Hào quang tinh thể băng (ice halo) hiện diện ở nhiều dạng khác nhau, từ những hình dáng quen thuộc như một vòng sáng quanh Mặt Trời hay Mặt Trăng, cho đến những sự kiện quý hiếm khi mà cả bầu trời đan lên những vòng cung phức tạp. Vòng tròn hào quang 22° trong tiếng Việt gọi là "tán" (傘, trăng quầng thì cạn, trăng tán thì mưa).
Các tinh thể băng nhỏ xíu trong bầu khí quyển tạo ra các hào quang bằng cách khúc xạ và phản xạ ánh sáng. Các hào quang ban phát vẻ đẹp tinh tế cho bầu trời và nói cho chúng ta biết về sự tồn tại của các tinh thể trong các đám mây.
Hãy cùng tìm hiểu cách mà các hào quang hình thành, khi nào và ở đâu chúng ta có thể nhìn thấy chúng trên bầu trời.
Vòng hào quang xung quanh Mặt Trăng (trăng tán). Image Credit & Copyright: Anthony Ayiomamitis (TWAN), APOD.
Tinh thể và hào quang
Các hào quang có thể nhìn thấy quanh năm từ vùng nhiệt đới cho đến vùng cực. Các tinh thể băng ở các đám mây ti đã tạo ra chúng. Các đám mây này nằm ở độ cao từ 5 đến 10 km và luôn ở nhiệt độ lạnh giá dù là ở vùng xích đạo hay vùng cực.
Trong điều kiện thời tiết rất lạnh, các hào quang cũng được hình thành ở gần mặt đất bởi các tinh thể trong không khí. Các tinh thể này được gọi là bụi kim cương.
Các tinh thể băng cũng tương tự như những viên ngọc trang sức. Ánh sáng Mặt Trời đi xuyên qua các mặt tinh thể, bị khúc xạ và phản xạ để bẻ ánh sáng đi ra theo một hướng cụ thể. Các hào quang là các vòng sáng long lanh tổng hợp của hàng triệu tinh thể như vậy.
Bất kể tỷ lệ tổng thể của chúng là như thế nào, tất cả các tinh thể băng đều có góc giữa các mặt là cố định, là thứ tạo ra các tính chất đặc trưng của hào quang.
Tại sao các góc tinh thể luôn luôn giống nhau? Sự cố định này đến từ một trật tự sâu hơn ở quy mô phân tử. Bên trong tinh thể băng, các phân tử nước đơn lẻ được liên kết với nhau và sắp xếp theo một lưới đều đặn. Trật tự vi mô này và sự đối xứng mang lại cho chúng ta các dạng hào quang và sự đối xứng của hào quang trên bầu trời.
Hình 1. Tuỳ thuộc vào hình dáng và tư thế của từng loại tinh thể băng, các vòng cung hào quang hình thành sẽ có vị trí và hình dáng khác nhau. Circumzenithal arc: vòng cung thiên đỉnh, upper tangent arc: vòng cung tiếp tuyến phía trên, 22° halo: hào quang 22°, parhelic circle: vòng Mặt Trời giả, parhelia (Sun Dogs): Mặt Trời giả, lower tangent arc: vòng cung tiếp tuyến bên dưới.
Các trụ và các tấm
Băng có dạng đối xứng phân tử lục giác và các tinh thể của nó hầu hết là các lăng kính lục giác với các kích thước khác nhau từ dạng trụ dài cho đến các tấm mỏng. Các tấm và trụ này có thể có khác nhau tương đối về kích thước mặt và các mặt lục giác có thể không đều nhau. Tuy vậy, bất kể sự khác nhau về kích thước, các góc giữa các mặt vẫn luôn bằng nhau. Nếu không có yếu tố này thì chúng ta sẽ không có hào quang.
Các mặt bên so le của lăng kính luôn nghiêng góc 60° với nhau. Hai mặt chính của lăng kính luôn vuông góc với sáu mặt bên. Hai góc nêm này tạo ra các nhóm hào quang riêng.
Các tinh thể băng thường căn chỉnh tư thế theo các cách riêng. Đây là kết quả của sức cản không khí tác động lên tinh thể khi chúng trôi chậm theo chiều đi xuống tương ứng với các dòng khí trong các đám mây. Các tinh thể dạng tấm trôi xuống như những chiếc lá. Các mặt lớn của nó gần như là nằm ngang. Các tinh thể dạng trụ dài tự căn chỉnh với trục dài gần như nằm ngang. Mỗi sự căn chỉnh này mang lại các đường đi của ánh sáng khác nhau qua tinh thể và sản sinh các họ hào quang khác nhau.
Kích thước, góc nêm, và sự căn chỉnh tư thế của tinh thể là chìa khoá để tìm hiểu về hào quang.
Hình 2. Các tinh thể dạng tấm và trụ. Những tinh thể này được phóng đại 100-1500 lần so với các tinh thể trong mây sinh ra hào quang.
Tư thế quay của tinh thể
Tinh thể dạng tấm quay ngang
Khi các tấm tinh thể trôi xuống, chúng có tư thế ở điều kiện ma sát lớn nhất. Mặt lục giác lớn của chúng gần như nằm ngang và trục dọc gần như nằm thẳng đứng. Cấu hình này có sư ổn định động lực học trong một phạm vi sai lệch nhỏ sẽ tạo ra các lực hiệu chỉnh để phục hồi tư thế.
Tất cả tinh thể lung lay đôi chút nhưng các hào quang đẹp là kết quả tạo thành khi trục dọc giữ ổn định trong khoảng 1° theo phương thẳng đứng. Các hào quang đó là minh chứng cho sự ổn định tư thế ấn tượng của các tinh thể mây.
Các tấm tinh thể tự do quay quanh trục dọc của chúng. Điều này không có nghĩa là chỉ các tinh thể đơn lẻ mới “quay” mà là một sự hoà hợp của hàng triệu tinh thể trong một đám mây có tất cả các tư thế có khả năng quay.
Hào quang sinh ra được gọi là các vòng sáng tinh thể dạng tấm, hay hào quang tinh thể dạng tấm.
Các tia sáng đi qua giữa các mặt bên thẳng đứng với một góc nêm 60° sẽ hình thành các Mặt Trời giả (sundogs). Các tia sáng đi qua giữa một trong hai mặt lớn lục giác và một mặt bên (với góc nêm 90°) sẽ hình thành các vòng cung thiên đỉnh (circumzenithal arc) và vòng cung chân trời (circumhorizon arc). Nhiều người gọi cung hào quang chân trời này là cầu vồng lửa do các màu sắc sặc sỡ của nó, còn các cung hào quang thiên đỉnh là “nụ cười của bầu trời” do có hình dáng vòng cung ngược hai đuôi lên trời.
Các sự phản xạ của các mặt ngang sẽ mang lại cho chúng ta các Mặt Trời phụ (subsun) và các cột Mặt Trời (sun pillar). Các sự phản xạ từ các mặt dọc sẽ đóng góp vào sự hình thành vòng Mặt Trời giả (parhelic circle).
Hình 3. Tinh thể dạng tấm quay ngang (hình trên) và hào quang đặc trưng (hình dưới). Theo thứ tự từ trái sang: parhelia - Mặt Trời giả (ảnh: Stan Richard), circumzenithal arc - vòng cung thiên đỉnh (ảnh: Jane Wertenberger), circumhorizon arc - vòng cung chân trời (ảnh: Mark Sorenson), subsun - subparhelia - Mặt Trời phụ (ảnh: Don Davis), pillar - cột Mặt Trời (ảnh: Dave Liquorice). Image credit: atoptics.co.uk
Tinh thể dạng trụ quay hai chiều
Một tư thế có độ ma sát cao đối với các tinh thể dạng trụ là trục dọc của nó nằm theo phương ngang khi trôi xuống. Trục dọc song song với các cạnh góc của các mặt lăng kính và vuông góc với hai mặt lục giác.
Các tinh thể dạng trụ có hai hướng quay tự do. Chúng có thể có tất cả tư thế quay quanh trục dọc của tinh thể và cũng có thể quay theo phương ngang quanh trục đứng vuông góc với trục dọc.
Hào quang sinh ra được gọi là các vòng cung trụ (column arc) hay hào quang trụ (column halo). Những hào quang rõ nét cần có trục dọc nằm ngang với độ chênh trong khoảng bé hơn 1°.
Các tia sáng đi xuyên qua mặt bên của lăng kính với một góc nêm hình thành nên các vòng cung tiếp tuyến (tangent arc, tương tự với các tia đi qua tinh thể dạng tấm tạo thành Mặt Trời giả).
Các tia sáng đi qua một mặt bên và một mặt lục giác, với góc nêm 90°, sẽ hình thành các vòng cung hạ biên (inralateral arc) ở bên dưới và vòng cung thượng biên (supralateral arc) ở phía trên.
Sự phản xạ từ các mặt bên tạo thành các trụ Mặt Trời (sun pillar). Sự phản xạ từ mặt lục giác đứng góp phần vào việc tạo thành vòng Mặt Trời giả (parhelic circle). Các đường đi tia sác phức tạp hơn sẽ tạo ra các vòng cung hiếm.
Hình 4. Tinh thể dạng trụ quay hai chiều (hình trên) và các hào quang đặc trưng (hình dưới). Từ trái sang: upper tangent arc - vòng cung tiếp tuyến phía trên (ảnh: Brian Hartmann), lower tangent arc - vòng cung tiếp tuyến bên dưới (ảnh: Franck Schwitter ), supralateral arc - vòng cung thượng biên (ảnh: Jim Grossman), infralateral arc - vòng cung hạ biên (ảnh: Alastair Adams), sun pillar -trụ Mặt Trời (ảnh: Erik Brenna). Image credit: atoptics.co.uk
Tinh thể dạng trụ quay kiểu Parry
Nếu tư thế quay gần hoàn hảo của các tinh thể dạng trụ có vẻ khó có thể xảy ra, thì các tinh thể định hướng Parry dường như cũng phải trong tình trạng tương tự. Trục dọc tinh thể nằm ngang và có hai mặt bên cũng nằm ngang như vậy. Chỉ có duy nhất một tư thế là khả năng của tinh thể để lấy toàn bộ tư thế quay quanh một trục đứng đi qua tâm của tinh thể và vuông góc với hai mặt nằm ngang.
Các hào quang sinh ra được gọi là các vòng cung Parry. Chúng được đặt tên theo nhà thám hiểm William Edward Parry, người đầu tiên quan sát được hào quang kiểu như vậy. Một vài vòng cung Parry không quá hiếm và với các quan sát cẩn thận sẽ nhìn thấy vài lần mỗi năm.
Các tia sáng đi qua hai mặt bên của lăng kính với một góc nêm 60° sẽ sinh ra cung lồi (sunvex Parry arc) và cung lõm (suncave Parry arc). Đây là những vòng cung Parry phổ biến nhất.
Các tia sáng di chuyển giữa một mặt bên và một mặt lục giác đứng với góc nêm 90° sẽ hình thành một hào quang cực hiếm là các cung Parry thượng biên (Parry supralateral arc - Tape) và Parry hạ biên (Parry Infralateral arc). Các tia sáng đi qua giữa các mặt ngang và mặt đứng tạo nên các cung thiên đỉnh (circumzenithal arc) và cung chân trời (circumhorizon arc), là các cung phổ biến nhất của tinh thể dạng này.
Ánh sáng phản xạ từ một mặt của lăng kính nghiêng tạo ra một dạng hào quang rất hiếm gọi là helic (heliac). Các hào quang này chỉ mới được quan sát gần đây ở châu Nam Cực.
Hình 5. Tinh thể quay kiểu Parry (hình trên) và các dạng hào quang đặc trưng (hình dưới). Từ trái qua: suncave Parry and upper tangent arcs - cung lõm Parry và cung tiếp tuyến phía trên (ảnh: Alastair Adams), sunvex and suncave Parry arcs - cung lồi và cung lõm Parry (ảnh: Loren Hall), Tape arc - cung thượng biên Parry (ảnh: Max Emerson), Parry infralateral arc - cung hạ biên Parry (ảnh: Marko Riikonen), hào quang helic (ảnh: Alastair Adams). Image Credit: atoptics.co.uk
Tinh thể quay kiểu Lowitz
Được gọi là tư thế Lowitz, các tấm hoặc các trụ tinh thể có thể có thêm chiều quay quanh trục Lowitz, là trục ngang đi qua hai cạnh góc đối nhau của lăng kính và song song với hai mặt lục giác.
Tư thế và các cung hào quang của nó được đặt tên theo người đầu tiên báo cáo về chúng năm 1790: Tobias Lowitz. Sự hiện diện của chúng đã được nghi vấn từ lâu, nhưng các hào quang này hiện nay thỉnh thoảng được quan sát thấy và chụp ảnh lại mặc dù vậy các ví dụ rõ ràng của chúng vẫn còn rất hiếm.
Các tinh thể với tư thế Lowitz cổ điển sẽ quanh mọi tư thế quanh trục Lowitz. Trong thực tế, các tinh thể có thể có nhiều khoảng tư thế góc hạn chế.
Các tia sáng có thể đi xuyên qua hai mặt với góc nêm 60° theo ba cách khác nhau để tạo nên các vòng cung Lowitz thượng, trung, và hạ. Các tia sáng phản xạ bên trong từ mặt lục giác sẽ hình thành các cung Lowitz phản xạ, các cột dài tựa như Cung Mặt Trời giả khi Mặt Trời ở rất thấp.
Hình 6. Tinh thể quay kiểu Lowitz (hình trên) và các dạng hào quang đặc trưng (hình dưới). Từ trái qua: Lowitz arc - các cung Lowitz, cung Lowitz giữa. Ảnh: Petri Hakkarainen, Gary Saunders. Credit: atoptics.co.uk
Tinh thể quay ngẫu nhiên
Các hào quang tròn được giải thích dễ dàng nhất do các tinh thể băng định hướng tư thế một cách ngẫu nhiên.
Nhưng tại sao các lực khí động học lại không định hướng quay cho chúng? Các tinh thể dạng trụ đẳng chiều về cơ bản sẽ quay một cách ngẫu nhiên nhưng số lần hiển thị rõ nét lại không đáng kể.
Mặc dù vậy, tổng sự ngẫu nhiên là không quan trọng, các tinh thể căn chỉnh kém - là những tinh thể với độ nghiêng lớn so với tư thế cân bằng của chúng, lại có thể sinh ra hào quang tròn. Các tinh thể trụ rất lớn có thể có tư thế căn chỉnh kém.
Các tia sáng đi qua các mặt bên của lăng kính dạng trụ với góc nêm 60° sẽ tạo ra hào quang tròn 22° (22° circular halo) khi các tinh thể định hướng kém.
Các tia sáng đi qua một mặt bên và một mặt lục giác với góc nêm 90° sẽ sinh ra một hào quang rất hiếm: hào quang 46° (46° halo). Các vòng cung thượng biên xuất hiện thường xuyên hơn và thường gây nhầm lẫn với hào quang 46°.
Các vòng tròn hào quang này trong tiếng Việt gọi là tán. Nếu chúng xuất hiện xung quanh Mặt Trăng thì gọi là tán Mặt Trăng hay Trăng tán. Một số người còn gọi hiện tượng này là Nguyệt Quang. Nếu chúng xuất hiện quanh Mặt Trời thì gọi là tán Mặt Trời hay Nhật quang.
Hình 7. Tinh thể quay ngẫu nhiên (hình trên) và các dạng hào quang đặc trưng (hình dưới). Từ trái sang: hào quang 22°, hào quang 46° và 22°. Credit: atoptics.co.uk
Số mặt của tinh thể
Chúng ta có thể mô tả đường đi các tia sáng tạo ra hào quang một cách dễ dàng và chính xác nếu các mặt của tinh thể được chuẩn hoá bằng những con số.
Các mặt lục giác luôn được đánh số 1 và 2. Các mặt bên của lăng kính được đánh số từ 3 đến 8.
Hình 8. Các mặt của tinh thể được đánh số.
Các tinh thể dạng tấm có mặt số 1 hướng lên trên.
- Một vòng hào quang thiên đỉnh (circumzenithal arc) có đường đi các tia được đánh số là 13. Đây là trình tự các mặt mà tia sáng đi qua mặt số 1 và mặt số 3. Các đường 14, 15, 16, 17, 18 cũng y hệt như vậy. Chúng ta chỉ lấy số nhỏ nhất cho các mặt cùng loại.
- Một Mặt Trời giả (sundog) bên trái có đường đi số 35, bên phải là 37.
Các tinh thể dạng trụ
- Một cung tiếp tuyến (tangent arc) có đường đi tia sáng số 35
- Một vong cung thượng biên (supralateral arc) có đường đi tia sáng số 31.
Các tinh thể Parry có 3 mặt hướng lên
Các tinh thể Lowitz có trục Lowitz đi qua các góc giữa mặt 4 và măt 5.
Các tinh thể trong thực tế
Không phải tất cả các đám mây ti đề tạo ra hào quang. Tại sao lại như vậy?
Khi các tinh thể băng nhỏ hơn ~0.01 mm (10 micron), ánh sáng bị nhiễu xạ rõ rệt1 và bất kỳ hào quang nào tạo ra đều yếu và bị phân tán. Các tinh thể lớn hơn 0.05 mm khúc xạ và phản xạ ánh sáng một cách rõ ràng để tạo ra các hào quang. Những hào quang sắc nét nhất xuất hiện khi các tinh thể có sự căn chỉnh tư thế chính xác và điều này cần có các tinh thể lớn hơn ~0.1 mm.
Các tinh thể rất lớn đến 1 mm hoặc hơn thường hiếm khi có đủ chất lượng quang học và có thể làm hỏng sự hiện diện các hào quang. Chúng cũng có xu hướng tăng sự rung lắc và mất đi sự căn chỉnh tư thế.
Như vậy kích thước, tư thế và chất lượng quang học của tinh thể đôi không không phải là yếu tố tạo ra các hào quang rõ nét. Nhưng hãy luôn kiểm tra bầu trời để đôi khi có được những điều kiện hoàn hảo với những hào quang tuyệt đẹp.
Bụi kim cương
Hình 9. Bụi kim cương xuất hiện ở Tampere (Phần Lan). ©2004, Jari Luomanen, atoptics.co.uk
Màn trình diễn gây sửng sốt này diễn ra tại Tampere (Phần Lan) và được ghi hình lại bởi Jari Luomanen ngày 07/03/2004. Các tinh thể sinh ra hào quang được gọi là bụi kim cương và nằm ở vùng khí lạnh gần chứ không phải ở các đám mây ti tầm cao.Ánh sáng lấp lánh của các tinh thể băng đơn lẻ cũng xuất hiện. “Bức ảnh đặc biệt này là điều kỳ diệu với tôi: nó được chụp khi hào quang đang ở cực điểm và quá trình này không tồn tại lâu. Chỉ khi tôi chụp bức ảnh, tôi chỉ đơn giản là phải dang rộng hai cánh tay hướng đến vòng cung tiếp tuyến phía trên để cố thử xem tôi có chạm được vào chúng hay không, để khuấy động đám tinh thể một chút. Tôi thực sự đã quấy đảo vệt sáng này bằng đôi tay của mình. Tôi không bao giờ quên được khoảnh khắc ấy.”
Tinh thể kim tự tháp
Cấu trúc lục giác bên trong của băng sinh ra các tinh thể kim tự tháp bên cạnh các nguyên mẫu dạng tấm và dạng trụ.
Các tinh thể dạng kim tự tháp có cùng hình dạng lục giác trung tâm như dạng tấm và dạng trụ, nhưng sáu mặt của kim tự tháp úp thêm vào mặt lục giác của lăng kính. Các kim tự tháp có thể bị cắt ngắn phần chóp và có đến 18 tư thế khác nhau đến từ sự có mặt của 12 đến 20 mặt của tinh thể.
Tất cả các tinh thể có cùng góc kim tự tháp nơi mà các mặt tạo một góc 28° so với trục dọc của tinh thể.
Các tinh thể kim tự tháp có xu hướng khí động học hơn so với dạng tròn và do đó căn chỉnh kém hơn so với dạng tấm và dạng trụ.
Nhiều đường đi khác nhau của các tia sáng có thể đi qua chúng và tạo ra hàng loạt các vòng hào quang tròn và được gọi là các “hào quang bán kính lẻ”.
Hiếm có hơn, các tinh thể căn chỉnh tư thế tốt hơn và hình thành các vòng cung của tinh thể dạng trụ và dạng tấm kim tự tháp.
Các tinh thể kim tự tháp không quá hiếm như chúng ta từng nghĩ. Hãy tìm kiếm thật kỹ các hào quang này bất cứ khi nào bầu trời thuận lợi.
Hình 10. Một vòng hào quang 9° được chụp bởi Harald Edens ở Hà Lan. Một vòng hào quang 18° mờ hơn cũng xuất hiện bên trong vòng hào quang sáng bao quanh. ©Harald Edens, atoptics.co.uk
Số hiệu các mặt tinh thể
Số hiệu của các mặt tinh thể kim tự tháp được mở rộng thêm từ danh sách của tinh thể dạng tấm và dạng trụ.
Các mặt lục giác trên và dưới nếu hiện diện, được đánh số 1 và 2. Các mặt lăng kính ở giữa được đánh số từ 3 đến 8. Các mặt kim tự tháp phía trên được đánh số từ 13 đến 18 và phía dưới được đánh số từ 23 đến 28.
Một hào quang bán kính lẻ 9° được tạo thành bởi các tia sáng 3-26, tức là các tia sáng đi vào mặt lăng kính số 3 ở giữa và đi ra qua mặt kim tự tháp số 26 phía dưới.
Tia sáng có đường đi qua các mặt với góc nêm 28° so với 60° sẽ tạo ra hào quang 22°.
Các tia 4-27, 5-28, hay 7-24 là tương đương với tia 3-26 nhưng đường đi được mô tả bằng con số nhỏ nhất.
Hình 11. Các mặt tinh thể kim tự tháp được đánh số.
Theo Atmospheric Optics2
Tham khảo
- VLTV: Quang hoa (corona): Hiện tượng và bản chất vật lý
- Atmospheric Optics: Crystals & Halos
- Từ điển VLTV: Halo: hào quang, tán
- Từ điển VLTV: Corona: quang hoa, quầng
