Tại sao bầu trời lại có màu xanh lam là một trong những câu hỏi thường gặp. Câu trả lời ngắn gọn cho câu hỏi này là: do bầu khí quyển của trái đất và ánh sáng mặt trời. Nếu Trái đất không có khí quyển, bầu trời sẽ đen vào ban ngày cũng như ban đêm.
Bầu trời xanh cho ngày hôm nay và đen cho đêm. Điều phân biệt ngày và đêm là ánh sáng mặt trời không có vào ban đêm, bởi vì khi đó chúng ta đang ở trên một phần của Trái đất quay mặt ra khỏi mặt trời. Điều này đã cho chúng ta gợi ý đầu tiên về những gì chúng ta đang nói – ánh sáng mặt trời ảnh hưởng đến màu sắc của bầu trời.
Ánh sáng mặt trời và màu sắc
Mặt trời có màu trắng, cũng như các tia nắng, phải đi từ chúng ta tới mặt trời khoảng (khoảng) 150 triệu km. Nói Mặt trời có màu trắng có thể hơi sai lầm vì màu trắng không thực sự là một màu, nghĩa là nó không chỉ có một màu. Nó bao gồm nhiều màu (chuyên nghiệp hơn có thể nói như thế này: màu trắng là một màu đa sắc, bao gồm một dải màu liên tục). Đây là ý nghĩa thực sự của nó.
Các tia sáng trắng có thể được tách ra thành một quang phổ màu sắc đẹp mắt bằng cách sử dụng một thiết bị giống như lăng kính. Đây là một hiện tượng lâu dài, trong đó ánh sáng mặt trời màu trắng bị phá vỡ thành một dải màu sặc sỡ thông qua các hạt mưa.
Chúng ta cũng có thể coi ánh sáng như một làn sóng, và để hiểu tại sao bầu trời có màu xanh lam, chúng ta phải làm như vậy. Vì vậy, nói một cách tổng quát, ánh sáng là một sóng (chính thức hơn: bức xạ điện từ) có độ dài (hoặc tần số) nhất định.
Các làn sóng ánh sáng nhìn thấy (đó là những gì mắt chúng ta có thể phát hiện và biến não của chúng ta thành một hình ảnh) có bước sóng khoảng 400 đến 700 nanomet, và trong bối cảnh này, màu sắc chỉ là một số bước sóng nhất định. Ví dụ, ánh sáng đỏ có bước sóng xấp xỉ 625 đến 740 nanomet, ánh sáng xanh lục có bước sóng từ 500 đến 565 nanomet, xanh lam có bước sóng từ 380 đến 440 nanomet, và tím có bước sóng từ 380 đến 440 nanomet.
Về câu hỏi mà chúng tôi đang trả lời ở đây, điều quan trọng cần nhớ là:
- Ánh sáng xanh lam và ánh sáng tím có bước sóng thấp nhất trong số các màu nhìn thấy khác của ánh sáng,
- Mặt trời đi qua vùng không gian trống trên đường tới mắt chúng ta cho đến khi nó chạm tới bầu khí quyển của Trái đất. Và khi bạn vượt qua nó, những điều thú vị sẽ xảy ra khiến bầu trời trở nên xanh ngắt.
Bầu khí quyển của Trái đất
Bầu khí quyển của Trái đất nói chung là gì? Đây là lớp phủ của Trái đất, được tạo thành từ nhiều loại khí khác nhau (và nó tồn tại do lực hấp dẫn của Trái đất đủ mạnh để “buộc” chúng vào chính nó). Tất cả chúng ta đều biết rằng một trong những loại khí này là oxy, mà con người cần để sống.
Nhưng nhiều người ngạc nhiên khi biết rằng phần lớn nó chuyển sang dạng nitơ. Tỷ lệ oxy trong khí quyển là khoảng 21% và nitơ lên tới 78%. Sự tương tác của ánh sáng mặt trời với các phân tử nitơ và oxy trong khí quyển làm cho bầu trời của chúng ta có màu xanh lam.
Sự tán xạ của tia nắng mặt trời trong khí quyển
Khi các tia sáng mặt trời đi vào bầu khí quyển, đi qua vùng trời không bị cản trở, chúng bắt đầu “va chạm” với các phân tử nitơ và oxy. Có một hiện tượng mà chúng ta gọi là hiện tượng tán xạ, hay hiện tượng tán xạ Rayleigh (theo Lord Rayleigh, người đã mô tả hiện tượng này vào năm 1871). Sự tán xạ như vậy xảy ra khi kích thước hạt mà ánh sáng bị tán xạ nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng đó (và điều này đúng với các phân tử nitơ và oxy trong khí quyển, nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng mặt trời nhìn thấy được).
Điều quan trọng về hiện tượng tán xạ Rayleigh là nó phụ thuộc vào bước sóng hoặc màu sắc của ánh sáng: ánh sáng có bước sóng ngắn tán xạ nhiều nhất và ánh sáng có bước sóng dài tán xạ ít nhất (nếu tình cờ, bằng lũy thừa thứ tư của bước sóng). Ví dụ, ánh sáng xanh điển hình tán xạ hiệu quả hơn ánh sáng đỏ khoảng 5 lần.
Khi tia nắng mặt trời đi qua bầu khí quyển, tia tím bị tán xạ nhiều nhất, sau đó là tia xanh lam. Điều này có thể được coi là màu tím và xanh lam “chạy trốn” khỏi ánh sáng mặt trời trắng và sắp xếp lại, tức là, phân tán khắp bầu trời và cuối cùng đến mắt, tạo ra một hình ảnh có màu của bầu trời. Tuy nhiên, nếu màu tím lan tỏa nhiều hơn màu xanh lam, thì tại sao bầu trời không có màu tím mà lại hơi xanh?
Có hai lý do cho việc này. Trước hết, chúng ta lưu ý rằng có ít màu tím trong quang phổ mặt trời hơn màu xanh lam. Thứ hai, mắt người nhạy cảm với màu xanh lam hơn màu tím. Đây là lý do tại sao bầu trời kết thúc với màu xanh lam đối với chúng tôi. Và nếu không có bầu khí quyển, nó sẽ có màu đen, bởi vì sẽ không có các phân tử để phân tán ánh sáng mặt trời trên bầu trời.
Tại sao bầu trời có màu đỏ vào lúc bình minh và hoàng hôn?
Vào lúc bình minh và hoàng hôn, ánh sáng mặt trời phải đi qua bầu khí quyển một khoảng cách xa hơn so với khi mặt trời ở trên cao để đến mắt chúng ta. Trong trường hợp này, bức xạ màu tím và xanh lam bị phân tán nhiều lần theo các hướng ngẫu nhiên và cuối cùng không đến được mắt chúng ta. Và nếu có nhiều hạt bụi và sương khói trong lớp khí quyển đó, thì việc phân tán trên chúng sẽ góp phần làm cho màu đỏ thậm chí còn nhiều hơn, tạo ra cảnh hoàng hôn tuyệt đẹp.
