Xuất hiện ở lớp khí quyển xa nhất so với mặt đất, các đám mây noctilucent (hay dạ quang) mang vẻ ngoài huyền ảo khi chiếu sáng bầu trời về đêm. Khác với tầng mây thông thường nằm ở đối lưu, chúng lơ lửng ở độ cao kỷ lục nơi nhiệt độ chạm mức thấp nhất hành tinh.

Vào mùa hè, khi hoàng hôn buông xuống, Mặt Trời vẫn hắt ánh sáng từ dưới chân trời, khiến những tinh thể băng này tỏa sắc xanh bạc lấp lánh. Đây là nhóm mây cao nhất trong khí quyển, tạo nên khung cảnh siêu thực mỗi khi mùa nóng về.

Khám phá lịch sử và nguồn gốc

Cái tên ‘noctilucent cloud’ lần đầu được đặt ra bởi Otto Jesse sau khi ông chụp lại hình ảnh hiện tượng này vào năm 1887. Ghi chép của nhà khoa học này cũng xác nhận sự xuất hiện sớm nhất của chúng vào năm 1885, trùng khớp với những hoàng hôn kỳ lạ do vụ nổ núi lửa Krakatoa (Indonesia) gây ra hai năm trước đó.

Ban đầu, giới nghiên cứu Nga và Đức tin rằng đây là tro bụi núi lửa, nhưng giả thuyết này bị Malzev bác bỏ vào năm 1926 khi các đám mây vẫn duy trì ngay cả khi tro đã lắng xuống. Hệ thống mạng lưới quan sát ảnh do Jesse, Foerster và Stolze triển khai năm 1887 đã hoạt động liên tục tại Đài thiên văn Berlin cho đến năm 1896.

Sau khi Jesse mất năm 1901, lĩnh vực này rơi vào trạng thái trì trệ cho đến thập niên 1960. Khi ấy, kiến thức về tầng trung lưu chủ yếu dựa trên quan trắc mặt đất, hạn chế đến mức phải đợi các đợt phóng tên lửa mới thu được dữ liệu trực tiếp. Bước ngoặt thực sự đến năm 1972 với vệ tinh OGO-6.

Giai đoạn 1981–1986, thiết bị phổ kế cực tím trên tàu Solar Mesosphere Explorer (Explorer 64) đã vẽ bản đồ phân bố mây chi tiết. Năm 2001, thiết bị HALOE aboard vệ tinh UARS cung cấp bằng chứng vật lý xác nhận nước đá là thành phần cốt lõi. Đỉnh cao của công cuộc khám phá là vệ tinh AIM (Aeronomy of Ice in the Mesosphere), được phóng ngày 25/4/2007 và bắt đầu thu thập dữ liệu quan trọng vào ngày 25/5 cùng năm.

Cơ chế hình thành trong tầng trung lưu

Với độ cao dao động từ 76 đến 85 km, mây dạ quang vượt xa mọi loại mây khác trong khí quyển Trái Đất. Cấu trúc của chúng gồm những tinh thể nước đá siêu nhỏ, đường kính chỉ từ 40 tới 100 nanômét.

Để những hạt băng này kết tụ, nhiệt độ môi trường phải giảm xuống dưới -120 °C. Điều kiện khắc nghiệt này giải thích vì sao hiện tượng này chỉ xuất hiện vào mùa hè, khi tầng trung lưu đạt nhiệt độ thấp nhất, đặc biệt là ở các khu vực gần cực.

Cơ chế tạo mây tương tự các tầng mây thấp hơn: hơi ẩm ngưng tụ xung quanh các hạt bụi lơ lửng. Tuy nhiên, nguồn cung cấp bụi và nước ở độ cao này vẫn còn nhiều ẩn số. Bụi chủ yếu đến từ sự bốc cháy của các vi sao băng, bên cạnh đó có thể có thêm tro từ núi lửa hoặc vật chất từ tầng đối lưu.

Về hơi nước, một phần được vận thăng từ các khe hở trong khoảng lặng đối lưu, phần khác sinh ra từ phản ứng hóa học giữa mêtan và gốc hydroxyl trong tầng bình lưu. Hoạt động của tàu con thoi Space Shuttle cũng góp phần tạo mây: khoảng 50% lượng hơi nước thải vào tầng nhiệt (cao độ 103–114 km) sẽ di chuyển dần về phía Bắc, rơi xuống tầng trung lưu lạnh hơn và kết tinh.

Ngoài ra, các đám mây này phản xạ sóng radar rất mạnh ở dải tần 50 MHz đến 1,3 GHz. Giáo sư Paul Bellan (Viện Công nghệ California) đưa ra giả thuyết giải thích hiện tượng này: bề mặt các hạt băng có thể được bao phủ bởi một lớp kim loại mỏng chứa natri và sắt. Hai nguyên tố này bắt nguồn từ vi sao băng tích tụ ngay trên đỉnh mây, và dữ liệu đo đạc cho thấy nồng độ của chúng sụt giảm mạnh khi mây dạ quang hiện hữu.

Điều kiện quan sát và thời điểm

Màu sắc đặc trưng nhất của mây dạ quang là tông lam nhạt hoặc trắng bạc, tuy nhiên đôi khi cũng xuất hiện các sắc thái đỏ hay lục. Tông xanh dương chủ đạo là kết quả của quá trình ôzôn hấp thụ ánh sáng trên đường truyền tới mắt người quan sát. Hình thái của chúng khá đa dạng, từ những dải sương mù vô định hình đến các vân sóng, xoáy lốc hoặc vệt đứt quãng rõ rệt.

Để ngắm được hiện tượng này, người quan sát cần đặt mình ở vĩ độ từ 50 đến 60 độ. Dù vậy, chúng vẫn có thể được ghi nhận ở những vùng xa hơn như Utah hay Ý (quanh vĩ độ 40), nhưng sẽ thưa thớt hơn.

Ngược lại, ở các vĩ độ cực gần địa cực, bầu trời không đủ tối để làm nổi bật các đám mây này. Thời điểm lý tưởng nhất là từ giữa tháng 5 đến giữa tháng 8 tại Bắc bán cầu, và từ giữa tháng 11 đến giữa tháng 2 ở Nam bán cầu.

Vì độ sáng và mật độ thấp, mây chỉ hiện rõ trong khoảng thời gian hoàng hôn hoặc bình minh, khi Mặt Trời nằm từ 6 tới 16 độ dưới đường chân trời. Lúc này, các tầng mây thấp đã chìm vào bóng tối trong khi mây dạ quang vẫn được chiếu sáng.

Sự chênh lệch về tần suất quan sát giữa hai bán cầu là rất lớn: Bắc bán cầu ghi nhận nhiều hơn cả ngàn lần so với Nam bán cầu, nơi chúng xuất hiện hiếm hoi hơn và mờ nhạt hơn. Gần đây, ngày 22/6, nhiếp ảnh gia Ollie Taylor đã ghi lại khoảnh khắc mây dạ quang bao phủ Nhà thờ Knowlton tại Dorset (Anh). Anh chia sẻ: "Đó là một đêm đáng nhớ.

Khi đến địa điểm vào buổi tối, tôi đã được chào đón bởi những đám mây dạ quang đẹp hơn những gì tôi đã thấy trước đây ở miền nam nước Anh". Người yêu thiên văn bán cầu bắc nên tranh thủ khoảng giữa tháng 6 đến giữa tháng 8. Hiện tượng này cũng từng được phát hiện tại đầm lầy Kuresoo, công viên quốc gia Soomaa (Estonia).

Mối liên hệ với biến đổi khí hậu

Theo nhận định của Gary Thomas thuộc Phòng thí nghiệm Vật lý Khí quyển và Không gian tại Đại học Colorado, dù lần đầu tiên được ghi chép trùng với giai đoạn khởi đầu của Cách mạng Công nghiệp và chứng kiến sự gia tăng mật độ trong thế kỷ 20, việc quy kết trực tiếp hiện tượng này với biến đổi khí hậu vẫn còn nhiều tranh luận.

Mô hình khí hậu học chỉ ra rằng, việc nồng độ khí nhà kính tăng lên đang làm mát tầng trung lưu, tạo môi trường lý tưởng cho mây dạ quang phát triển. Một hướng giải thích khác nhấn mạnh vai trò của mêtan: hoạt động chăn nuôi và nông nghiệp quy mô lớn đã làm nồng độ khí này tăng gấp đôi trong thế kỷ qua, dẫn đến lượng hơi nước ở tầng khí quyển cao cũng tăng theo.

Chuyên gia Scott Bailey của NASA từng dự đoán rằng hoạt động mặt trời suy yếu sẽ đẩy số lượng mây dạ quang ghi nhận được năm 2009 lên mức kỷ lục. Dù vậy, chu kỳ 11 năm của mặt trời vẫn là nhân tố chi phối chính đến tần suất xuất hiện của chúng.

Ngoài ra, các nhà khoa học như Tromp và cộng sự cũng cảnh báo về rủi ro tiềm tàng từ nền kinh tế hiđrô: việc chuyển dịch sang sử dụng hiđrô có thể vô tình giải phóng nhiều phân tử hiđrô tự do vào khí quyển, từ đó thúc đẩy sự hình thành của các đám mây này.

Đặc điểm quang học và phân biệt

Dù thuộc nhóm mây cao nhất, chúng vẫn dễ bị nhầm với mây ti nếu không dùng ống nhòm để phóng đại, khi ấy độ sắc nét của mây dạ quang sẽ vượt trội hơn. Một số đám mây hình thành từ khí thải tên lửa thường mang màu sắc khác biệt, không thuần trắng bạc hay lam như thông thường, do hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng (ngũ sắc) tạo ra bởi các giọt nước kích thước đồng nhất.

Nhiều người cũng nhầm lẫn chúng với cực quang, nhưng khác biệt cơ bản là mây dạ quang không tự phát sáng mà chỉ phản chiếu ánh sáng Mặt Trời. Giới khoa học và nhiếp ảnh gia thường xếp chúng vào nhóm "hiện tượng tự nhiên đẹp mắt".

Khả năng quan sát không giới hạn ở mặt đất; các phi hành gia ESA như Luca Parmitano và Tim Peake cũng đã chụp lại hình ảnh những đám mây này trong các sứ mệnh trên Trạm vũ trụ quốc tế. Là một đối tượng khí tượng học được phát hiện và nghiên cứu chuyên sâu gần đây, mây dạ quang đóng vai trò như một chỉ thị nhạy cảm phản ánh những biến động ở tầng trên khí quyển.

Từ khi được ghi nhận, tần suất, độ sáng và kích thước của chúng đều có xu hướng gia tăng. Giới nghiên cứu đang xây dựng giả thuyết cho rằng xu hướng mở rộng này có mối liên hệ chặt chẽ với các thay đổi về khí hậu toàn cầu.