Vào một đêm trăng sáng, bạn bước ra ngoài thật ngạc nhiên, xung quanh Mặt Trăng có một quầng sáng nhiều màu sắc thật rực rỡ. Rồi bạn thắc mắc quầng sáng đó là gì, và vì sao lại xuất hiện xung quanh Mặt Trăng? Bài viết này sẽ giúp giải đáp những vấn đề này.
Quang hoa (corona)
Quang hoa (华), hay quầng (䨔 hoặc 𤓇) là một hiện tượng quang học được tạo ra bởi sự nhiễu xạ ánh sáng của Mặt Trời, Mặt Trăng, các ngôi sao sáng... bởi sự hiện diện của các giọt nhỏ trong mây hoặc đôi khi là các tinh thể băng nhỏ.
Các quang hoa có một vầng hào quang (aureole) trung tâm rất sáng, gần như là màu trắng và bao quanh bởi viền đỏ hoặc vàng. Đôi khi đó là tất cả có thể nhìn thấy đối với một quang hoa, nhưng phần lớn các quang hoa có thêm một hoặc nhiều vòng sáng nhiều màu mờ hơn bao quanh vầng hào quang. Vòng sáng đầu tiên có màu ngả xanh ở trong và dần chuyển sang màu lục, vàng và ngoài cùng là màu đỏ. Màu sắc của một vòng sáng pha trộn một cách tinh tế giữa các màu chứ không phân định rạch ròi như cầu vồng. Một quang hoa có thể mở rộng đến 15º đường kính và thường co lại hay phình to mỗi khi các đám mây khác nhau đi ngang qua Mặt Trăng.
Hình 1. Quang hoa bao quanh Mặt Trời. Đĩa sáng bị che một phần ở giữa bao quanh bởi viền đỏ là vầng hào quang. Có hai vòng sáng bao quanh vầng hào quang này.
Credit: ©2013 Richard Fleet, atoptics.co.uk.
Quang hoa được tạo ra bởi sự nhiễu xạ ánh sáng (diffraction) của các giọt nhỏ trong mây hoặc đôi khi là các tinh thể băng nhỏ. Một quang hoa (corona) có thể nhìn thấy khi các đám mây mỏng che một phần Mặt Trời hay Mặt Trăng. Có thể tìm kiếm quang hoa xung quanh Mặt Trăng khi nó gần tròn trên bầu trời tối. Khi tìm cách quan sát quầng Mặt Trời, hãy dùng một đĩa tròn để che Mặt Trời, và tìm cách làm giảm cường độ ánh sáng đến mức an toàn bằng cách nhìn bầu trời phản xạ qua mặt nước hồ bơi hay qua một tấm gương phẳng. Việc quan sát trực tiếp vào Mặt Trời và khu vực lân cận có thể gây tổn thương mắt vĩnh viễn.
Quang hoa có kích thước nhỏ hơn nhiều so với Hào quang 22º (22º halo)1, cũng là một vòng sáng bao quanh Mặt Trời hay Mặt Trăng. quang hoa này cũng không liên quan đến vành nhật hoa ở lớp ngoài khí quyển Mặt Trời xuất hiện trong một nhật thực toàn phần, thường gây nhầm lẫn do có cùng tên (corona).
Nguyệt hoa
Nguyệt hoa (月华) là một trường hợp của quang hoa, tiếng Việt gọi là trăng quầng (𦝄䨔). Nguyệt hoa thường được quan sát thấy nhiều hơn so với nhật hoa (solar corona).
Tục ngữ Việt Nam cũng có nhắc đến hiện tượng này:
- Quầng cạn, tán mưa
- Trăng quầng thì cạn, trăng tán thì mưa (𦝄䨔辰汼𦝄傘辰𩅹)2
Nguyệt hoa xuất hiện khi trên bầu trời có các đám mây mỏng đủ để từng tia sáng từ Mặt Trăng bị tán xạ hoặc nhiễu xạ bởi một giọt nhỏ, chạm đến được mắt người quan sát. Tất nhiên, toàn bộ quầng sáng này được tạo thành bởi rất nhiều giọt nhỏ đơn lẻ tán xạ ánh sáng đến từ Mặt Trăng.
Khi các lớp mây mỏng di chuyển nhanh qua một Mặt Trăng sáng, Mặt Trăng thường bị bao quanh bởi một đĩa sáng và các vòng sáng mờ nhiều màu sắc. Đó chính là Nguyệt hoa.
Hình 2. Bức ảnh chụp cho thấy đĩa Mặt Trăng đã được giảm sáng nhờ mây che, và quầng sáng nhiều màu sắc bao quanh Mặt Trăng. Credit: ©2004 Eva Seidenfaden, atoptics.co.uk.
Thỉnh thoảng khi các đám mây đi ngang qua Mặt Trăng, quầng sáng bao quanh Mặt Trăng bị co lại hoặc phình to ra tuỳ theo kích thước của các giọt nhỏ mà tia sáng đi qua.
Một Hào quang 22º cũng tạo vòng sáng xung quanh Mặt Trăng nhưng ở kích thước lớn hơn nhiều. Bất kỳ hạt nhỏ nào cũng có thể tạo ra quang hoa. Các tinh thể băng ở trên cao cũng sinh ra chúng, thậm chí các hạt phấn hoa trôi nổi cũng là tác nhân sinh ra quang hoa.
Sự hình thành
Một quang hoa được tạo thành từ ánh sáng nhiễu xạ bởi các hạt nhỏ. Mỗi điểm trên bề mặt được chiếu sáng của hạt là một nguồn sóng cầu tán xạ ra ngoài. Những sóng này giao thoa với nhau để tạo ra các vùng sáng tăng cường và triệt tiêu.
Hình 3. Hình ảnh minh hoạ cách mà hai điểm trên bề mặt một giọt nhỏ có thể tán xạ ánh sáng và biểu hiện như các nguồn của sóng cầu. Các sóng tán xạ chồng lên nhau và giao thoa. Nơi có các gợn sóng cùng chiều biên độ gặp nhau thì cường độ ánh sáng tăng lên. Nơi các sóng có biên độ đối nhau thì triệt tiêu. Ánh sáng tán xạ từ toàn bộ bề mặt giọt nhỏ và các sóng lan truyền kết hợp để tạo thành một hình ảnh nhiễu xạ - một quang hoa. Credit: atoptics.co.uk
Sự tán xạ từ hai điểm được biểu diễn ở trong hình. Dọc theo trục chính, các gợn sáng của hai sóng tán xạ luôn gặp nhau để tạo nên một vùng có ánh sáng mạnh.
Di chuyển ra xa trục chính, có một hướng mà các gợn sáng thêm lần nữa cũng gặp nhau để tạo thành các tia sáng tăng cường ở một góc so với tia tới. Nằm ở giữa hai dải sáng tăng cường này là một khu vực nơi gặp gỡ của các gợn sóng có biên độ ngược nhau. Hai sóng này triệt tiêu nhau và tạo nên vùng tối theo hướng đó.
Các gợn sóng cũng gặp nhau ở một góc lớn hơn và cường độ ánh sáng cũng được tăng cường. Với sự gia tăng khoảng cách góc so với trục chính, sự giao thoa tạo ra các khu vực sáng và tối xem kẽ nhau, gọi là hình ảnh nhiễu xạ (diffraction pattern).
Trong thực tế, ánh sáng bị tán xạ từ mọi điểm xung quanh bề mặt của giọt nhỏ và các sóng cường độ yếu khác sinh ra từ sự phản xạ và đi xuyên qua giọt nhỏ. Biên độ tổng của sóng tại mỗi điểm là tổng các véc-tơ biên độ, chứ không phải cường độ, của tất cả các sóng đơn lẻ. Kết quả của quá trình này là tạo ra một vùng trung tâm rất sáng bao quanh bởi các vòng sáng yếu hơn, một quang hoa.
Sự hình thành quang hoa, theo một cách dễ hiểu hơn, không cần kiến thức về bản chất của giọt nhỏ bởi vì các sóng tán xạ bề mặt là chiếm ưu thế. Các giọt nhỏ có thể là giọt nước, giọt mực, hay thậm chí là than đá - hình ảnh tạo ra gần như là giống nhau. Sự hình thành này phụ thuộc chủ yếu vào kích thước, hình dạng của giọt nhỏ và bước sóng của ánh sáng.
Các giọt nhỏ tham gia vào quá trình này không nhất thiết phải là trong suốt, và thậm chí không cần phải có dạng cầu. Các tinh thể băng nhỏ, các hạt phấn hoa và các hạt bụi lớn tất cả đều có thể gây ra quang hoa.
Một quang hoa trắng là tổng của tất cả sự phân bố quang hoa ở từng phổ màu.
Khoảng cách của các hạt trong mây không ảnh hưởng đến sự hình thành quang hoa. Các hạt trong mây cách nhau 50 lần hoặc hơn đường kính của chúng, và giao thoa với nhau như trong một tấm guơng nhiễu xạ chỉ xảy ra nếu các giọt nhỏ ở gần nhau ít hơn hai lần đường kính, tương tự như sự ngưng tụ trên khung cửa sổ. Một quang hoa được sinh ra khi mỗi tia sáng chạm vào mắt đã bị tán xạ bởi một giọt nhỏ.
Nếu quang hoa trở nên sắc nét với nhiều vòng sáng, thì tất cả các giọt mây phải có kích thước giống nhau. Nếu không thì tất cả các quang hoa ở các kích thước khác nhau được sinh ra bởi các giọt nhỏ sẽ tạo nên hình ảnh đơn thuần là một vệt mờ.
Lời giải cho một bài toán vật lý thường cũng là lời giải cho các vấn đề khác dường như không liên quan. Hình ảnh nhiễu xạ từ một giọt nhỏ gần như giống với hình ảnh nhiễu xạ từ một đĩa mờ. Đổi lại, nhiễu xạ từ một đĩa lại giống với nhiễu xạ từ một lỗ tròn có cùng đường kính khẩu độ. Một thấu kính hay gương phản xạ của kính viễn vọng cũng là một dạng khẩu độ. Một ngôi sao nhìn qua một chiếc kính viễn vọng là một đĩa nhỏ bao quanh (nếu thấu kính chất lượng tốt và khí quyển ổn định) bởi một hay hai vòng sáng nhỏ. Đây chính là quang hoa gây ra bởi một "giọt nhỏ" có kích thước của vật kính kính viễn vọng và chỉ hiện diện bởi vì nó phóng đại vài trăm lần bởi hệ quang học của kính thiên văn, nhưng dù sao cũng là một quang hoa. Các kính thiên văn lớn sẽ tạo hình ảnh các ngôi sao giống những điểm sáng sắc nét. Trong khi đó các giọt nhỏ sẽ tạo quang hoa lớn.
Màu sắc
Màu sắc của quang hoa sặc sỡ như bọt xà phòng hay đuôi chim công. Kích thước của một quang hoa ở một màu sắc đơn lẻ tỷ lệ thuận với bước sóng ánh sáng. Quang hoa đỏ có kích thước gần như gấp đôi so với quang hoa tím.
Quang hoa trắng chính là quầng sáng của tất cả phổ màu đơn lẻ chồng lên nhau.
Khu vực trung tâm của quang hoa gần như là màu trắng, trong khi ở rìa là màu vàng hoặc đỏ vì chúng có kích thước quầng sáng mở rộng nhất trong phổ ánh sáng khả kiến.
Rìa trong màu xanh tím ở vòng sáng trong cùng được tạo thành bởi dải màu tím đến xanh với một chút xanh lục. Màu xanh lá ở giữa mỗi vòng sáng bị dịu bớt khi dải màu từ xanh đến cam pha trộn lẫn nhau. Màu đỏ ở ngoài cùng bị nhuốm một chút tím của vòng sáng tiếp theo.
Hình 4. Quang hoa trắng và quang hoa ở các phổ màu đơn lẻ với kích thước khác nhau tuỳ thuộc vào bước sóng.
Kích thước giọt nhỏ
Hình 5. Quang hoa tạo thành phụ thuộc vào: Phân bố kích thước giọt nhỏ (trái) và Đường kính giọt nhỏ (phải). Credit: atoptics.co.uk.
Phân bố kích thước giọt nhỏ
Khi các giọt nhỏ trong mây có nhiều kích thước khác nhau, quang hoa sẽ mờ dần. Chênh lệch kích thước các giọt nhỏ ở mức 10%, quang hoa sẽ giảm độ tương phản và hiển thị, đến 20% là đủ để khiến chúng biến mất.
Đường kính giọt nhỏ
Giọt nhỏ có kích thước càng bé thì quang hoa sinh ra có kích thước càng lớn. Kích thước giọt nhỏ trung bình có thể ước lượng được bằng cách tính tỷ lệ đường kính của vòng sáng đầu tiên so với đường kính của Mặt Trăng.
Nếu một vòng sáng có đường kính D_vs (theo đơn vị là đường kính Mặt Trăng), thì tuỳ theo vòng sáng được chọn sẽ có công thức tính đường kính giọt nhỏ D (đơn vị là µm) như sau:
- Vòng sáng đỏ đầu tiên: D (µm) = 250/D_vs
- Vòng sáng đỏ rìa ngoài của quang hoa: D (µm) = 120/D_vs
Vòng sáng Giám mục
Một quang hoa xanh mờ lớn bao quanh bởi màu vàng và màu đỏ quanh Mặt Trời. Đây chính là Vòng sáng Giám mục (Bishop's ring).
Hình 6. Vòng sáng Giám mục. Credit: ©Marko Riikonen, atoptics.co.uk.
quang hoa này như hiệu ứng sinh ra bởi sự tán xạ ánh sáng Mặt Trời từ các hạt tro và hydrated sulfate trên tầng bình lưu do sự phun trào núi lửa Pinatubo năm 1991. Các đặc trưng của vòng sáng Giám mục đến từ các hạt kích thước nhỏ với khoảng 1µm đường kính.
Quang hoa phấn hoa
Cho dù là các hạt nhỏ là trong suốt hay mờ đục thì cũng không phải là vấn đề quan trọng trong sự hình thành quang hoa. Thứ gây ảnh hưởng lớn nhất đó chính là kích thước và hình dạng của chúng.
Hàng năm cây cối ở các khu rừng phương bắc giải phóng những đám mây phấn hoa. Các hạt phấn hoa của cùng một loại cây thường có kích thước rất giống nhau - là một điều kiện lý tưởng để quang hoa hình thành.
Hình 7. Quang hoa phấn hoa. Credit: ©Marko Riikonen, atoptics.co.uk
Không như những giọt nước, các hạt phấn hoa không có dạng hình phỏng cầu. Nhiều loại phấn hoa có các túi khí để lợi dụng sự phát tán của gió và do đó chúng có được sự định hướng đặc biệt khi trôi dạt trong không khí. Kết quả là tạo ra các quang hoa bị kéo dài, đôi khi có những mảng sáng trên các vòng sáng.
Phấn hoa có kích thước tương đối lớn, do đó các quang hoa tạo ra bởi chúng sẽ có kích thước nhỏ.
Theo Atmospheric Optics3
Tham khảo
- Từ điển VLTV: Halo: hào quang, tán
- Từ điển VLTV: Corona: quang hoa, quầng
- Atmospheric Optics: Corona
