Bầu trời ban ngày có màu xanh vì các phân tử khí trong không khí, chủ yếu là nitơ và oxy, tán xạ ánh sáng có bước sóng ngắn mạnh hơn nhiều so với ánh sáng bước sóng dài. Ánh xanh lam bị hắt đi khắp mọi hướng, nên nhìn về phía nào của vòm trời bạn cũng thấy màu xanh, còn ánh đỏ, ánh cam phần lớn đi thẳng qua mà không đổi hướng.
Hiện tượng này gọi là tán xạ Rayleigh, theo tên nhà vật lý người Anh đã mô tả nó bằng toán học từ cuối thế kỷ 19. Cùng một nguyên lý giải thích được thêm nhiều câu hỏi quen thuộc: vì sao hoàng hôn đỏ, vì sao mây trắng mà mây mưa lại xám, vì sao trời đêm đen, vì sao lên núi cao trời xanh thẫm hơn. Dưới đây là từng câu, kèm một thí nghiệm năm phút để bạn tự kiểm chứng tại nhà.
Vì sao bầu trời màu xanh mà không phải màu khác?
Ánh sáng Mặt Trời trông trắng nhưng thật ra là hỗn hợp mọi màu, từ tím (bước sóng khoảng 400 nanomet) đến đỏ (khoảng 700 nanomet). Khi đi vào khí quyển, ánh sáng gặp các phân tử khí nhỏ hơn bước sóng của nó hàng nghìn lần. Với vật nhỏ như vậy, mức tán xạ tỉ lệ nghịch với lũy thừa bậc bốn của bước sóng: bước sóng ngắn đi một nửa thì tán xạ mạnh gấp 16 lần. Tính cụ thể, ánh xanh lam khoảng 450 nanomet bị tán xạ mạnh hơn ánh đỏ 700 nanomet chừng 5 đến 6 lần.
Kết quả là ánh xanh bị đánh bật khỏi đường đi thẳng, nảy qua nảy lại giữa các phân tử rồi tới mắt bạn từ mọi phía. Vì thế cả vòm trời sáng lên màu xanh, chứ không chỉ vùng quanh Mặt Trời. Nếu không có khí quyển, như trên Mặt Trăng, bầu trời ban ngày vẫn đen kịt dù Mặt Trời chói chang — ảnh chụp từ các chuyến bay Apollo cho thấy rõ điều đó.
Một hiểu lầm hay gặp là trời xanh vì phản chiếu màu biển. Thực tế ngược lại: giữa sa mạc cách biển hàng nghìn cây số trời vẫn xanh, còn biển thì một phần xanh vì phản chiếu màu trời và vì chính nước hấp thụ bớt ánh đỏ.
Ánh tím tán xạ còn mạnh hơn, sao trời không tím?
Mặt Trời phát ít ánh tím hơn ánh lam. Phổ ánh sáng Mặt Trời mạnh nhất ở vùng lam lục; càng về phía tím cường độ càng giảm. Nguồn ánh tím ban đầu vốn đã ít hơn.
Một phần ánh tím bị hấp thụ trên cao. Tầng ozone và lớp khí quyển phía trên hấp thụ bớt các bước sóng rất ngắn, gồm tia tử ngoại và một phần ánh tím, trước khi chúng xuống tới tầm thấp nơi chúng ta sống.
Mắt người kém nhạy với màu tím. Võng mạc có ba loại tế bào nón cảm nhận màu, nhạy nhất ở vùng lục và vàng lục. Hỗn hợp ánh tán xạ gồm tím, lam và một ít lục đi vào mắt, não tổng hợp tín hiệu đó thành màu xanh da trời nhạt chứ không phải tím.
Có lúc bầu trời ngả tím thật. Ngay sau hoàng hôn, khi ánh nắng đã rời đỉnh trời, đôi khi vòm trời có sắc tím hồng. Đó là lúc tỉ lệ các màu đến mắt thay đổi vì ánh sáng đi những quãng đường rất dài, chứ không phải không khí đổi tính chất.
Vì sao hoàng hôn và bình minh có màu đỏ cam?
Lúc giữa trưa, ánh nắng xuyên khí quyển theo đường gần thẳng đứng, chỉ đi qua một lớp không khí tương đối mỏng. Khi Mặt Trời sát chân trời, tia sáng phải đi xiên qua một quãng không khí dài gấp mấy chục lần. Trên quãng đường đó, gần hết ánh lam và lục đã bị tán xạ sang hướng khác; phần còn đi thẳng tới mắt bạn chủ yếu là vàng, cam và đỏ.
Bụi, hơi nước, khói và các hạt lơ lửng làm màu thêm đậm. Sau những đợt cháy rừng lớn hay núi lửa phun mạnh, hoàng hôn ở nơi cách xa hàng nghìn cây số có thể đỏ rực nhiều tuần liền. Ở thành phố nhiều bụi mịn, hoàng hôn cũng hay đỏ đục — đẹp để chụp ảnh nhưng không phải tin vui cho phổi.
Câu "ráng mỡ gà thì gió, ráng mỡ chó thì mưa" trong kinh nghiệm dân gian có cơ sở một phần: ráng vàng đậm thường đi cùng lớp mây cao và độ ẩm lớn, dấu hiệu khối không khí đang thay đổi. Tuy vậy, muốn biết thời tiết ngày mai, bản tin dự báo của cơ quan khí tượng vẫn đáng tin hơn nhìn trời.
Vì sao mây màu trắng, còn mây mưa lại xám đen?
Mây là hàng tỉ giọt nước hoặc tinh thể băng, mỗi giọt cỡ vài đến vài chục micromet, lớn hơn bước sóng ánh sáng nhiều lần. Với hạt lớn như thế, tán xạ không còn ưu tiên màu nào: đỏ, lục, lam đều bị hắt đi gần như nhau, gọi là tán xạ Mie. Mọi màu cộng lại cho ra màu trắng. Cũng vì vậy mà sữa, đường cát, bọt bia hay muối hạt có màu trắng: chúng gồm vô số hạt nhỏ trong suốt tán xạ đều mọi màu.
Mây mưa không chứa thứ gì đen cả. Chúng xám vì quá dày: một đám mây dông có thể cao nhiều cây số, ánh sáng chiếu vào phía trên bị tán xạ ngược ra không gian hoặc tản sang hai bên trước khi xuống được tới đáy. Người đứng dưới nhìn lên thấy đáy mây thiếu sáng nên xám chì. Giọt nước trong mây sắp mưa to hơn và dày đặc hơn, cũng làm ánh sáng yếu đi thêm. Ngồi máy bay nhìn xuống, chính đám mây đen ấy lại trắng sáng ở mặt trên.
Dấu hiệu thực tế: mây chuyển từ trắng xốp sang xám chì, chân mây thấp, phẳng và lan rộng, gió đổi hướng đột ngột — thường là trời sắp mưa trong vài chục phút tới.
Vì sao trời đêm màu đen, còn trên núi cao trời xanh thẫm hơn?
Trời đêm đen vì không còn ánh sáng để tán xạ. Khi Mặt Trời khuất dưới đường chân trời, lớp khí phía trên đầu bạn không còn nhận ánh sáng trực tiếp. Không có gì để tán xạ thì không có màu, mắt nhìn xuyên lớp khí trong suốt ra không gian tối. Đêm trăng tròn, máy ảnh phơi sáng lâu vẫn ghi được trời màu xanh, vì ánh trăng chính là ánh Mặt Trời phản chiếu.
Trời đêm thành phố ngả cam xám. Ánh đèn đường và nhà cửa hắt lên, bị bụi và hơi nước tán xạ ngược xuống, làm trời đêm đô thị sáng đục, che gần hết sao. Ở vùng núi xa đô thị, bạn thấy được hàng nghìn ngôi sao bằng mắt thường.
Lên cao trời xanh thẫm vì không khí phía trên loãng hơn. Ở độ cao vài nghìn mét, lượng không khí còn lại phía trên ít đi, ánh tán xạ yếu hơn nên màu trời đậm và sẫm. Phi công bay ở độ cao 10–12 km thấy trời xanh lam thẫm; lên tới rìa vũ trụ thì trời đen ngay giữa ban ngày.
Gần chân trời luôn nhạt hơn đỉnh đầu. Nhìn ngang, mắt bạn xuyên qua quãng không khí rất dài, ánh sáng tán xạ nhiều lần, các màu trộn lại thành xanh trắng nhạt. Ngước thẳng lên, quãng đường ngắn hơn nên màu xanh đậm và trong hơn.
Vì sao kính râm phân cực làm trời xanh đậm hơn?
Ánh sáng tán xạ từ bầu trời bị phân cực, nghĩa là dao động chủ yếu theo một phương. Hiệu ứng mạnh nhất ở vùng trời lệch 90 độ so với hướng Mặt Trời. Kính râm phân cực và kính lọc phân cực của máy ảnh chặn bớt phần ánh sáng dao động theo phương đó, nên vùng trời ấy tối và xanh đậm hơn, mây trắng nổi bật hẳn lên.
Thử ngay: đeo kính phân cực, nhìn lên vùng trời bên phải hoặc bên trái Mặt Trời, rồi nghiêng đầu từ từ. Màu trời sẽ đậm lên rồi nhạt đi theo góc nghiêng. Nhìn về phía Mặt Trời hoặc phía đối diện thì gần như không đổi. Người chụp ảnh phong cảnh dựa đúng vào điều này: muốn trời xanh thẫm thì đứng sao cho Mặt Trời nằm bên cạnh, không ở sau lưng hay trước mặt.
Một số loài như ong mật cảm nhận được ánh sáng phân cực của bầu trời và dùng nó để định hướng, kể cả khi Mặt Trời bị mây che. Mắt người không thấy trực tiếp kiểu phân cực này, nên phải nhờ tới kính.
Tự làm thí nghiệm "bầu trời trong cốc" tại nhà
Chỉ cần một cốc thuỷ tinh trong, nước và chút sữa, bạn tái hiện được cả trời xanh lẫn hoàng hôn trong năm phút. Trẻ từ khoảng 6 tuổi làm cùng bố mẹ được.
- Đổ nước sạch vào cốc thuỷ tinh hoặc lọ trong, càng cao càng tốt, khoảng 300–500 ml.
- Nhỏ vài giọt sữa tươi, khoảng nửa thìa cà phê, rồi khuấy đều. Nước chỉ hơi đục; cho nhiều sữa đến mức trắng đục là thí nghiệm hỏng.
- Tắt bớt đèn phòng, dùng đèn pin điện thoại chiếu xuyên ngang qua cốc từ một bên.
- Nhìn cốc từ phía bên, vuông góc với tia sáng: nước có ánh xanh nhạt. Đó là "bầu trời" — các hạt mỡ sữa li ti tán xạ ánh xanh sang ngang.
- Giờ nhìn thẳng vào đèn xuyên qua cốc từ phía đối diện: ánh sáng có màu vàng cam. Đó là "hoàng hôn" — phần ánh xanh đã bị tán xạ đi mất trên đường.
- Nhỏ thêm sữa và lặp lại: màu cam đậm dần, giống như ánh nắng phải đi qua lớp không khí dày hơn hoặc nhiều bụi hơn.
Nếu không thấy màu rõ, thường do cho quá nhiều sữa hoặc đèn quá yếu. Đèn LED trắng của điện thoại cho kết quả tốt hơn bóng đèn ánh vàng.
Câu hỏi thường gặp
Bầu trời ở mọi nơi trên Trái Đất đều xanh như nhau không?
Ở đâu có khí quyển và Mặt Trời trên cao thì trời ban ngày đều xanh, chỉ đậm nhạt khác nhau theo độ ẩm, bụi và độ cao. Vùng khô, ít bụi như cao nguyên thường trời xanh thẫm; vùng ẩm, ven biển hay đô thị ô nhiễm trời nhạt hoặc trắng đục hơn.
Vì sao có hôm trời trắng đục dù không có mây?
Do lớp hơi nước, bụi mịn hoặc khói lơ lửng gồm những hạt lớn hơn phân tử khí, tán xạ đều mọi màu nên trời ngả trắng xám. Những ngày như vậy ở thành phố thường trùng với chỉ số bụi mịn cao, người có bệnh hô hấp nên hạn chế ở ngoài trời lâu.
Bầu trời sao Hoả có màu gì?
Ban ngày trời sao Hoả có màu vàng nâu nhạt do bụi oxit sắt mịn lơ lửng trong lớp khí quyển mỏng. Thú vị là hoàng hôn ở đó lại hơi xanh lam, vì các hạt bụi ấy hắt ánh xanh về vùng gần Mặt Trời. Xe tự hành thám hiểm sao Hoả đã chụp được cảnh này.
Nhìn bầu trời xanh lâu có hại mắt không?
Nhìn bầu trời bình thường không hại, chỉ không được nhìn thẳng vào Mặt Trời, kể cả qua kính râm hay lúc nắng chiều còn gắt. Ánh sáng mạnh có thể làm tổn thương võng mạc mà không gây đau, phát hiện thì đã muộn. Ngắm nhật thực phải dùng kính lọc chuyên dụng.
Vì sao chụp ảnh bằng điện thoại trời hay bị trắng xoá?
Cảm biến điện thoại khó ghi cùng lúc vùng trời rất sáng và cảnh vật tối hơn, nên máy ưu tiên cảnh vật và để trời cháy sáng. Chạm vào vùng trời trên màn hình để đo sáng lại, kéo giảm mức phơi sáng hoặc bật chế độ HDR sẽ giữ được màu xanh.
Trẻ hỏi vì sao trời xanh thì giải thích ngắn thế nào?
Bạn giải thích thế này: ánh nắng gồm đủ bảy màu, khi đi qua không khí thì màu xanh bị các hạt khí bé xíu hất tung ra khắp nơi, nên nhìn đâu cũng thấy xanh. Buổi chiều nắng đi đường xa hơn, màu xanh rơi rớt hết, chỉ còn màu đỏ cam. Làm kèm thí nghiệm cốc sữa sẽ dễ nhớ hơn.
