Bạn ngước lên trời, bầu xanh ngắt trải ra trước mặt, một màu xanh đều, không một gợn mây. Đã bao giờ bạn tự hỏi: tại sao không phải màu đỏ, màu tím, hay thậm chí màu trắng? Câu trả lời nằm ngay trong ánh sáng bạn đang thấy, và cách khí quyển Trái Đất bẻ cong nó thành một bức tranh 7 sắc.

Ánh sáng Mặt Trời gồm những màu gì và chúng khác nhau ra sao?

Ánh sáng Mặt Trời tưởng chừng trắng đơn sắc, thực chất là hỗn hợp của 7 màu: đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Mỗi màu mang một bước sóng, tần số và năng lượng khác nhau.

Dải quang phổ khả kiến dao động từ 400 nm (tím) đến 750 nm (đỏ). Tím có bước sóng ngắn nhất, tần số và năng lượng cao nhất. Đỏ có bước sóng dài nhất, tần số thấp nhất, mang ít năng lượng nhất.

Isaac Newton là người đầu tiên chứng minh điều này năm 1666, bằng cách cho ánh sáng trắng đi qua lăng kính và tách thành dải màu cầu vồng.

Bạn có thể thử ngay: chiếu đèn pin qua cốc nước có pha vài giọt sữa trong phòng tối, bạn sẽ thấy tia sáng tán ra thành nhiều màu.

Khí quyển Trái Đất tán xạ ánh sáng như thế nào?

Nitơ và oxy bạn đang hít thở được tạo thành từ các phân tử. Một phân tử nitơ hoặc oxy rất nhỏ, chỉ khoảng 0,4 nanomet, tức là 250.000 phân tử nitơ mới bằng độ dày của một sợi tóc.

Những phân tử này nhỏ hơn rất nhiều so với bước sóng ánh sáng khả kiến (100–1000 nm). Khi ánh sáng Mặt Trời đi qua chúng, các phân tử hấp thụ rồi bức xạ lại ánh sáng theo mọi hướng. Hiện tượng này gọi là tán xạ Rayleigh.

Nhà vật lý John William Strutt, Baron Rayleigh thứ 3 (1842–1919) đã đề xuất phương trình mô tả hiện tượng này năm 1871.

Điểm mấu chốt nằm ở công thức: hệ số tán xạ tỷ lệ nghịch với bước sóng mũ 4. Nghĩa là bước sóng càng ngắn, tán xạ càng mạnh. Ánh sáng xanh (~450 nm) bị tán xạ nhiều hơn ánh sáng đỏ (~700 nm) khoảng 4 lần.

Bạn đang nhìn vào kết quả của cuộc tán xạ ấy: ánh sáng xanh bị phân tử khí ném tứ tung, đi vào mắt bạn từ mọi hướng trên cao.

Vậy tại sao bầu trời không có màu tím?

Tím có bước sóng ngắn nhất trong dải quang phổ khả kiến. Về lý thuyết, tím phải bị tán xạ mạnh nhất. Vậy tại sao bầu trời không phải màu tím?

Câu trả lời nằm ở chính mắt bạn.

Mắt người có 3 loại tế bào nón, phản ứng tối đa ở 3 bước sóng: 570 nm (dài), 543 nm (trung bình), 442 nm (ngắn). Loại ngắn nhất nhạy với xanh ở khoảng 440 nm.

Khi ánh sáng xanh và tím cùng kích thích mắt, 3 loại nón gửi tín hiệu hỗn hợp về não. Não bộ xử lý hỗn hợp xanh+tím thành màu xanh, chứ không nhận diện là tím.

Bạn có nhìn thấy đồ thị độ nhạy của các tế bào cảm nhận màu đỏ gợn lên ở gần bước sóng 440 nm không? Nếu nó không ở gần đấy, thì màu xanh bị kích thích mạnh nhất, sau đó đến màu lục và cuối cùng là màu đỏ.

Mắt người nhìn bầu trời xanh như thế nào?

Mắt bạn chứa khoảng 10 triệu tế bào que (giúp nhìn trong điều kiện ánh sáng yếu) và 5 triệu tế bào nón (chịu trách nhiệm nhận diện màu sắc).

Phạm vi nhạy cảm của mắt người dao động từ 380 nm đến 740 nm. Trong khoảng này, 3 loại nón chính phối hợp với nhau để tạo ra mọi màu bạn thấy.

Đa số động vật chỉ có 2 loại tế bào nón. Chim, ví dụ, có thể nhìn thấy bước sóng tím mà mắt người bỏ sót. Với chim, bầu trời có thể trông tím hơn bạn tưởng.

Sự khác biệt này giải thích vì sao con người, dù là sinh vật quan sát tinh tế, vẫn "nhìn nhầm" bầu trời thành xanh thay vì tím.

Vì sao bầu trời gần chân trời lại nhạt màu hơn?

Bạn để ý bầu trời xanh đậm nhất khi nhìn lên đầu, và nhạt dần khi hướng về phía chân trời. Hiện tượng này có nguyên nhân rõ ràng.

Ánh sáng xanh từ vùng chân trời phải đi qua thêm nhiều lớp không khí trước khi tới mắt bạn. Một phần tiếp tục bị tán xạ theo hướng khác, làm giảm mật độ ánh sáng xanh còn lại.

Đồng thời, ánh sáng tán xạ nhiều lần trộn với ánh sáng phản xạ từ mặt đất, tạo ra hiệu ứng trộn màu thành trắng. Kết quả là bầu trời gần chân trời trông nhạt, gần trắng hơn.

Bụi và ô nhiễm không khí càng làm hiện tượng này mạnh hơn, khiến bầu trời đô thị thường xám đục thay vì xanh thẳm.

Tại sao Mặt Trời nhìn thấy có màu vàng?

Mặt Trời thực tế phát ra ánh sáng trắng. Các phi hành gia quan sát thấy Mặt Trời trắng khi nhìn từ không gian.

Nhưng khi đứng trên mặt đất, bạn thấy Mặt Trời vàng. Nguyên nhân: khí quyển lọc bỏ các bước sóng ngắn (xanh, tím) thông qua tán xạ Rayleigh. Phần còn lại tới mắt bạn là dải vàng – đỏ.

Đây cũng là lý do bạn không bao giờ được nhìn thấy Mặt Trời màu xanh, dù xanh là màu bị tán xạ mạnh nhất trên bầu trời.

Vì sao hoàng hôn có màu đỏ?

Khi Mặt Trời lặn, góc chiếu của ánh sáng xuống mặt đất rất thấp. Ánh sáng phải đi qua quãng đường dài hơn nhiều trong khí quyển so với ban ngày.

Quãng đường dài nghĩa là nhiều cơ hội tán xạ hơn. Ánh sáng xanh bị tán xạ hết trước khi tới mắt bạn. Chỉ còn lại đỏ, cam, vàng, những bước sóng dài, ít bị ảnh hưởng bởi tán xạ Rayleigh.

Bụi, ô nhiễm và sol khí trong không khí cũng tán xạ ánh sáng xanh lam, để lại ánh sáng đỏ và vàng. Chính vì vậy, sau những ngày ô nhiễm nặng, hoàng hôn thường đỏ rực hơn bình thường.

Bạn có thể thấy hiệu ứng này rõ nhất ở những nơi thoáng đãng, xa núi và công trình che khuất, nơi tầm nhìn rộng cho phép bạn thấy toàn bộ dải màu chuyển tiếp từ vàng sang đỏ thẫm.

Bầu trời trên các hành tinh khác trông như thế nào?

Màu xanh của bầu trời Trái Đất không phải điều phổ biến trong vũ trụ. Nó phụ thuộc hoàn toàn vào thành phần khí quyển.

Sao Hỏa có khí quyển rất mỏng, chủ yếu là CO2, chứa đầy bụi mịn. Ban ngày, bầu trời Sao Hỏa có màu cam đỏ. Khi Mặt Trời lặn, hiệu ứng ngược lại xảy ra: ánh sáng xanh xuyên qua lớp bụi tốt hơn, nên hoàng hôn trên Sao Hỏa có màu xanh xám.

Mặt Trăng không có khí quyển. Không có phân tử khí để tán xạ ánh sáng. Kết quả: bầu trời đen kịt cả ngày, dù Mặt Trời đang chiếu rực. Mặt Trời cũng trông trắng tinh, không vàng như trên Trái Đất.

Sự khác biệt này cho thấy màu bầu trời không phải đặc tính cố định của một hành tinh. Nó là sản phẩm của sự tương tác giữa ánh sáng sao chủ và lớp không khí bao quanh.

Bầu trời xanh có ý nghĩa gì đối với sự sống?

Màu xanh của bầu trời không chỉ là vẻ đẹp trang trí. Nó là dấu hiệu của một khí quyển đủ dày để bảo vệ sự sống.

Khí quyển tán xạ ánh sáng xanh cũng chính là lớp chắn bức xạ có hại từ Mặt Trời. Không có nó, bề mặt Trái Đất sẽ bị chiếu xạ trực tiếp, giống như trên Mặt Trăng.

Bụi và ô nhiễm làm thay đổi cách tán xạ, khiến bầu trời xám đục thay vì xanh. Hiện tượng này không chỉ ảnh hưởng thẩm mỹ. Nó báo hiệu chất lượng không khí suy giảm, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người.

Khi bạn thấy bầu trời trong xanh, đó là bằng chứng khí quyển đang hoạt động đúng chức năng. Khi bầu trời xám xịt, đó là lời cảnh báo: lớp bảo vệ ấy đang bị tổn thương.