận ánh sáng nhạy cảm chuẩn với thang màu thì chúng sẽ thấy bầu trời có màu tím chứ không phải màu xanh.

Trong vật lý hạt, tán xạ là hiện tượng các hạt bị bay lệch hướng khi va chạm vào các hạt khác. 

Trong quang học, tán xạ là hiện tượng photon bị đổi hướng khi gặp các vật, có thể vĩ mô như các tiểu hành tinh, các viên đá trong vành đai sao Thổ, hay các vật chất vi mô như các hạt bụi, phân tử... Trong quá trình tán xạ thuần túy, năng lượng photon không thay đổi, chỉ có hướng thay đổi ngẫu nhiên theo một hàm mật độ xác suất gọi là hàm tán xạ.

Thực tế, khi photon gặp các vật chất, không những hướng đi của nó thay đổi mà có thể cả năng lượng thay đổi (giảm bởi hiện tượng hấp thụ hay tăng bởi hiện tượng bức xạ). Lúc đó cùng xảy ra tán xạ thuần túy và hấp thụ/bức xạ thuần túy.

Tán xạ Rayleigh được đặt theo tên một nhà vật lý người Anh - Lord Rayleigh (John William Strutt), là một loại tán xạ đàn hồi của ánh sáng hoặc sóng điện từ bởi các hạt hay các vùng không đồng nhất trong môi trường có kích thước rất nhỏ hơn so với bước sóng của ánh sáng.

Kiểu tán xạ này làm lệch hướng mạnh các tia sáng có bước sóng ngắn nhất. Tán xạ Rayleigh hay được quan sát khi ánh sáng đi qua các chất rắn, lỏng hay khí trong suốt. Ánh sáng trắng từ Mặt trời đi vào khí quyển của Trái đất bị cũng tán xạ kiểu Rayleigh, tạo nên bầu trời màu xanh da trời.

Anh Tú (dịch)