Ánh sáng Mặt trời chiếu tới bầu khí quyển của Trái Đất và bị tán xạ theo mọi hướng bởi khí và các hạt trong không khí. Ánh sáng xanh lam bị tán xạ nhiều hơn các màu khác vì nó truyền đi dưới dạng sóng ngắn hơn, nhỏ hơn. Đây là lý do tại sao chúng ta nhìn thấy bầu trời xanh.

Thật dễ dàng để nhận thấy bầu trời có màu xanh. Nhưng đã bao giờ bạn tự hỏi tại sao?

Rất nhiều người khác cũng từng thắc mắc như vậy. Và phải mất một thời gian dài để tìm ra điều đó!

Ánh sáng từ Mặt Trời trông có màu trắng. Nhưng nó thực sự được tạo thành từ tất cả các màu sắc của cầu vồng.

Khi ánh sáng trắng chiếu qua lăng kính thì ánh sáng bị tách ra thành tất cả các màu của nó. Lăng kính là một tinh thể có hình dạng đặc biệt.

Nếu bạn đã đến thăm Vùng đất của Cửa sổ Phép thuật, bạn sẽ biết rằng ánh sáng bạn nhìn thấy chỉ là một tia sáng nhỏ trong tất cả các loại năng lượng ánh sáng chiếu xung quanh vũ trụ - và xung quanh bạn!

Giống như năng lượng truyền qua đại dương, năng lượng ánh sáng cũng truyền theo sóng. Một số ánh sáng truyền đi trong một số sóng ngắn, "giật cục". Ánh sáng khác truyền đi theo sóng dài và lười biếng. Sóng ánh sáng xanh ngắn hơn sóng ánh sáng đỏ.

Tất cả ánh sáng truyền theo một đường thẳng trừ khi có thứ gì đó cản đường và thực hiện một trong những điều sau: -

• phản chiếu nó (như một tấm gương)
• uốn cong nó (như một lăng kính)
• hoặc tán xạ nó (như các phân tử khí trong khí quyển)

Ánh sáng Mặt Trời chiếu tới bầu khí quyển của Trái Đất và bị tán xạ theo mọi hướng bởi tất cả các khí và hạt trong không khí. Ánh sáng xanh bị tán xạ theo mọi hướng bởi các phân tử không khí cực nhỏ trong bầu khí quyển của Trái Đất. Màu xanh lam bị phân tán nhiều hơn các màu khác vì nó truyền đi dưới dạng sóng ngắn hơn, nhỏ hơn. Đây là lý do tại sao chúng ta nhìn thấy bầu trời xanh trong hầu hết thời gian.

Gần đường chân trời hơn, bầu trời chuyển sang màu xanh nhạt hoặc trắng. Ánh sáng mặt trời chiếu tới chúng ta từ bầu trời thấp đã truyền qua không khí thậm chí còn nhiều hơn ánh sáng mặt trời chiếu tới chúng ta từ trên cao. Khi ánh sáng mặt trời đi qua toàn bộ không khí này, các phân tử không khí đã phân tán và tán xạ lại ánh sáng xanh nhiều lần theo nhiều hướng.

Ngoài ra, bề mặt Trái Đất đã phản xạ và phân tán ánh sáng. Tất cả sự tán xạ này trộn các màu lại với nhau để chúng ta thấy nhiều màu trắng hơn và ít màu xanh hơn.

Điều gì tạo nên một hoàng hôn đỏ?

Khi Mặt Trời xuống thấp hơn trên bầu trời, ánh sáng của nó sẽ đi qua nhiều bầu khí quyển hơn để đến với bạn. Thậm chí nhiều ánh sáng xanh bị tán xạ, cho phép các màu đỏ và vàng đi thẳng vào mắt bạn.

Đôi khi cả bầu trời phía Tây như bừng sáng. Bầu trời có màu đỏ do các hạt bụi nhỏ, ô nhiễm hoặc các sol khí khác cũng tán xạ ánh sáng xanh lam, để lại nhiều ánh sáng đỏ và vàng thuần túy đi qua bầu khí quyển.

Trên các hành tinh khác, bầu trời cũng có màu xanh sao?

Tất cả phụ thuộc vào những gì có trong bầu khí quyển! Ví dụ, Sao Hỏa có bầu khí quyển rất mỏng được tạo thành chủ yếu từ carbon dioxide (CO2) và chứa đầy các hạt bụi mịn. Các hạt mịn này tán xạ ánh sáng khác với các khí và các hạt trong bầu khí quyển của Trái Đất.

Các bức ảnh từ tàu thăm dò và tàu đổ bộ của NASA trên Sao Hỏa đã cho chúng ta thấy rằng vào lúc hoàng hôn thực sự ngược lại với những gì bạn sẽ trải nghiệm trên Trái Đất. Vào ban ngày, bầu trời Sao Hỏa có màu cam hoặc hơi đỏ. Nhưng khi Mặt trời lặn, bầu trời xung quanh Mặt Trời bắt đầu có tông màu xanh xám.

Hình trên cho thấy bầu trời Sao Hỏa có màu cam vào ban ngày và hình dưới cho thấy bầu trời có màu xanh vào lúc hoàng hôn. Cả hai hình ảnh đều được chụp bởi Tàu đổ bộ Pathfinder Sao Hỏa của NASA. Ảnh: NASA / JPL.

Tỷ lệ tán xạ của các bước sóng ánh sáng

Bản thân ánh sáng Mặt Trời là ánh sáng "trắng", với năng lượng bức xạ của tất cả các bước sóng  ánh sáng nhìn thấy là cân bằng nhau.

Khi đi vào bầu khí quyển của Trái Đất, các phân tử trong bầu khí quyển khuếch tán ánh sáng với hệ số khuếch tán tỷ lệ nghịch với hàm mũ bậc 4 của bước sóng.

Do đó ánh sáng xanh sẽ bị tán xạ nhiều hơn lần so với ánh sáng đỏ (ánh sáng xanh ở dải bước sóng xung quanh ~450 nm, ánh sáng đỏ ~700 nm).

Kết quả là, nếu bạn nhìn thẳng vào Mặt Trời, bạn sẽ thấy nhiều ánh sáng đỏ và ít ánh sáng xanh (Mặt trời có màu vàng vào ban ngày, màu đỏ lúc bình minh hoặc hoàng hôn). Và nếu bạn nhìn vào khu vực khác trên bầu trời, những nơi bị tán xạ ánh sáng, bạn sẽ thấy màu xanh. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Tyndall và có thể xảy ra trong bóng tối với một ánh chớp chiếu qua cốc nước thủy tinh với một chút sữa.

Tuy nhiên, tại sao bầu trời lại có màu xanh mà không phải màu tím ? Điều này được lý giải bởi sự cảm nhận màu sắc của mắt người. Các tế bào cảm nhận màu xanh nhạy hơn so với màu lục hay màu đỏ:

Màu sắc chúng ta cảm nhận được phụ thuộc vào cường độ kích thích tương ứng của các tế bào này.

Bạn có nhìn thấy đồ thị độ nhạy của các tế bào cảm nhận màu đỏ gợn lên ở gần bước sóng 440 nm không? Nếu nó không ở gần đấy, thì màu xanh bị kích thích mạnh nhất, sau đó đến màu lục và cuối cùng là màu đỏ. Lúc đó chúng ta sẽ nhìn thấy bầu trời màu xanh với một chút pha lẫn của màu lục, ví dụ: màu xanh, một chút ngả về màu lam (cyan).

Tuy nhiên, đồ thị này và thực tế cho thấy các bước sóng nhỏ dưới 450 nm đều tán xạ mạnh và kết hợp với màu đỏ cũng cho ra màu xanh. Tiếp nữa, màu đỏ và màu lục bị kích thích tương đương nhau và yếu hơn nhiều so với màu xanh, do đó cuối cùng chúng ta cảm nhận được màu sắc của bầu trời là màu xanh nhạt.

Một số người tin rằng đó có thể là kết quả của sự tiến hóa khi chúng ta cảm nhận bầu trời có màu xanh.

Pierre LESAFFRE