Bầu trời màu xanh vì các phân tử khí trong không khí tán xạ ánh sáng bước sóng ngắn (xanh lam) mạnh hơn nhiều so với ánh sáng bước sóng dài (đỏ), hiện tượng gọi là tán xạ Rayleigh. Ánh xanh bị hắt đi khắp các hướng nên từ đâu nhìn lên cũng thấy trời xanh. Lúc hoàng hôn, ánh nắng phải đi qua lớp khí quyển dày hơn nhiều lần, phần xanh bị tán xạ mất gần hết trên đường, chỉ còn đỏ và cam tới được mắt ta.
Tán xạ Rayleigh: phân tử nhỏ ưu ái ánh xanh
Không khí chủ yếu là nitơ và ôxy, những phân tử nhỏ hơn bước sóng ánh sáng hàng nghìn lần. Khi ánh nắng đi qua, các phân tử này làm một phần ánh sáng đổi hướng, toả ra xung quanh. Nhà vật lý người Anh Lord Rayleigh, trong các công trình từ năm 1871, chỉ ra rằng mức tán xạ tỉ lệ nghịch với luỹ thừa bậc bốn của bước sóng. Nói dễ hiểu: bước sóng ngắn đi một nửa thì bị tán xạ mạnh gấp mười sáu lần.
Ánh lam bước sóng khoảng 450 nm, ánh đỏ khoảng 700 nm. Áp công thức, ánh lam bị tán xạ mạnh hơn ánh đỏ khoảng năm đến sáu lần. Vì vậy khi nhìn lên một vùng trời bất kỳ, không phải về phía Mặt Trời, phần ánh sáng tới mắt ta chủ yếu là ánh lam đã bị phân tử khí hắt đi. Trước Rayleigh, nhà khoa học John Tyndall đã nghiên cứu hiện tượng ánh sáng xanh tán xạ trong khí và hạt nhỏ (khoảng năm 1859), nên nhiều sách gọi chung là các hiện tượng Tyndall – Rayleigh.
Vì sao trời không màu tím
Nếu bước sóng ngắn tán xạ mạnh nhất, đáng lẽ trời phải tím chứ? Có ba lý do khiến trời trông lam:
- Mặt Trời phát ít ánh tím hơn ánh lam, và một phần ánh tím bị hấp thụ ở tầng khí quyển trên cao.
- Mắt người kém nhạy với tím. Tế bào nón của ta nhạy hơn nhiều ở vùng lam lục.
- Ánh sáng bầu trời là hỗn hợp. Nó gồm nhiều tím và lam, kèm một ít lục và đỏ. Bộ não tổng hợp hỗn hợp này thành cảm giác xanh lam nhạt.
Vì vậy trời quang thường là xanh lam nhạt hoặc xanh da trời, không phải tím. Gần đường chân trời, trời nhạt dần gần trắng, vì ánh sáng từ đó đi qua lớp không khí dày, bị tán xạ đi tán xạ lại nhiều lần, các màu hoà vào nhau.
Hoàng hôn và bình minh đỏ
Lúc Mặt Trời ở đỉnh đầu, ánh nắng chỉ đi qua chiều dày khí quyển ngắn nhất. Khi Mặt Trời sát chân trời, ánh nắng đi xiên qua một quãng dài gấp hàng chục lần. Trên quãng đường dài đó, phần lam và lục bị tán xạ ra các hướng khác, không còn tới mắt ta. Thứ còn sót lại chủ yếu là vàng, cam, đỏ. Đám mây ở trên cao hứng lấy ánh đỏ cam đó và hắt xuống, làm cả bầu trời rực lên.
| Thời điểm | Quãng đường qua khí quyển | Màu Mặt Trời và bầu trời |
|---|---|---|
| Giữa trưa | Ngắn nhất | Mặt Trời trắng chói, trời xanh đậm |
| Giữa buổi sáng, chiều | Trung bình | Mặt Trời trắng vàng, trời xanh nhạt hơn |
| Sát hoàng hôn, bình minh | Dài nhất, gấp hàng chục lần | Mặt Trời cam đỏ, mây rực đỏ tím |
| Ngay sau hoàng hôn | Ánh sáng chỉ còn chiếu lên tầng cao | Trời tím hồng, rồi lam thẫm |
Sau khi Mặt Trời lặn, có một khoảng thời gian ngắn bầu trời chuyển xanh thẫm rất đẹp mà các nhiếp ảnh gia gọi là "giờ xanh". Lúc này ánh sáng tới ta chủ yếu đã đi qua tầng ôzôn trên cao, và ôzôn hấp thụ một phần ánh cam vàng, làm trời ngả lam đậm.
Vì sao mây màu trắng, còn khói bụi làm trời vàng xám
Giọt nước trong mây lớn hơn bước sóng ánh sáng nhiều lần. Với những hạt lớn như vậy, tán xạ gần như đều cho mọi màu, gọi là tán xạ Mie, nên mây trắng. Mây dày, nhiều tầng thì ánh sáng không xuyên qua được, phần dưới mây thành xám đen. Đó là lý do mây mưa sẫm màu, dù vẫn là cùng thứ nước.
Khi không khí có nhiều bụi mịn, khói, hơi ẩm, các hạt này tán xạ cả ánh đỏ lẫn ánh lam, làm trời bớt xanh, ngả trắng đục hoặc vàng xám. Những ngày ô nhiễm không khí nặng ở các thành phố lớn, trời trưa có màu trắng đục là vì vậy. Ngược lại, sau một cơn mưa lớn rửa sạch bụi, trời thường xanh trong hơn hẳn. Bụi núi lửa phun lên tầng cao có thể làm hoàng hôn đỏ rực khắp thế giới nhiều tháng; sau vụ phun trào Krakatoa năm 1883, nhiều nơi ở châu Âu và châu Mỹ ghi nhận hoàng hôn đỏ bất thường.
Biển xanh có phải vì phản chiếu trời
Một phần đúng: mặt biển phản chiếu bầu trời, nên ngày nhiều mây biển trông xám. Nhưng nước tự nó cũng có màu xanh rất nhạt, do phân tử nước hấp thụ nhẹ ánh đỏ. Lớp nước càng dày, màu lam càng rõ. Danh mục Màu trong thiên nhiên có bài riêng về màu của biển và hồ.
Góc nhìn hôm nay: quan sát và thử nghiệm
Có thể mô phỏng trời xanh và hoàng hôn trong một cốc nước: nhỏ vài giọt sữa vào cốc nước trong rồi khuấy đều. Chiếu đèn pin trắng từ một bên cạnh cốc và nhìn từ phía vuông góc: nước ánh xanh nhạt. Nhìn xuyên qua cốc về phía đèn: ánh đèn ngả vàng cam. Các hạt sữa nhỏ đóng vai phân tử khí, tán xạ ánh xanh ra hai bên. Thêm sữa, vệt sáng xuyên qua càng đỏ, giống Mặt Trời lúc hoàng hôn.
Lần tới ngắm hoàng hôn, thử để ý trình tự: Mặt Trời vàng, rồi cam, rồi đỏ, mây sáng rồi tím, rồi giờ xanh. Ghi lại ngày nào trời trong, ngày nào mờ, và đối chiếu với chỉ số chất lượng không khí trên các ứng dụng quan trắc. Không nhìn thẳng vào Mặt Trời khi nó còn chói.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao bầu trời có màu xanh?
Vì các phân tử khí trong không khí tán xạ ánh sáng xanh lam mạnh hơn ánh đỏ nhiều lần (tán xạ Rayleigh). Ánh xanh bị hắt ra khắp bầu trời nên nhìn hướng nào cũng thấy xanh.
Vì sao hoàng hôn màu đỏ?
Lúc hoàng hôn, ánh nắng đi qua lớp khí quyển dày hơn nhiều lần, phần xanh bị tán xạ mất trên đường. Chỉ còn ánh vàng, cam, đỏ tới được mắt ta và chiếu lên mây.
Tại sao trời không có màu tím?
Mặt Trời phát ít ánh tím hơn, một phần ánh tím bị hấp thụ trên cao, và mắt người kém nhạy với tím. Hỗn hợp ánh sáng bầu trời vì thế được não cảm nhận là xanh lam nhạt.
Vì sao mây màu trắng?
Giọt nước trong mây lớn hơn bước sóng ánh sáng nhiều lần nên tán xạ đều mọi màu, cho ra màu trắng. Mây càng dày thì càng ít ánh sáng xuyên qua, phần dưới trông xám đen.