Cầu Vồng Là Gì Cơ Chế Tán Sắc Ánh Sáng Qua Hạt Mưa Chuẩn

Định nghĩa cầu vồng là gì trong quang học khí quyển, đây là hiện tượng quang phổ hình cung xuất hiện trên bầu trời khi nắng Mặt Trời chiếu xuyên qua hàng triệu giọt nước mưa lơ lửng. Qua ba quá trình khúc xạ, phản xạ nội và tán sắc ở góc lệch Descartes 40 đến 42 độ, chùm sáng trắng tách thành dải bảy màu rực rỡ.

Cầu vồng là gì dưới góc độ quang học khí quyển

Trong khí tượng học, cầu vồng (Rainbow) thuộc nhóm hiện tượng quang học khí quyển (Photometeors) hình thành do tương tác giữa bức xạ Mặt Trời và các hạt nước lỏng. Khác với cơ chế tán xạ ánh sáng Rayleigh trên phân tử khí tạo nên nền trời xanh, cầu vồng là kết quả của định luật khúc xạ Snell và sự tán sắc ánh sáng bên trong những giọt nước mưa đóng vai trò như hàng triệu thấu kính cầu thu nhỏ.

Chuỗi 3 quá trình khúc xạ, phản xạ nội và tán sắc trong giọt nước mưa

Ánh sáng Mặt Trời nhìn thấy bằng mắt thường là ánh sáng trắng, tập hợp các sóng điện từ có bước sóng từ 380 nm (tím) đến 760 nm (đỏ). Khi tia sáng trắng đi từ không khí (chiết suất 1,0003) vào giọt nước mưa hình cầu (chiết suất trung bình 1,333), nó trải qua 3 giai đoạn vật lý:

• Giai đoạn 1 – Khúc xạ lần đầu và tán sắc: Tại mặt tiếp xúc giữa không khí và giọt nước, tia sáng bị bẻ gãy hướng truyền tiến gần pháp tuyến. Do chiết suất nước biến thiên theo bước sóng (tia tím n = 1,343 bẻ cong mạnh hơn tia đỏ n = 1,331), chùm tia trắng tách thành các tia đơn sắc.
• Giai đoạn 2 – Phản xạ nội ở thành sau: Chùm tia tách màu đi tới mặt sau giọt nước và phản xạ ngược trở lại như gặp gương cầu lõm.
• Giai đoạn 3 – Khúc xạ lần hai thoát ra ngoài: Các tia phản xạ đi tới mặt trước giọt nước và khúc xạ lần hai khi ra không khí, mở rộng góc phân tách màu trước khi tới mắt người.

Góc lệch Descartes 40 – 42 độ và hình cung tròn

Năm 1637, nhà toán học René Descartes phát hiện chùm tia thoát ra tập trung cường độ cực đại quanh góc Descartes: tia đỏ thoát ra mạnh nhất ở góc 42° so với hướng nắng chiếu tới, còn tia tím thoát ra ở góc 40°.

Tập hợp các giọt nước mưa thỏa mãn góc 40° – 42° so với trục đối nhật tạo thành mặt bên hình nón tròn xoay. Do mặt đất che khuất nửa dưới, mắt chúng ta nhìn thấy nửa trên là một cung tròn; nếu nhìn từ máy bay sẽ thấy cầu vồng tròn 360 độ.

Giải mã trật tự 7 sắc màu quang phổ và cơ chế cầu vồng đôi

Isaac Newton đã chia dải phổ cầu vồng thành 7 màu chuẩn từ vòng ngoài vào vòng trong: Đỏ – Cam – Vàng – Lục – Lam – Chàm – Tím.

Vì sao màu đỏ nằm ở vòng ngoài và màu tím nằm ở vòng trong?

Trên cầu vồng chính, tia đỏ bị bẻ khúc ít nhất nên tạo góc 42° rộng hơn, xuất phát từ các giọt nước ở tầng cao hơn (viền ngoài). Ngược lại, tia tím khúc xạ mạnh hơn ở góc 40° hẹp hơn, đến từ các giọt nước ở tầng thấp hơn (viền trong).

Cầu vồng phụ góc 50 – 53 độ và dải tối Alexander

Chiều có hiện tượng mưa bóng mây nặng hạt kèm nắng gắt thường xuất hiện vòng cung thứ hai mờ hơn bên ngoài cầu vồng chính. Đó là cầu vồng phụ (bậc hai), hình thành khi tia sáng chịu 2 lần phản xạ nội trong giọt nước trước khi thoát ra ở góc 50° – 53°.

Lần phản xạ thứ hai vắt chéo đường đi các tia đơn sắc, khiến thứ tự màu trên cầu vồng phụ bị đảo ngược (tím ở ngoài, đỏ ở trong). Khoảng bầu trời giữa hai cung (42° – 50°) tối sẫm hơn xung quanh, gọi là dải tối Alexander.

Bảng thông số quang học và phân loại các dạng cầu vồng trong tự nhiên

Điều kiện thời tiết lý tưởng và kinh nghiệm săn cầu vồng tại Việt Nam

Để quan sát hoặc chụp ảnh được cầu vồng sắc nét, cần hội tụ các điều kiện hình học và khí tượng sau:

1. Góc cao của Mặt Trời phải nhỏ hơn 42 độ

Tâm vòng tròn cầu vồng nằm tại điểm đối nhật. Khi Mặt Trời lên cao trên 42° (từ 9h đến 15h tại Việt Nam), toàn bộ cung cầu vồng 42° bị đẩy chìm xuống dưới đường chân trời nên người đứng trên mặt đất phẳng không thể nhìn thấy. Vào buổi sáng sớm (6h – 8h30) hoặc chiều muộn (15h30 – 18h), Mặt Trời nằm thấp sát chân trời giúp đỉnh cung cầu vồng vươn cao nhất.

Lúc chiều tà, khi ánh sáng đỏ cam hoàng hôn chiếu qua màn mưa rào cuối ngày, các bước sóng ngắn lam – tím đã bị lọc bỏ trên đường truyền dài, tạo nên cầu vồng đỏ hiếm gặp.

2. Quy tắc đứng quay lưng về phía Mặt Trời

Người quan sát phải đứng giữa Mặt Trời và màn mưa: Mặt Trời chiếu nắng từ sau lưng, còn đám mây vũ tích đang trút mưa nằm ở phía trước mặt. Mùa hè từ tháng 5 đến tháng 9 thường có mưa rào đối lưu cục bộ lúc 16h – 17h30 chiều; khi Mặt Trời ở hướng Tây chiếu nắng sang màn mưa ở hướng Đông, bạn nhìn về phía Đông sẽ thấy cầu vồng.

Ý nghĩa dự báo thời tiết và phân biệt cầu vồng với quầng, tán mây

Tục ngữ Việt Nam có câu: ‘Cầu vồng móng cụt, không lụt cũng mưa’. Kinh nghiệm này có cơ sở khí tượng học gắn liền với hướng di chuyển của mây mưa:

• Cầu vồng xuất hiện buổi chiều ở hướng Đông: Mặt Trời ở hướng Tây chiếu vào màn mưa đã đi sang phía Đông, phía Tây trời đã quang mây nên thời tiết sắp tới sẽ tạnh ráo.
• Cầu vồng cụt (Móng cầu vồng): Khi đám mây vũ tích dày và thấp che khuất ánh nắng, chỉ một phần chân cung cầu vồng ló ra sát mặt đất, báo hiệu ổ mây dông lớn sắp gây mưa diện rộng.

Cần nắm vững cách phân biệt tán mây và quầng với cầu vồng: Cầu vồng luôn nằm ở phía đối diện Mặt Trời do hạt nước mưa lỏng tạo ra; trong khi quầng Mặt Trời (Halo 22 độ) bao quanh trực tiếp đĩa Mặt Trời do khúc xạ qua tinh thể băng của mây ti tầng ở độ cao 6 – 12 km.