"Trời xanh, mây trắng,..." đều là những hiện tượng tự nhiên hết sức bình thường mà chúng ta gặp mỗi ngày. Bầu trời xanh bao la luôn là chủ đề bất tận cho những bức ảnh, tranh vẽ, bài hát,... và nhiều vấn đề khác có liên quan đến nghệ thuật. Bầu trời xanh là nơi gắn liền với cánh diều tuổi thơ hay những chiếc drone mà anh em công nghệ vẫn hằng đam mê. Tuy nhiên, có bao giờ bạn thắc mắc tại sao bầu trời có màu xanh mà không phải là những màu khác? Trong nhiều thế kỷ qua, các nhà khoa học bao gồm cả Aristotle, Isaac Newton, Thomas Young, James Clerk Maxwell và Hermann von Helmholtz,... cũng đã có câu hỏi giống như vậy.
Và bằng những lý giải dưới góc độ khoa học với nhiều yếu tố khác nhau như màu sắc trong ánh sáng mặt trời, góc chiếu của ánh sáng mặt trời trong khí quyển, kích thước và thành phần của các nguyên tố trong không khí, cách mắt người cảm nhận màu sắc,... các nhà khoa học đã tìm thấy lời giải đáp cho hiện tượng tưởng chừng như hiển nhiên như thế. Chuyên mục "Tại sao" lần này, mình sẽ cùng các bạn đi tìm lời giải đáp cho câu hỏi "Tại sao bầu trời có màu xanh?" nhé. Qua câu hỏi chính trên, chúng ta sẽ còn giải đáp những câu hỏi khác cũng có cùng lời giải đáp như: "Tại sao hoàng hôn màu đỏ? Tại sao mặt trời có màu vàng?, thực chất bầu trời màu gì?"
Để trả lời cho câu hỏi chung, trước tiên chúng ta sẽ nói về khái niệm đầu tiên nhé.
Khí quyển
Bầu khí quyển là một hỗn hợp các phân tử khí và các loại vật liệu khác trên Trái Đất. Chiếm tỷ trọng lớn nhất là khí Nito (78%) và khí Oxy (21%). Tiếp theo là khí Argon và nước (dưới dạng hơi, hạt mưa, hoặc tinh thể băng). Ngoài ra, còn có một lượng nhỏ các khí khác và nhiều hạt nhỏ như bụi, muội, tro, phấn hoa,...
Thành phần của khí quyển rất đa dạng phụ thuộc vào vị trí địa lý, thời tiết và nhiều nhân tố khác. Núi lửa cũng đóng góp một lượng không nhỏ vào trong bầu khí quyển. Ngoài ra còn có các chất thải từ hoạt động của con người. Bầu không khí càng gần mặt đất thì càng dày đặt. Và sau đó sẽ loãng dần khi càng lên cao cách xa mặt đất hơn.
Sóng ánh sáng
Dưới góc độ vật lý học, ánh sáng mặt trời là 1 dạng năng lượng bức xạ điện từ có bước sóng nằm trong vùng quang phổ khả kiến (nhìn thấy được bằng mắt thường, khoảng từ 380 nm đến 740 nm). Giống như các bức xạ điện từ khác, ánh sáng cũng được mô tả như những đợt sóng hạt chuyển động với các hạt gọi là photon ánh sáng.
Ánh sáng là một sóng dao động điện và từ trường. Nó là 1 phần nhỏ trong dải tất cả các tần số có thể có của bức xạ điện từ. Dải các tần số này gọi là phổ điện từ. Phổ điện từ của 1 đối tượng là phân bố đặc trưng của các bức xạ điện từ phát ra hoặc hấp thụ bởi các đối tượng cụ thể.
Sóng điện từ di chuyển trong không gian với vận tốc 299.792.458 m/s. Đây chính là vận tốc của ánh sáng.
Năng lượng của bức xạ điện từ phụ thuộc vào bước sóng và tần số của nó. Bước sóng chính là khoảng cách giữa các đỉnh sóng. Tần số là số đỉnh sóng đi qua 1 điểm trong 1 đơn vị thời gian (mỗi giây). Ánh sáng có bước sóng càng dàu, tần số càng ngắn và càng chứa ít năng lượng.
Màu sắc của ánh sáng
Ánh sáng khả kiến (ánh sáng nhìn thấy được) là một phần của phổ điện từ mà mắt người có thể nhìn thấy được. Ánh sáng từ mặt trời hay bóng đèn điện được gọi là ánh sáng trắng. Tuy nhiên, bên trong ánh sáng trắng là một tập hợp của những màu sắc khác nhau. Khi chúng ta chiếu một chùm ánh sáng trắng qua một lăng kính, chúng ta sẽ có thể thấy được những màu sắc khác nhau bên trong ánh sáng trắng. Quang phổ này tương tự như các màu sắc của cầu vòng mà bạn nhìn thấy được.
Các màu sắc trong ánh sáng trắng được pha trộn một cách liên tục từ màu này đến màu khác. Dải màu này bắt đầu từ đỏ, cam. Tiếp theo sẽ là vàng, lục, lam, chàm và kết thúc bởi màu tím. Mỗi màu sắc tương ứng với 1 bước sóng, tần số và mang năng lượng khác nhau. Ánh sáng tím có bước sóng ngắn nhất trong dải quang phổ khả kiến. Điều này đồng nghĩa với việc tần số và năng lượng của ánh sáng tím là cao nhất trong dải quang phổ khả kiến. Ngược lại, ánh sáng đỏ có bước sóng dài nhất, tần số thấp nhất và sẽ mang ít năng lượng nhất.
Ánh sáng trong không khí
Ánh sáng di chuyển trong không gian theo đường thẳng nếu không có gì làm nó bị nhiễu loạn. Khi ánh sáng di chuyển vào trong bầu khí quyển, nó tiếp tục đi theo đường thẳng cho đến khi gặp phải các hạt bụi nhỏ hoặc các phân tử khí cản lại. Kể từ lúc này, những gì xảy ra với ánh sáng phụ thuộc vào bước sóng của nó và kích thước của những vật mà nó chiếu vào.
Những hạt bụi và nước trong không khí có kích thước lớn hơn so với bước sóng của ánh sáng khả kiến. Khi ánh sáng chiếu vào những hạt có kích thước lớn hơn, nó sẽ bị phản xạ lại theo nhiều hướng khác nhau hoặc bị các vật cản hấp thu. Do các màu sắc khác nhau trong ánh sáng đều bị phản xạ lại từ các hạt theo cùng một hướng nên ánh sáng phản xạ từ các hạt cản vẫn là ánh sáng trắng và chứa tất cả các màu ban đầu.
Ngoài bụi và nước, trong khí quyển cũng chứa các phân tử khí. Các phân tử khí này có kích thước nhỏ hơn so với bước sóng của ánh sáng khả kiến. Nếu ánh sáng trắng chiếu vào các phân tử khí, thì chuyện không đơn giản như khi chiếu vào bụi hay các hạt nước.
Khi ánh sáng chiếu vào phân tử khí, "một phần" của nó có thể bị phân tử khí hấp thụ. Sau đó, các phân tử khí sẽ bức xạ ánh sáng theo nhiều hướng khác với ban đầu. Sở dĩ có khái niệm "một phần" xuất hiện ở đây là vì sẽ có một số bước sóng trong ánh sáng trắng (tương ứng với các màu sắc) dễ bị hấp thụ, một số bước sóng khác khó bị hấp thụ hơn. Nói cách khác, một số bước sóng ngắn (như màu xanh dương) sẽ bị hấp thụ nhiều hơn so với các bước sóng dài (như màu đỏ).
Nhà vật lý học người Anh John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh (1842-1919) Người đề xuất phương trình xác định hệ số tán xạ Rayleigh giúp lý giải nguyên nhân bầu trời có màu xanh
Quá trình trên được gọi là tán xạ Rayleigh. Hiện tượng được đặt theo tên của người phát hiện ra nó: Lord John Rayleigh, một nhà vật lý học người Anh. Vào năm 1871, Rayleigh đã đưa ra phương trình tính hệ số tán xạ của một vật tỷ lệ nghịch với bước sóng ánh sáng (ký hiệu là lamda) mũ 4. Nói cách khác, ánh sáng có bước sóng càng ngắn thì càng bị tán xạ nhiều hơn và ngược lại.
Đã có thể trả lời câu hỏi ban đầu: Màu xanh của bầu trời là do tán xạ Rayleigh
Do bước sóng của ánh sáng (100~1000 nm) lớn hơn so với kích thước của các phân tử khí (10 nm) nên chúng ta có thể áp dụng công thức tán xạ Rayleigh cho hiện tượng tán xạ ánh sáng trong khí quyển của Trái Đất.
Khi ánh sáng đi vào khí quyển của Trái Đất, hầu hết những bước sóng dài đều không bị các phân tử khí hấp thụ nên có thể đi xuyên qua. Một ít ánh sáng đỏ, cam, vàng có thể bị ảnh hưởng của không khí. Tuy nhiên, một lượng lớn bước sóng ngắn đã bị các phân tử khí hấp thụ. Ánh sáng bước sóng ngắn bị hấp thụ sau đó sẽ được tán xạ ra ngoài theo rất nhiều hướng khác nhau.
Lúc này, ánh sáng xanh sẽ tán xạ khắp bầu trời. Vào ban ngày, cho dù bạn đứng ở bất cứ đâu và nhìn theo hướng nào thì một số ánh sáng xanh bị tán xạ luôn hướng tới mắt của bạn. Do đó, khi bạn ngước nhìn lên phía trên đầu mình thì bầu trời sẽ luôn có màu xanh.
Nếu bạn chú ý kỹ hơn, thì khi nhìn càng gần về phía đường chân trời thì bầu trời có vẻ nhạt màu hơn. Đó là do, để đến được vị trí của bạn, ánh sáng xanh sau khi bị tán xạ phải đi qua thêm nhiều lớp không khí. Một phần tiếp tục bị tán xạ theo nhiều hướng khác. Do đó, có ít ánh sáng xanh từ phía gần chân trời tiến đến vị trí của bạn hơn so với lượng ánh sáng xanh từ đỉnh đầu bạn.
Một điểm khác đáng chú ý là chắc chắn nếu theo dõi đến đây, các bạn sẽ có thắc mắc rằng: Bước sóng của màu tím và màu chàm thậm chí còn ngắn hơn màu xanh, vậy lẽ ra bầu trời phải có màu tím chứ? Câu trả lời đã sẵn sàng cho các bạn.
Vậy tại sao bầu trời không phải là màu tím? Đó mới là bước sóng ngắn nhất mà!
Một nguyên nhân chính là do hoạt động của mắt người trong việc nhìn thấy màu sắc. Mắt người nhạy cảm với ánh sáng có bước sóng từ 380 đến 740 nm. Trên võng mạc bình thường có 10 triệu tế bào que cảm biến ánh sáng và 5 triệu tế bào hình nón phát hiện ra màu sắc. Mỗi tế bào nón có chứa sắc tố giúp phản ứng với từng loại bước sóng khác nhau. Có 3 loại tế bào nón chính tương ứng với các loại bước sóng ngắn, trung bình và dài. Chúng ta cần phải sử dụng cả 3 loại tế bào này để nhìn thấy màu sắc chính xác nhất.
Mỗi tế bào nón có phản ứng với các bước sóng tối đa là: 570 nm đối với bước sóng dài, 543 đối với bước sóng trung bình, và 442 nm đối với bước sóng ngắn. Dù vậy, 3 loại tế bào nón này có thể phản ứng với số bước sóng trên diện rộng và chồng chéo nhau. Điều này có nghĩa là sẽ có trường hợp 2 quang phổ khác nhau có thể gây ra cùng 1 phản ứng trên các tế bào nón.
2 quang phổ khác nhau nhưng cùng tạo 1 phản ứng giống nhau trên tế bào nón được gọi là đồng phân dị vị. Trở lại vấn đề bầu trời, khi bầu trời là một hỗn hợp giữa màu xanh và tím. Các tế bào nón trong mắt người sẽ phản ứng khi nhìn thấy hỗn hợp này thành hỗn hợp của màu xanh và trắng. Và cuối cùng, tín hiệu đưa về hệ thần kinh chỉ là màu xanh. Điều này tương tự như thủ thuật trộn màu đỏ và xanh lá để thành màu vàng vậy.
Dù vậy, một số loài động vật nhìn bầu trời không phải có màu xanh như con người. Ngoài con người và một số loại linh trưởng, hầu hết các loài động vật khác đều có 2 loại tế bào hình nón trong võng mạc. Do đó, các loài động vật này, như chim chẳng hạn, sẽ nhìn thấy bầu trời là màu tím.
Tại sao chúng ta nhìn thấy mặt trời có màu vàng?
Trên Trái Đất, chúng ta nhìn thấy mặt trời vào ban ngày có màu vàng. Nếu bạn đi ra không gian hoặc lên trên Mặt Trăng, bạn sẽ nhìn thấy Mặt Trời có màu trắng. Tại sao vậy? Đó đơn giản là do: Trong vũ trụ không có bầu khí quyển để tán xạ ánh sáng mặt trời.
Trên Trái Đất, một vài bước sóng ngắn của ánh sáng mặt trời (xanh dương hoặc tím) đã bị các phân tử khí loại bỏ ra khỏi chùm ánh sáng chiếu trực tiếp từ mặt trời tới mắt người. Do đó, các màu còn lại cùng nhau xuất hiện chính là màu vàng.
Cuối cùng: Tại sao hoàng hôn có màu đỏ?
Khi mặt trời bắt đầu lặn, ánh sáng cần phải đi một đoạn đường dài hơn qua không khí trước khi đến vị trí mà bạn nhìn thấy. Lúc này, sẽ có càng nhiều ánh sáng bị phản xạ và tán xạ hơn. Càng có ít ánh sáng trực tiếp từ mặt trời tiếp cận tới vị trí của bạn, thì bạn sẽ nhìn thấy mặt trời càng ít phát sáng hơn. Cũng trong thời điểm này, màu sắc của mặt trời bắt đầu có sự thay đổi, từ màu vàng lúc ban ngày bắt đầu chuyển dần sang cam và sau đó đến đỏ.
Nguyên nhân chính là: Mặc dù lượng ánh sáng xanh vẫn bị tán xạ như lúc ban ngày nhưng bị tán xạ nhiều lần do phải xuyên qua lớp không khí dày mới tới được mắt người. Bên cạnh đó, các bước sóng dài (cam, vàng) trong chùm sáng chiếu trực tiếp đến vị trí của bạn ngày một ít đi. Các bước sóng dài phải vượt qua quãng đường dài hơn so với ban ngày để trực tiếp đến với vị trị của bạn. Chỉ còn lại ánh sáng đỏ ít bị tán xạ được truyền thẳng đến mắt nhiều hơn.
Do đó, bạn sẽ nhìn thấy bầu trời ngày càng đỏ dần lên. Sau khi Mặt Trời đã khuất sau đường chân trời, chúng ta không thấy trực tiếp ánh sáng của Mặt Trời; nhưng nếu có các đám mây trên cao, chúng sẽ phản xạ lại ánh sáng đỏ xuống mặt đất, tạo nên cảnh tượng tuyệt đẹp của hoàng hôn.
Kết
Cuối cùng thì chúng ta đã tìm được câu trả lời cho các câu hỏi ban đầu. Một lần nữa, các hiện tượng tưởng chừng như hiển nhiên lại ẩn chứa bên trong nó nhiều vấn đề như vậy. Thật sự là bất cứ điều gì đều có nguyên nhân của nó. Dĩ nhiên, con người ta vẫn đang ngày đêm nghiên cứu để cố gắng lý giải thêm thật nhiều hiện tượng xung quanh mà trước đây chưa có lời giải đáp. Đó là mong ước của tất cả chúng ta và đặc biệt là các nhà khoa học. Mỗi người đều có nhiều câu hỏi tại sao cho riêng mình. Cuối cùng, cám ơn các bạn đã theo dõi bài viết của mình. Hẹn gặp lại trong một câu hỏi khác trong chuyên mục "Tại sao" nhé. Chúc vui.
