Tại sao bầu trời màu xanh ? Và nhũng bí ẩn về bầu trời

Bầu trời của chúng ta 

VnTim™<> Những phân tử không khí là những chất khuếch tán có độ lớn bé nhất của khí quyển. Chúng vô cùng nhỏ (khoảng 0,001 micron) so với độ lớn của những độ dài các sóng cấu thành ánh sáng (0,446 đến 0,750 micron).
Sự khuếch tán ánh sáng ấy gọi là sự khuếch tán Rayleigh:
Cường độ ánh sáng khuếch tán càng lớn khi độ dài sóng của ánh sáng càng ngắn



Luật khuếch tán Rayleigh
Luật Rayleigh cho chúng ta biết là những phần tử khuếch tán ánh sáng mà độ dài nhỏ hơn độ lớn của chính những phần tử này, có nghĩa là những sóng ánh sáng nảy lên liên tục trên các phân tử không khí. Cường độ màu được khuếch tán tỷ lệ nghịch với lũy thừa bốn của độ dài sóng của nó. Thế mà những phân tử của khí quyển như oxygène, nitrogène, bụi thì có độ lớn gần bằng độ dài của sóng ánh sáng. Những quang tử (photon) mang màu xanh thì được khuếch tán nhiều trong lúc màu đỏ thì không.

Cường độ khuếch tán của màu xanh: I xanh = 1/(446.10^-9)⁴ = 2,52.10²⁵

Cường độ khuếch tán của màu đỏ: I đỏ = 1/(750.10^-9)⁴ = 3.16.10²⁴

Tỷ lệ giữa màu xanh và màu đỏ: I xanh / Iđỏ = 8

Vậy màu xanh khuếch tán mạnh hơn màu đỏ 8 lần.

Khi ta nhìn trời, ánh sáng đến mắt ta có hai nguồn gốc khác nhau: một nguồn từ mặt trời đi thẳng , một nguồn khác theo một quá trình lộn xộn và không thể biết trước (mà người ta gọi là chuyển động Brownien), khuếch tán khắp nơi trong khí quyển đến ta.
Nguồn thứ nhất màu trắng và gây ra những cái bóng vì nó đi thẳng từ mặt trời đến trong khi nguồn thứ hai thì bị màu xanh lấn át và không gây ra bóng bởi vì nó đến từ khắp mọi phía: bầu trời.

Vậy thì ánh sáng khuếch tán bởi khí quyển chứa rất nhiều bức xạ màu xanh hơn bức xạ màu đỏ (8 lần): mắt ta nhận màu xanh da trời .

Sự giải thích này cũng phải được bổ túc. Thật ra ánh sáng màu tím có những độ dài sóng còn ngắn hơn ánh sáng màu xanh nên khuếch tán nhiều hơn màu xanh, nhưng vì mắt ta nhạy cảm với màu xanh hơn màu tím rất nhiều nên màu xanh được mắt ta nhìn thấy

Do đó bầu trời màu xanh.

Màu bầu trời ở trên cao

 

Trên cao, lớp khí quyển mỏng hơn sẽ làm giảm đi sự khuếch tán ánh sáng trắng. Ánh sáng khuếch tán ít hơn nên bầu trời có vẻ tối đi. Cũng nên nhắc lại là nhờ sự khuếch tán  mà ánh sáng có thể hiện diện khắp mọi nơi nên ta mới thấy nguyên cả một bầu trời. Nếu không  nhờ bầu khí quyển (thí dụ như trên mặt trăng) thì chỉ những nơi nhận được ánh sáng mặt trời mới thấy được (vì ánh sáng truyền theo đường thẳng).

Màu bầu trời ở trên mặt trăng
 

Mặt trăng không có lớp khí quyển bởi vì khối lượng nhỏ của nó không cho phép nó tạo ra một trọng lực đủ để giữ lại những chất khí  bốc đi.Ánh sáng mặt trời không được khuếch tán nên không thể truyền đi khắp mọi nơi. Sự thiếu màu sắc làm cho bầu trời  trở nên tối. Vài ngôi sao (ta chỉ thấy được hững ngôi sao nào chiếu thẳng đến ta mà thôi nên có rất ít) chiếu rất rõ bởi vì ánh sáng trực tiếp mà không bị một sự khuếch tán nào cả

Vì sao bầu trời xanh mà không tía?

 

Màu xanh lơ của bầu trời, các nhà vật lý giải thích, là do các tia sáng xanh bị bẻ cong đi nhiều hơn tia sáng đỏ. Nhưng sự cong thêm này - còn gọi là hiện tượng tán xạ - cũng mạnh không kém ở các tia tím, vậy tại sao bầu trời không phải là màu tía!

Câu trả lời, được giải thích đầy đủ lần đầu tiên trên một tạp chí khoa học, đó là do mắt của người quan sát.

Ánh sáng trắng được tạo thành từ tất cả các màu trong cầu vồng. Các nhà vật lý cho rằng khi ánh sáng mặt trời đi vào bầu khí quyển trái đất, gặp phải các phân tử nhỏ nitơ và ôxy trên bầu trời, nó bị tán xạ, hoặc khúc xạ. Các tia sáng có bước sóng ngắn nhất (xanh và tím) bị tán xạ mạnh hơn các tia sóng dài (đỏ và vàng). Vì thế, khi chúng ta nhìn theo một hướng trên bầu trời, chúng ta nhìn thấy những bước sóng bị bẻ cong nhiều nhất, thường là cuối dải màu xanh.

Vào thế kỷ 19, nhà vật lý John William Strutt (nổi tiếng với tước vị Huân tước Rayleigh) đã viết phương trình biểu diễn sự tán xạ trên bầu trời. Và gần đây, Raymond Lee từ Học viện hải quân Mỹ tiến hành đo ánh sáng trên bầu trời vào giữa trưa. Cả phương trình và phép đo đạc đều cho thấy đỉnh của ánh sáng tím tới mắt ta cũng nhiều không kém gì ánh sáng xanh dương.

"Cách lý giải truyền thống về bầu trời xanh là ánh sáng mặt trời bị tán xạ - các bước sóng ngắn hơn thì tán xạ mạnh hơn các tia sóng dài. Song thực tế, một nửa lời giải thích thường bị bỏ qua: đó là bằng cách nào mắt chúng ta nhận được phổ này", Glenn Smith, một giáo sư cơ khí tại Viện Công nghệ Georgia nhận xét. Smith đã viết một bài báo để giải thích trên số mới đây của tạp chí American Journal of Physics, kết hợp vật lý ánh sáng với hệ thống thị giác của mắt người.

Mắt người nhìn được màu sắc là nhờ vào 3 loại tế bào hình nón trên võng mạc. Mỗi loại cảm nhận tương ứng với một loại ánh sáng có bước sóng khác nhau: dài, vừavà ngắn. "Bạn sẽ cần cả ba loại tế bào này mới nhìn màu chính xác được", Smith giải thích.

Khi một bước sóng ánh sáng đi đến mắt, tế bào hình nón sẽ gửi một tín hiệu tới não. Nếu là ánh sáng xanh dương với các gợn sóng ngắn, tế bào nón sẽ phát tín hiệu để não nhìn ra màu xanh. Nếu là sóng đỏ với các bước sóng dài, não sẽ nhìn thấy màu "đỏ".

Tuy nhiên cả ba loại tế bào nón trên đều nhạy cảm trên một khoảng rộng, có chỗ chồng chập lên nhau, điều đó có nghĩa là hai phổ khác nhau có thể gây ra cùng một phản ứng ở một nhóm các tế bào nón. Chẳng hạn nếu một sóng đỏ và sóng xanh lục đi vào mắt cùng lúc, các tế bào nón khác nhau sẽ gửi một tín hiệu mà não dịch ra là màu vàng.

Smith đã chỉ ra rằng, màu cầu vồng đa sắc của bầu trời khi đi vào mắt người sẽ được cảm nhận tương tự như sự chồng chập của ánh sáng xanh dương "nguyên chất" với ánh sáng trắng. Và đó là lý do vì sao bầu trời xanh lơ - hoặc gần như vậy.

"Mắt của bạn không thể phân biệt sự khác nhau giữa phổ tổng hợp xanh dương - tím với hỗn hợp của ánh sáng xanh dương nguyên chất và ánh sáng trắng", Smith nói.

Trong mắt các loài động vật khác, màu của bầu trời lại khác hẳn. Trừ người và một số loài linh trưởng, hầu hết động vật chỉ có hai loại tế bào hình nón thay vì ba. Ong mật và một số loài chim nhìn ở bước sóng cực tím - loại bước sóng vô hình trước con người.