Vì sao bầu trời có màu xanh?

Bầu trời xanh mỉm cười cùng tôi
Tôi chẳng còn gì ngoài bầu trời xanh...

- Irving Berlin

Nếu bạn từng hỏi tại sao, giống như Irving Berlin, bạn thấy “chẳng có gì hết ngoài bầu trời xanh”, thì xem như bạn đang có tâm trạng tốt. Nhiều thế kỉ trôi qua và rất nhiều con người thông minh – như Aristotle, Isaac Newton, Thomas Young, James Clerk Maxwell và Hermann von Helmholtz – đã chật vật đi tìm câu trả lời, một phần vì lời giải đáp có quá nhiều thành phần: màu sắc của ánh sáng mặt trời, góc tia nắng mặt trời truyền qua khí quyển, kích cỡ của các hạt bụi và các phân tử không khí, và phương thức mắt chúng ta cảm nhận màu sắc.

Bây giờ hãy tạm lấy bầu trời ra khỏi phương trình toán học và bắt đầu nhìn vào màu sắc thôi. Từ một quan điểm vật lí, màu sắc gợi đến bước sóng của ánh sáng nhìn thấy rời khỏi một vật và đi tới một bộ cảm biến, ví dụ như mắt người. Những bước sóng này có thể bị phản xạ, hay tán xạ, từ một nguồn bên ngoài, hoặc chúng có thể tỏa ra từ chính vật đó.

Màu sắc của một vật thay đổi tùy thuộc vào màu sắc chứa trong nguồn sáng; ví dụ, nước sơn màu đỏ, nhìn dưới ánh sáng xanh lam, trông có màu đen. Isaac Newton đã chứng minh với một lăng kính rằng ánh sáng mặt trời chứa đầy đủ màu sắc của phổ nhìn thấy, cho nên mọi màu sắc đều là có thể dưới ánh mặt trời.

Ở trường học, số đông chúng ta đã biết rằng một quả chuối trông có màu vàng là bởi vì nó phản xạ ánh sáng màu vàng và hấp thụ mọi bước sóng khác. Điều này là không chính xác. Quả chuối làm tán xạ màu cam và màu đỏ nhiều y màu vàng vậy, và làm tán xạ mọi bước sóng trong vùng nhìn thấy đến một chừng mực nhất định nào đó. Nguyên nhân thật sự nó trông có màu vàng liên quan đến cách mắt chúng ta cảm nhận ánh sáng. Tuy nhiên, trước khi đi sâu vào vấn đề đó, chúng ta hãy ngước mắt nhìn lại xem bầu trời thật ra có màu gì.

Bầu trời xanh mang thi vị đến cho cuộc sống

Giống như quả chuối, các nguyên tử, phân tử và các hạt bụi trong khí quyển hấp thụ và làm tán xạ ánh sáng. Nếu chúng không làm thế, hoặc nếu Trái đất không có khí quyển, thì chúng ta sẽ cảm nhận mặt trời là một ngôi sao rất sáng trong số vô vàn ngôi sao khác trong một bầu trời đêm vĩnh cửu. Tuy nhiên, không phải mọi bước sóng trong phổ nhìn thấy đều bị tán xạ như nhau. Những bước sóng ngắn, năng lượng cao hơn, tiến về đầu tím của quang phổ, tán xạ tốt hơn những bước sóng tiến về đầu đỏ, dài hơn, và năng lượng thấp hơn. Xu hướng này một phần là do năng lượng cao của chúng, cho phép chúng chạy ping-pong đi xa hơn, và một phần là do hình dạng của các hạt bụi mà chúng tương tác trong khí quyển.

Vào năm 1871, ngài huân tước Rayleigh đã nghĩ ra một công thức mô tả một tập con của những tương tác này, trong đó các hạt khí quyển nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của bức xạ đi tới chúng. Mô hình tán xạ Rayleigh cho thấy, trong những hệ như thế, cường độ của ánh sáng tán xạ biến thiên tỉ lệ nghịch với lũy thừa bốn của bước sóng của nó. Nói cách khác, bước sóng càng ngắn – như ánh sáng lam và tím – thì tán xạ xa hơn nhiều khi các hạt khí quyển – ví dụ như các phân tử oxygen và nitrogen – tương đối nhỏ. Dưới những điều kiện này, ánh sáng tán xạ còn có xu hướng khuếch tán đều nhau theo mọi hướng, đó là nguyên do vì sao bầu trời trông thấm đẫm màu sắc như thế.

Nếu chúng ta đủ khờ khạo mà nhìn thẳng vào mặt trời, chúng ta sẽ thấy mọi bước sóng, vì ánh sáng mặt trời khi đó sẽ đi thẳng vào mắt chúng ta. Đó là nguyên do mặt trời và vùng bao quanh nó trông có màu trắng. Khi chúng ta nhìn từ mặt trời ra xa, vào bầu trời trong sáng, chúng ta sẽ thấy ánh sáng chủ yếu từ những bước sóng tán xạ, ngắn hơn, như ánh sáng tím, chàm, và lam.

Vậy tại sao bầu trời không tím mà lại xanh? Câu trả lời nằm ở mắt của chúng ta. Cửa sổ tâm hồn của bạn cảm nhận màu sắc qua những cấu trúc gọi là tế bào hình nón. Mỗi võng mạc của bạn đan tua tủa khoảng 5 triệu tế bào hình nón, chúng gồm ba loại chuyên chức năng nhìn những màu sắc khác nhau. Mặc dù mỗi loại tế bào hình nón nhạy nhất với những bước sóng nhất định, nhưng vùng nhìn của các loại tế bào hình nón chồng lấn lên nhau. Vì thế, các quang phổ và kết hợp phổ khác nhau có thể được nhìn thấy là có cùng màu.

Không giống như thính giác của chúng ta, cái có thể nhận ra từng nhạc cụ phát trong một dàn nhạc, mắt và não của chúng ta cảm nhận những kết hợp nhất định của các bước sóng là một màu sắc rạch ròi. Thị giác của chúng ta cảm nhận ánh sáng lam-tím của bầu trời là một hỗn hợp của ánh sáng lam và ánh sáng trắng, và thế là bầu trời trong xanh trên đỉnh đầu của mỗi người chúng ta.

____

Màu sắc của bầu trời có thể thay đổi tùy thuộc vào bụi bặm, chất ô nhiễm và hơi nước, chúng ảnh hưởng đến sự hấp thụ và tán xạ của ánh sáng mặt trời theo những kiểu khác nhau. Tông màu đỏ của hoàng hôn chủ yếu là do thực tế ánh sáng mặt trời truyền xa hơn trong khí quyển để đi tới mắt chúng ta. Lúc ánh sáng đi tới mắt, nó đã bị tước hết những bước sóng ngắn, chúng đã bị tán xạ ra xa hết rồi, chỉ để lại bước sóng dài cùng ánh đỏ da diết của bầu trời hoàng hôn.

Theo HowStuffWorks

Bài trước | Bài kế tiếp