Hôm qua, khoảng 5 giờ 45 phút chiều, mình đứng trên sân thượng nhìn ra phía tây. Bầu trời như đang cháy. Không phải theo nghĩa bóng — mà theo nghĩa đen nhất có thể: một dải cam rực ở chân trời, trên đó là đỏ sẫm, rồi tím, rồi xanh dương nhạt dần lên đỉnh đầu.
Mình lại nghĩ đến buổi sáng cùng ngày. Cũng bầu trời đó. Cũng không khí đó. Cũng mặt trời đó. Nhưng mọi thứ đều xanh — xanh trong vắt.
Cùng một bầu trời. Sao lại có nhiều sắc màu như vậy?
Đây không phải câu hỏi ngây thơ. Đây là câu hỏi mà các nhà vật lý đã mất hàng trăm năm để trả lời đúng hoàn toàn — và câu trả lời ẩn chứa một trong những câu chuyện đẹp nhất của vật lý học.
Ánh sáng mặt trời trắng thực ra không phải màu trắng
Đa số người nghĩ rằng ánh sáng mặt trời màu trắng vì nhìn nó hoàn toàn không có màu gì cả. Nhưng thực ra, ánh sáng mặt trời là một hỗn hợp — nó chứa tất cả các màu cùng lúc, từ tím đến đỏ. Bằng chứng rõ nhất bạn có thể thấy mỗi khi trời mưa xong: cầu vồng xuất hiện. Một cơn mưa không tạo ra màu sắc — nó chỉ tách ánh sáng mặt trời ra thành từng thành phần riêng lẻ, như một cái lăng kính khổng lồ.
Vật lý học gọi từng màu đó là một bước sóng. Ánh sáng tím có bước sóng ngắn nhất — khoảng 380 nanomét (nm). Ánh sáng đỏ có bước sóng dài nhất — khoảng 700 nm. Ở giữa là xanh lam, xanh lá, vàng, cam. Khi tất cả các bước sóng này đi cùng nhau, mắt ta thấy màu trắng. Nhưng bầu khí quyển Trái Đất không để tất cả chúng đi qua một cách bình đẳng.
Bầu khí quyển là một cái lăng kính tự nhiên khổng lồ
Không gian xung quanh ta không trống rỗng. Nó chứa hàng tỷ tỷ phân tử — phần lớn là nitơ (N₂) và oxy (O₂). Những phân tử này nhỏ đến mức bạn không thể nhìn thấy, nhưng ánh sáng thì thấy chúng. Và khi ánh sáng va chạm với những phân tử này, điều gì đó rất thú vị xảy ra: ánh sáng bị hắt đi theo mọi hướng — hiện tượng này được gọi là tán xạ.
Nhưng không phải tất cả các màu đều bị tán xạ như nhau.
Năm 1871, nhà vật lý người Anh Lord Rayleigh phát hiện ra rằng: ánh sáng có bước sóng ngắn bị tán xạ mạnh hơn nhiều so với ánh sáng có bước sóng dài. Cụ thể hơn — mạnh hơn theo tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc bốn của bước sóng. Nếu bạn giảm bước sóng đi một nửa, cường độ tán xạ tăng lên 16 lần.
Nghe có vẻ rối. Nhưng hình ảnh này có thể giúp: hãy tưởng tượng bạn đang ném những viên đá sỏi vào một tấm lưới. Những viên đá nhỏ (bước sóng ngắn = ánh sáng tím, xanh) dễ bị hắt đi theo mọi hướng khi chạm vào sợi lưới. Những viên đá lớn hơn (bước sóng dài = ánh sáng đỏ, cam) đi thẳng qua dễ dàng hơn nhiều.
Vậy là trong bầu khí quyển ban ngày, ánh sáng xanh và tím bị tán xạ liên tục — văng ra khắp nơi, tràn ngập bầu trời từ đông sang tây. Còn ánh sáng đỏ thì lặng lẽ đi thẳng, không bị làm phiền nhiều. Kết quả: dù bạn nhìn vào góc nào trên bầu trời — trừ thẳng vào mặt trời — bạn cũng thấy ánh sáng xanh đang tán xạ về phía mắt mình. Bầu trời xanh.
Nhưng tại sao bầu trời màu xanh chứ không phải màu tím?
Đây là câu hỏi tinh tế mà nhiều người bỏ qua. Nếu ánh sáng tím bị tán xạ nhiều hơn xanh lam (vì bước sóng ngắn hơn), thì lẽ ra bầu trời phải màu tím chứ?
Có ba lý do khiến bầu trời xanh lam chứ không phải tím:
Thứ nhất: Mặt trời không phát ra ánh sáng tím nhiều bằng ánh sáng xanh lam. Phổ bức xạ của mặt trời có đỉnh ở vùng xanh lam — tím thực ra khá ít.
Thứ hai: Mắt người không nhạy với ánh sáng tím như với xanh lam. Chúng ta có ba loại tế bào cảm nhận màu trong mắt — và các tế bào nhạy với xanh lam hoạt động tốt hơn nhiều so với tế bào nhạy tím.
Thứ ba: Một phần ánh sáng tím bị tầng trên của khí quyển hấp thụ trước khi xuống đến chúng ta.
Ba yếu tố này cộng lại: bầu trời xanh lam, chứ không phải tím. Cơ mắt người và cơ trời hóa ra “đồng thuận” với nhau theo một cách rất tình cờ — hoặc không tình cờ chút nào, tùy cách bạn nhìn.
Hoàng hôn: khi ánh sáng phải đi đường vòng dài hơn
Bây giờ là phần quan trọng nhất. Phần mà câu hỏi mở đầu được trả lời.
Khi mặt trời ở đỉnh đầu — buổi trưa — ánh sáng từ mặt trời đi thẳng xuống qua một lớp khí quyển mỏng nhất có thể, khoảng 10–15 km chiều dày. Trong đoạn đường ngắn đó, ánh sáng xanh bị tán xạ khắp bầu trời, và một phần đỏ đi thẳng đến mắt bạn — nhưng vì xanh chiếm ưu thế ở mọi góc nhìn, bầu trời vẫn xanh.
Nhưng khi mặt trời bắt đầu lặn — khi nó gần chân trời — góc nhìn thay đổi hoàn toàn. Lúc này, ánh sáng từ mặt trời không đi thẳng xuống nữa. Nó phải đi chéo, xuyên qua một lớp khí quyển dày hơn rất nhiều — có thể gấp 10 đến 40 lần so với buổi trưa.
Hành trình dài hơn đó có nghĩa là gì?
Ánh sáng xanh bị tán xạ liên tục suốt dọc đường. Đến lúc nó gần đến mắt bạn — nó đã bị hắt đi hết rồi. Không còn nữa. Nó đang chiếu sáng cho ai đó ở xa hơn, hoặc đang tán ra không trung theo hướng khác.
Chỉ còn lại những màu có bước sóng dài — đỏ, cam, vàng — vì chúng không bị tán xạ nhiều. Chúng đi suốt hành trình dài đó mà vẫn còn đủ sức đến mắt bạn.
Sau quãng đường dài đó, chủ yếu chỉ còn ánh sáng đỏ và cam tới mắt ta — nên hoàng hôn có màu như vậy.
Hình ảnh tôi thích dùng: hãy nghĩ đến một tách cà phê được pha qua phin. Khi nước đổ qua lớp bột cà phê mỏng (buổi trưa, khí quyển mỏng), nước qua nhanh, màu nhạt. Nhưng khi cùng lượng nước đó phải đi qua lớp phin dày gấp bốn mươi lần (hoàng hôn, khí quyển dày), mọi thứ mịn đều bị giữ lại — chỉ có tinh chất thô đậm nhất chảy ra cuối cùng.
Bầu trời hoàng hôn là tách cà phê đã lọc kỹ — chỉ còn màu đỏ đặc.
Mây lúc hoàng hôn: tại sao một số đám mây rực rỡ hơn những đám khác?
Nếu bạn để ý kỹ, bạn sẽ thấy không phải tất cả bầu trời hoàng hôn đều giống nhau. Đôi khi đỏ nhạt, đôi khi cháy rực cam sẫm, đôi khi có những dải hồng tím rất đặc biệt.
Lý do chủ yếu là những đám mây cao — cirrus, altocumulus — phản chiếu ánh sáng hoàng hôn đã được lọc đỏ đó lên trên. Mây không tự phát ra màu; chúng chỉ là những tấm gương nước và tinh thể băng trên không trung.
Và đây là điều thú vị: hoàng hôn đẹp nhất thường xảy ra sau khi có núi lửa phun trào. Bụi mịn từ núi lửa bay lên tầng bình lưu (khoảng 20–30 km), lơ lửng trong nhiều tháng, và tán xạ thêm ánh sáng theo những cách đặc biệt. Sau khi núi lửa Pinatubo ở Philippines phun trào năm 1991, những người ở khắp thế giới ghi nhận những hoàng hôn đẹp bất thường trong suốt hai năm tiếp theo.
Bầu trời trên những hành tinh khác trông như thế nào?
Câu hỏi này tôi thích nhất — vì nó cho thấy bầu trời xanh của chúng ta không phải là “mặc định” của vũ trụ. Nó là kết quả của một bầu khí quyển rất cụ thể, với những phân tử rất cụ thể.
Sao Hỏa có bầu khí quyển mỏng hơn Trái Đất nhiều, và chứa bụi đỏ sắt oxit. Kết quả: bầu trời ban ngày trên sao Hỏa có màu vàng nhạt đến hồng nâu — và lúc hoàng hôn lại có màu xanh lam. Ngược hoàn toàn với chúng ta.
Sao Kim có bầu khí quyển dày đặc chứa CO₂ và axit sulfuric — bầu trời màu vàng cam xỉn, mặt trời chỉ là một quầng sáng mờ.
Titan — mặt trăng lớn nhất của Sao Thổ — có bầu khí quyển nitrogen dày hơn Trái Đất, nhưng chứa nhiều khí hữu cơ. Bầu trời màu cam mù như sương khói.
Bầu trời xanh là đặc quyền hiếm có. Và chúng ta nhìn nó mỗi ngày mà không để ý.
Một chi tiết nhỏ bạn có thể tự kiểm tra ngay hôm nay
Nếu muốn “thấy” tán xạ Rayleigh bằng tay mình, hãy thử cái này:
Lấy một cốc nước trong, nhỏ vài giọt sữa vào và khuấy nhẹ. Sau đó chiếu đèn pin vào một phía. Nhìn từ góc vuông — bạn sẽ thấy nước có màu hơi xanh. Nhìn xuyên qua, về phía đèn — nước có màu vàng cam.
Các hạt nhũ tương trong sữa đang tán xạ ánh sáng xanh theo mọi hướng — y hệt những gì phân tử không khí làm với ánh sáng mặt trời. Bạn vừa tái tạo bầu trời trong một cái cốc thủy tinh.
Feynman – một nhà vật lý lý thuyết người Mỹ nổi tiếng thế giới, người đã đoạt giải Nobel Vật lý năm 1965 – từng nói rằng khoa học là cách biến sự kỳ lạ thành quen thuộc, và biến sự quen thuộc thành kỳ lạ hơn bao giờ hết. Bầu trời xanh là điều quen thuộc nhất trên đời. Và bây giờ bạn đã biết nó kỳ lạ đến mức nào.
