Tại sao nền trời màu xanh?
Quang phổ điện từ (electromagnatic spectrum) gồm rất nhiều loại bức xạ với những bước sóng khác nhau . Hãy gọi mỗi loại bức xạ ấy là tia . Ánh sáng ta thấy được chiếm 1 vị trí rất nhỏ trong quang phổ ấy . Bắt đầu từ bức xạ có bước sóng dài nhất là làn sóng vô tuyến (radio) dài từ 1000 mét đến 1/10 mét. Sau đó là tia vi ba (microwave), bước sóng dài từ 1/10 mét đến 1/1000 mét . Ngắn hơn nữa ta có tia hồng ngoại, đây là tia tuy không nhìn thấy bằng mắt thường nhưng ta cảm thấy được sức nóng của chúng . Từ bước sóng 4/10,000,000 đến bước sóng 7/10,000,000 mét là tầm sóng của tia sáng ta có thể nhìn thấy. Sau cùng là tia tử ngoại, x ray và gamma .
Có 2 loại đơn vị đo chiều dài làn sóng ánh sáng. Angstrom, tên 1 nhà bác học Thuỵ Điển đầu thế kỷ 19 . Một Angstrom bằng 1/10,000,000,000 (một phần 10 tỷ mét, 10 con số zero sau con số 1). Người ta còn dùng nanometre nữa . Một nanomét bằng 1/ 1,000,000,000 mét (9 con số không sau con số 1). Như vậy 1 Angstrom bằng 0.1 nanomét. Để Meta nói qua về tia sáng mắt thường có thể nhìn thấy.
Ánh sáng ta thường thấy gồm nhiều bước sóng có độ dài khác nhau. Dài nhất là màu đỏ với bước sóng 700 nanomét (hay 7000 Angstroms) đến màu xanh da trời 400 nanomét (hay 4000 Angstroms). Ngắn hơn 400 nanomét là tia tử ngoại, dài hơn 700 nanomét là tia hồng ngoại. Cả 2 tia này ta không nhìn thấy được.
Nhìn bức hình dưới đây, bạn có thể thấy hạt phân tử nước gồm 2 nguyên tử hydro và 1 oxy hợp lại. Nó nhỏ hơn tia sáng mắt thường nhìn thấy rất nhiều. Bề kính phân tử nước chỉ 1 angstrom thôi. Nghĩa là 400 hạt nước ấy nối đuôi nhau mới dài bằng tia màu xanh, màu ngắn nhất trong quang phổ mắt thường nhìn thấy. Vài loại côn trùng, như con ong có thể nhìn thấy được bức xạ ngắn hơn mắt người . Đố các bạn, nó nhìn thấy tia gì? Đó là tia tử ngoại, thưa các bạn.
Tại sao green flashes?
Tại sao trời màu xanh blue? Tại sao hoàng hôn hay bình minh, trời ngả sắc vàng cam hoặc đỏ? Để trả lời ta phải nói đến ánh sáng và bầu khí quyển.
Khí quyển:
Bầu khi’ quyển là hỗn hợp châ’t khi’ gồm 78/100 khi’ đạm và 21/100 dưỡng khi’ . Khi’ argon và hơi nươ’c là những thành phần khác. Ngoài ra còn bụi bậm, tro, phâ’n hoa nữa. Thành phần kết hợp của khí quyển khác nhau tuỳ theo vị trí, thời tiết và nhiều yếu tố khác. Có nhiều hơi nước trong không khí sau cơn mưa hay gần mặt biển . Núi lửa phun nhiều bụi vào trong không khí. Ô nhiễm cũng đóng góp nhiều trong việc làm mờ đục bầu trời, tạo nên 1 lăng kính khổng lồ ảnh hưởng đến cái nhìn của ta với ánh sáng.
Làn sóng ánh sáng:
Ánh sáng là 1 thể năng lượng phát ra và di chuyển bằng làn sóng. Âm thanh chúng ta nghe cũng là 1 loại làn sóng chứa năng lượng . Âm thanh là làn sóng do không khí rung động. Ánh sáng là làn sóng do sự rung động điện và từ trường. Nó chiếm 1 phần nhỏ trong bức xạ điện từ (the electromagnatic spectrum). Nó di chuyển trong không khí với tốc độ 299,792 km/giây. Ta thường gọi đó là tốc độ ánh sáng. Thực ra phải gọi đó là tốc độ của bức xạ điện từ mới đúng.
Năng lượng bức xạ tuỳ thuộc vào bước sóng và tầng số. Bước sóng (wave length) là khoảng cách giữa 2 điểm đỉnh làn sóng . Tầng số là số làn sóng đi qua trong 1 giây đồng hồ. Làn sóng càng dài (màu đỏ, bước sóng 700 nanomét) càng có tầng số thấp và chứa ít năng lượng. Ngược lại, làn sóng xanh, 400 nanomét, rung chuyển mau hơn và chứa nhiều năng lượng hơn.
Màu sắc ánh sáng:
Ánh sáng mắt thường nhìn thấy là 1 phần nhỏ của bức xạ điện từ. Ánh sáng từ bóng điện hay từ mặt trời có vẻ trắng nhưng thực ra là kết hợp của nhiều màu. Dùng lăng kính ta có thể tách ánh sáng ra thành những màu khác nhau từ màu cực tím cho đến đỏ. Màu xanh lá, vàng và những màu chuyển tiếp ở chính giữa. Bụi nước trong không khí sau cơn mưa thường tạo ra cầu vồng, 1 ảo ảnh thấy được do ánh sáng đi qua hơi nước.
Ánh sáng trong không khí:
Ánh sáng di chuyển theo đường thẳng nếu không bị cản trở. Qua khí quyển, nó vẫn đi thẳng cho đến khi nó va chạm phải những vật tử như bụi bặm, phân tử hơi nước v.v... có thể tích nhỏ hơn bước sóng của nó hàng ngàn lần như đã nói ở trên. Tuy tia sáng có bước sóng lớn hơn những vật tử lơ lửng trong không khí, nhưng khi đi qua nó, ánh sáng bị tản mác một phần. Tia màu xanh với bước sóng ngắn nhất bị tản mác nhiều nhất. Chữ tản mác có nghĩa nó không còn chiếu thẳng xuống trái đất nữa mà rẽ ra mọi hướng. Những tia màu xanh bị rẽ hướng đó, khi gặp bụi trong không khí, nó lại tản mác ra nữa, cho đến khi cả một bầu trời ngập tràn màu xanh. Tính chất màu xanh hay tia mang tầng số cao thấm vào phân tử nước nhiều hơn các màu khác được gọi là sự khuyếch tán (refraction) ánh sáng Rayleigh, tên 1 nhà bác học Anh, người cắt nghĩa hiện tượng này năm 1870.
Tại sao trời màu xanh?
Màu xanh này là màu da trời để phân biệt với màu xanh lá chút nữa nói sau. Màu xanh này là do sự khuyếch tán Rayleigh. Khi ánh sáng di chuyển qua không khí, hầu hết những tia sóng dài xuyên qua những vật tử lơ lửng trong nó.Tuy nhiên tia màu xanh bị khuyếch tán khắp mọi hướng chứ không còn đi thẳng xuống mặt đất nữa. Nó bao phủ quanh bầu trời. Bất kỳ bạn nhìn đi đâu bạn cũng thấy màu xanh, ngoại trừ khi bạn nhìn thẳng vào mặt trời, bạn thấy màu da cam hay màu đỏ.
Khi nhìn về phía chân trời, bầu trời có vẻ nhạt màu hơn vì nó phải đi qua nhiều không khí hơn, màu xanh khuyếch tán nhiều hơn . Bầu trời phía chân trời có vẻ màu trắng nhiều hơn.
Nền trời đen.
Trên mặt đất, mặt trời có sắc vàng. Nếu bạn ở ngoài không gian, hay trên mặt trăng, mặt trời trắng hơn vì màu xanh không bị khúc xạ (refraction). Ra khỏi thái dương hệ, vì không có khí quyển "pha loãng"(tức là khuyếch tán) ánh sáng, nền trời màu đen thay vì màu xanh.
Tại sao hoàng hôn có màu đỏ?
Khi mặt trời lặn, ánh sáng phải qua bầu khí quyển dầy hơn trước khi đến mắt bạn. Nhiều ánh sáng bị phản chiếu và khúc xạ (reflected và refracted). Mặt trời có vẻ bớt sáng hơn và màu bắt đầu thay đổi từ màu cam sang đỏ. Đó là vì màu xanh trời và xanh lá bị khuyếch tán. Chỉ làn sóng đỏ có bước sóng dài hơn đến được mắt bạn.
Thí nghiệm: Bầu trời trong cái chai.
Bạn cần:
-Một cái chai Pepsi 2 lít thường thấy ngoài chợ Mỹ.
-Sữa, muỗng canh, đèn pin và 1 phòng tối.
Đổ nước lạnh vào 2/3 bình. Cho 1/2 đến 1 muỗng sữa, quậy đều. Mang tất cả vào phòng tối.
Chiếu đèn pin từ đáy chai và nhìn từ miệng chai, thẳng vào nguồn sáng. ta thấy ánh sáng có sắc đỏ. Nhìn ngang chai ta thấy sắc xanh. Những phân tử sữa trong nước khuyếch tán ánh sáng từ đèn pin giống như bụi và hơi nước khuyếch tán ánh mặt trời trong không khí. Nhìn ngang bình nước ta thấy đèn pin mang sắc xanh vì tia màu xanh tản mác sang mọi hướng. Nhưng khi nhìn thẳng vào đèn pin qua dung dịch nước sữa, ánh sáng có vẻ đỏ vì màu xanh đã bị thất thoát đi mọi hướng.
Tại sao có khoảnh khắc màu xanh lá?
Gọi bằng green flashes cho gọn. Green flashes là phó sản của sự khác nhau trong khúc xạ thiên văn ở gần chân trời. Green flashes không luôn là màu xanh lá. Nó có thể vàng, xanh lá, xanh trời hay tím. Nhưng xanh lá thường thấy nhất. Như đã cắt nghĩa ở trên, màu sắc ánh sáng trên mặt đất chịu ảnh hưởng của sự vẩn đục không khí và màu xanh, có bước sóng ngắn nhất bị ảnh hưởng lớn hơn cả. Khi mặt trời lặn, tia sáng cuối cùng trong ngày của tia màu xanh (green hay blue) luôn chậm hơn các màu khác 1 hay 2 giây đồng hồ. Tóm lại, màu đỏ của mặt trời biến mất trước, theo sau là vàng, xanh lá xanh trời và cuối cùng là tím.
Như vậy tại sao hoàng hôn không là màu tím? Ta vẫn thường nghe "Chiều tím, chiều nhớ thương ai" nhưng thực tế chiều ít khi màu tím. Có 1 hiệu ứng khác nữa gọi là sự dập tắt của khí quyển (atmospheric extinction). Tất cả vẩn đục trong không khí khuyếch tán những tia có bước sóng ngắn nhất. Ở chân trời, khoảng cách ánh sáng xuyên qua không khí dài hơn và tia sáng ngắn như màu xanh trời, xanh lá bị tách ra hoàn toàn. Khuyếch tán bởi phân tử lơ lửng trong không khí không đủ làm cho mắt thường nhìn thấy được những tia ngắn nhất (màu tím ngắn hơn màu xanh). Chỉ khi nào trời trong thật trong ta mới có thể thấy màu tím. Nhưng thường thường vì vẩn đục của không khí, màu tím và ngay cả xanh trời bị mất hẳn . Do đó, màu xanh lá là màu cuối cùng ta thấy khi mặt trời lặn hay là màu đầu tiên ta thấy khi mặt trời mọc.
Metamorph.