Tại sao bầu trời lại có màu xanh?

Khí quyển

Bầu khí quyển là một hỗn hợp các phân tử khí và các loại vật liệu khác trên Trái Đất. Chiếm tỷ trọng lớn nhất là khí Nito (78%) và khí Oxy (21%). Tiếp theo là khí Argon và nước (dưới dạng hơi, hạt mưa, hoặc tinh thể băng). Ngoài ra, còn có một lượng nhỏ các khí khác và nhiều hạt nhỏ như bụi, muội, tro, phấn hoa,...

Thành phần của khí quyển rất đa dạng phụ thuộc vào vị trí địa lý, thời tiết và nhiều nhân tố khác. Núi lửa cũng đóng góp một lượng không nhỏ vào trong bầu khí quyển. Ngoài ra còn có các chất thải từ hoạt động của con người. Bầu không khí càng gần mặt đất thì càng dày đặt. Và sau đó sẽ loãng dần khi càng lên cao cách xa mặt đất hơn.

Sóng ánh sáng

Dưới góc độ vật lý học, ánh sáng mặt trời là 1 dạng năng lượng bức xạ điện từ có bước sóng nằm trong vùng quang phổ khả kiến (nhìn thấy được bằng mắt thường, khoảng từ 380 nm đến 740 nm). Giống như các bức xạ điện từ khác, ánh sáng cũng được mô tả như những đợt sóng hạt chuyển động với các hạt gọi là photon ánh sáng.

Ánh sáng là một sóng dao động điện và từ trường. Nó là 1 phần nhỏ trong dải tất cả các tần số có thể có của bức xạ điện từ. Dải các tần số này gọi là phổ điện từ. Phổ điện từ của 1 đối tượng là phân bố đặc trưng của các bức xạ điện từ phát ra hoặc hấp thụ bởi các đối tượng cụ thể.

Sóng điện từ di chuyển trong không gian với vận tốc 299.792.458 m/s. Đây chính là vận tốc của ánh sáng.

Năng lượng của bức xạ điện từ phụ thuộc vào bước sóng và tần số của nó. Bước sóng chính là khoảng cách giữa các đỉnh sóng. Tần số là số đỉnh sóng đi qua 1 điểm trong 1 đơn vị thời gian (mỗi giây). Ánh sáng có bước sóng càng dài, tần số càng ngắn và càng chứa ít năng lượng.

Màu sắc của ánh sáng

Ánh sáng khả kiến (ánh sáng nhìn thấy được) là một phần của phổ điện từ mà mắt người có thể nhìn thấy được. Ánh sáng từ mặt trời hay bóng đèn điện được gọi là ánh sáng trắng. Tuy nhiên, bên trong ánh sáng trắng là một tập hợp của vô số những màu sắc khác nhau. Khi chúng ta chiếu một chùm ánh sáng trắng qua một lăng kính, chúng ta sẽ có thể thấy được những màu sắc khác nhau bên trong ánh sáng trắng. Quang phổ này tương tự như các màu sắc của cầu vòng mà bạn nhìn thấy được.

Các màu sắc trong ánh sáng trắng được pha trộn một cách liên tục từ màu này đến màu khác. Dải màu này cơ bản bắt đầu từ đỏ, cam. Tiếp theo sẽ là vàng, lục, lam, chàm và kết thúc bởi màu tím. Mỗi màu sắc tương ứng với 1 bước sóng, tần số và mang năng lượng khác nhau. Ánh sáng tím có bước sóng ngắn nhất trong dải quang phổ khả kiến. Điều này đồng nghĩa với việc tần số và năng lượng của ánh sáng tím là cao nhất trong dải quang phổ khả kiến. Ngược lại, ánh sáng đỏ có bước sóng dài nhất, tần số thấp nhất và sẽ mang ít năng lượng nhất.

Ánh sáng trong không khí

Ánh sáng di chuyển trong không gian theo đường thẳng nếu không có gì làm nó bị nhiễu loạn. Khi ánh sáng di chuyển vào trong bầu khí quyển, nó tiếp tục đi theo đường thẳng cho đến khi gặp phải các hạt bụi nhỏ hoặc các phân tử khí cản lại. Kể từ lúc này, những gì xảy ra với ánh sáng phụ thuộc vào bước sóng của nó và kích thước của những vật mà nó chiếu vào.

Những hạt bụi và nước trong không khí có kích thước lớn hơn so với bước sóng của ánh sáng khả kiến. Khi ánh sáng chiếu vào những hạt có kích thước lớn hơn, nó sẽ bị phản xạ lại theo nhiều hướng khác nhau hoặc bị các vật cản hấp thu. Do các màu sắc khác nhau trong ánh sáng đều bị phản xạ lại từ các hạt theo cùng một hướng nên ánh sáng phản xạ từ các hạt cản vẫn là ánh sáng trắng và chứa tất cả các màu ban đầu.

Ngoài bụi và nước, trong khí quyển cũng chứa các phân tử khí. Các phân tử khí này có kích thước nhỏ hơn so với bước sóng của ánh sáng khả kiến. Nếu ánh sáng trắng chiếu vào các phân tử khí, thì chuyện không đơn giản như khi chiếu vào bụi hay các hạt nước.

Khi ánh sáng chiếu vào phân tử khí, "một phần" của nó có thể bị phân tử khí hấp thụ. Sau đó, các phân tử khí sẽ bức xạ ánh sáng theo nhiều hướng khác với ban đầu. Sở dĩ có khái niệm "một phần" xuất hiện ở đây là vì sẽ có một số bước sóng trong ánh sáng trắng (tương ứng với các màu sắc) dễ bị hấp thụ, một số bước sóng khác khó bị hấp thụ hơn. Nói cách khác, một số bước sóng ngắn (như màu xanh dương) sẽ bị hấp thụ nhiều hơn so với các bước sóng dài (như màu đỏ).

Quá trình trên được gọi là tán xạ Rayleigh. Hiện tượng được đặt theo tên của người phát hiện ra nó: Lord John Rayleigh, một nhà vật lý học người Anh. Vào năm 1871, Rayleigh đã đưa ra phương trình tính hệ số tán xạ của một vật tỷ lệ nghịch với bước sóng ánh sáng (ký hiệu là lamda) mũ 4. Nói cách khác, ánh sáng có bước sóng càng ngắn thì càng bị tán xạ nhiều hơn và ngược lại.

Màu xanh của bầu trời là do tán xạ Rayleigh

Do bước sóng của ánh sáng (100~1000 nm) lớn hơn so với kích thước của các phân tử khí (10 nm) nên chúng ta có thể áp dụng công thức tán xạ Rayleigh cho hiện tượng tán xạ ánh sáng trong khí quyển của Trái Đất.

Khi ánh sáng đi vào khí quyển của Trái Đất, hầu hết những bước sóng dài đều không bị các phân tử khí hấp thụ nên có thể đi xuyên qua. Một ít ánh sáng đỏ, cam, vàng có thể bị ảnh hưởng của không khí. Tuy nhiên, một lượng lớn bước sóng ngắn đã bị các phân tử khí hấp thụ. Ánh sáng bước sóng ngắn bị hấp thụ sau đó sẽ được tán xạ ra ngoài theo rất nhiều hướng khác nhau.

Lúc này, ánh sáng xanh sẽ tán xạ khắp bầu trời. Vào ban ngày, cho dù bạn đứng ở bất cứ đâu và nhìn theo hướng nào thì một số ánh sáng xanh bị tán xạ luôn hướng tới mắt của bạn. Do đó, khi bạn ngước nhìn lên phía trên đầu mình thì bầu trời sẽ luôn có màu xanh.

Nếu bạn chú ý kỹ hơn, thì khi nhìn càng gần về phía đường chân trời thì bầu trời có vẻ nhạt màu hơn. Đó là do, để đến được vị trí của bạn, ánh sáng xanh sau khi bị tán xạ phải đi qua thêm nhiều lớp không khí. Một phần tiếp tục bị tán xạ theo nhiều hướng khác. Do đó, có ít ánh sáng xanh từ phía gần chân trời tiến đến vị trí của bạn hơn so với lượng ánh sáng xanh từ đỉnh đầu bạn.

Dung (Nguoiduatin.vn)