Cầu vồng cong vì mỗi giọt mưa gửi ánh sáng màu về mắt ta theo một góc gần như cố định, khoảng 42 độ so với đường thẳng nối từ Mặt Trời qua đầu ta. Tất cả những giọt mưa nằm trên một vòng tròn quanh điểm đối nhật (điểm đối diện Mặt Trời) đều thoả góc ấy, nên ta thấy một vòng cung. Thật ra cầu vồng là một vòng tròn trọn vẹn; mặt đất che mất phần dưới nên ta chỉ thấy một nửa hoặc ít hơn.
Điểm đối nhật: tâm của mọi cầu vồng
Hãy tưởng tượng một đường thẳng đi từ Mặt Trời, xuyên qua đầu bạn, kéo dài xuống phía trước. Điểm mà đường ấy chạm tới gọi là điểm đối nhật. Bóng đầu của bạn trên mặt đất nằm đúng ở hướng này. Mọi cầu vồng bạn thấy đều có tâm tại điểm đối nhật.
Vì thế cầu vồng luôn xuất hiện ở phía đối diện Mặt Trời. Buổi sáng, Mặt Trời ở phía đông thì cầu vồng ở phía tây; buổi chiều ngược lại. Muốn tìm cầu vồng sau cơn mưa, cứ quay lưng về phía Mặt Trời và nhìn theo bóng mình.
Con số 42 độ từ đâu ra
Khi một tia nắng đi vào giọt mưa hình cầu, nó bị bẻ hướng ở mặt trước, phản xạ ở mặt sau, rồi bị bẻ hướng lần nữa khi ló ra. Tuỳ tia đi vào ở chỗ nào trên giọt nước mà góc ló ra khác nhau. Nhà triết học René Descartes, trong tác phẩm Các hiện tượng khí tượng năm 1637, đã tính đường đi của hàng nghìn tia như vậy và phát hiện ra rằng các tia ló ra dồn đặc lại quanh một góc cực đại, khoảng 42 độ. Ở góc đó ánh sáng tập trung nhiều nhất, nên mắt ta thấy sáng rõ.
Góc này hơi khác nhau theo từng màu, vì nước bẻ cong mỗi bước sóng một chút khác. Số liệu thường thấy trong sách:
| Màu | Góc cầu vồng chính (gần đúng) |
|---|---|
| Đỏ | khoảng 42,3° |
| Vàng | khoảng 41,5° |
| Lam | khoảng 40,8° |
| Tím | khoảng 40,5° |
Chênh lệch chưa tới 2 độ giữa đỏ và tím là độ dày của cầu vồng. Để dễ hình dung: một bàn tay xoè rộng, duỗi thẳng cánh tay, che khoảng 20 độ bầu trời. Bán kính cầu vồng chính vào khoảng hai bàn tay xoè như vậy.
Vì sao ta chỉ thấy một nửa vòng tròn
Tâm cầu vồng là điểm đối nhật, nằm dưới đường chân trời khi Mặt Trời ở trên trời. Mặt Trời càng cao thì điểm đối nhật càng thấp, phần cầu vồng nhô lên khỏi mặt đất càng ít. Khi Mặt Trời cao hơn khoảng 42 độ, cả vòng cầu vồng chìm xuống dưới đường chân trời và người đứng trên mặt đất không thể thấy nó nữa.
Đây là lý do cầu vồng thường hiện vào sáng sớm hoặc chiều muộn. Ở Việt Nam, giữa trưa mùa hè Mặt Trời lên rất cao, nên cơn mưa rào lúc 12 giờ trưa gần như không bao giờ để lại cầu vồng. Còn cơn mưa lúc bốn, năm giờ chiều, khi nắng xiên đã hửng lên, là thời điểm dễ gặp cầu vồng đẹp nhất.
Từ máy bay hay đỉnh núi cao, khi bên dưới có mưa hoặc mây nước, người ta có thể thấy cầu vồng tròn trọn vẹn, vì không còn mặt đất che phần dưới. Những tấm ảnh cầu vồng tròn chụp từ cửa sổ máy bay là có thật.
Mỗi người thấy một cầu vồng riêng
Vì cầu vồng phụ thuộc vào vị trí mắt người nhìn, hai người đứng cạnh nhau thực ra thấy hai cầu vồng do hai nhóm giọt mưa khác nhau tạo ra. Mắt trái và mắt phải của chính bạn cũng nhận ánh sáng từ những giọt khác nhau. Khi bạn đi tới, cầu vồng "đi" theo, vì luôn có những giọt mới nằm đúng góc 42 độ so với vị trí mới của bạn. Đó là lý do không ai đi được tới chân cầu vồng.
Cầu vồng không phải một vật nằm ở một chỗ, mà là một hướng nhìn. Nó không có khoảng cách xác định; giọt mưa tạo ra nó có thể ở cách bạn vài mét (tia nước tưới cây) hoặc vài cây số (màn mưa xa).
Bên trong vòng cung sáng hơn bên ngoài
Nếu để ý kỹ, bầu trời phía trong cầu vồng chính thường sáng hơn rõ rệt so với phía ngoài. Lý do là các tia ló ra ở góc nhỏ hơn 42 độ vẫn tồn tại, chỉ không tập trung đủ để tách màu; chúng chồng lên nhau thành ánh sáng trắng, làm sáng vùng bên trong. Ngoài góc 42 độ thì không có tia nào sau một lần phản xạ, nên vùng ngoài tối hơn. Giữa cầu vồng chính và cầu vồng phụ là một dải trời tối hẳn, gọi là dải tối Alexander, sẽ nói ở bài riêng.
Góc nhìn hôm nay: tự kiểm tra góc 42 độ
Lần tới gặp cầu vồng, hãy thử: đứng quay lưng về phía Mặt Trời, tìm bóng đầu mình trên mặt đất. Duỗi thẳng tay, xoè bàn tay, đặt ngón cái vào hướng bóng đầu rồi đo lên tới cầu vồng. Bạn sẽ thấy khoảng cách gần đúng hai gang tay xoè. Đây là cách các nhà khí tượng nghiệp dư dùng để kiểm tra một vòng sáng có phải cầu vồng hay không.
Người muốn đọc thêm có thể tìm các trang giải thích quang học khí quyển của những trường đại học, hoặc sách phổ biến khoa học về hiện tượng ánh sáng trên trời. Nguyên bản phần cầu vồng của Descartes trong Les Météores có sẵn trên thư viện số.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao cầu vồng có hình vòng cung?
Mỗi giọt mưa gửi ánh sáng tách màu về mắt ta ở góc khoảng 42 độ so với hướng đối diện Mặt Trời. Các giọt thoả góc đó nằm trên một vòng tròn, nên cầu vồng có hình tròn; mặt đất che phần dưới nên ta thường chỉ thấy vòng cung.
Cầu vồng thường xuất hiện ở hướng nào?
Luôn ở phía đối diện Mặt Trời. Sáng sớm cầu vồng ở phía tây, chiều muộn ở phía đông. Cứ quay lưng về phía Mặt Trời và nhìn theo bóng mình.
Vì sao buổi trưa không có cầu vồng?
Khi Mặt Trời cao hơn khoảng 42 độ, toàn bộ vòng cầu vồng nằm dưới đường chân trời. Giữa trưa ở Việt Nam Mặt Trời lên rất cao nên dù có mưa cũng khó thấy cầu vồng.
Có đi tới được chân cầu vồng không?
Không. Cầu vồng là một hướng nhìn chứ không phải một vật ở vị trí cố định. Khi bạn di chuyển, những giọt mưa khác sẽ tạo ra cầu vồng mới cho mắt bạn.
Cầu vồng tròn có thật không?
Có. Từ máy bay hoặc đỉnh núi cao, khi bên dưới có mưa, người ta có thể thấy cầu vồng tròn trọn vẹn vì không còn mặt đất che phần dưới.