Không khí thực chất là trong suốt. Thế nhưng mỗi ngày, khi ngước nhìn lên, chúng ta lại thấy một bầu trời xanh thẳm. Nghịch lý này từng khiến các nhà triết học và khoa học băn khoăn suốt hàng nghìn năm, trước khi lời giải được tìm ra vào cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX.
Aristotle từng cố gắng giải thích hiện tượng này từ thế kỷ IV trước Công nguyên. Đến thế kỷ XVII, Isaac Newton cho rằng màu xanh của bầu trời có thể liên quan đến sự phản xạ ánh sáng từ đại dương. Tuy nhiên, đáp án thực sự lại nằm trong chính bầu khí quyển.
Năm 1859, nhà vật lý John Tyndall phát hiện rằng khi ánh sáng đi qua môi trường chứa các hạt rất nhỏ, ánh sáng xanh bị tán xạ mạnh hơn ánh sáng đỏ. Sau đó, Lord Rayleigh xây dựng công thức toán học mô tả hiện tượng này. Năm 1911, Albert Einstein hoàn thiện nền tảng lý thuyết, chứng minh rằng chính các phân tử khí trong không khí cũng đủ để gây ra hiện tượng tán xạ ánh sáng.
Hiện tượng này ngày nay được gọi là tán xạ Rayleigh.
Ánh sáng xanh tán xạ mạnh hơn ánh sáng đỏ
Ánh sáng Mặt Trời thực chất là ánh sáng trắng được kết hợp từ nhiều màu sắc khác nhau. Khi đi vào khí quyển Trái Đất, các phân tử nitơ và oxy liên tục làm lệch hướng các tia sáng.
Điểm đặc biệt là ánh sáng xanh có bước sóng ngắn hơn nên bị tán xạ mạnh hơn nhiều so với ánh sáng đỏ. Theo công thức Rayleigh, cường độ tán xạ tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc bốn của bước sóng.
Điều đó có nghĩa ánh sáng xanh với bước sóng khoảng 450 nanomet bị tán xạ mạnh gấp khoảng 5,5 lần ánh sáng đỏ có bước sóng khoảng 700 nanomet.
Kết quả là ánh sáng xanh bị “rải” khắp bầu trời. Dù nhìn về hướng nào, mắt người cũng nhận được lượng lớn ánh sáng xanh bị tán xạ từ khí quyển, khiến toàn bộ bầu trời hiện lên màu xanh.
Trong khi đó, ánh sáng đi thẳng từ Mặt Trời tới mắt đã mất bớt thành phần màu xanh nên Mặt Trời từ mặt đất thường có màu vàng nhạt thay vì màu trắng như khi quan sát từ không gian.
Vì sao bầu trời không có màu tím?
Một câu hỏi hợp lý là: nếu ánh sáng có bước sóng càng ngắn càng bị tán xạ mạnh, vậy tại sao bầu trời không có màu tím?
Có ba nguyên nhân chính.
Thứ nhất, Mặt Trời phát ra ít ánh sáng tím hơn ánh sáng xanh. Thứ hai, mắt người nhạy với màu xanh hơn nhiều so với màu tím. Cuối cùng, một phần ánh sáng tím bị hấp thụ ở tầng khí quyển trên trước khi tới mắt người quan sát.
Sự kết hợp của ba yếu tố này khiến màu xanh trở thành màu sắc nổi bật nhất trên bầu trời ban ngày.
Cơ chế tương tự giải thích vì sao hoàng hôn có màu đỏ cam.
Khi Mặt Trời ở gần đường chân trời, ánh sáng phải đi qua lớp khí quyển dày hơn rất nhiều so với lúc giữa trưa. Trên quãng đường dài đó, phần lớn ánh sáng xanh đã bị tán xạ mất khỏi chùm sáng trực tiếp.
Những gì còn lại chủ yếu là ánh sáng đỏ và cam, tạo nên màu sắc đặc trưng của bình minh và hoàng hôn.
Vì sao mây có màu trắng?
Nếu bầu trời xanh vì các phân tử khí tán xạ ánh sáng xanh, tại sao mây lại có màu trắng?
Nguyên nhân nằm ở kích thước.
Các giọt nước và tinh thể băng trong mây lớn hơn rất nhiều so với bước sóng ánh sáng nhìn thấy. Chúng tán xạ gần như đồng đều tất cả các màu sắc trong ánh sáng Mặt Trời thay vì ưu tiên màu xanh.
Khi mọi màu được phản xạ gần như ngang nhau, mắt người sẽ nhìn thấy màu trắng.
Bầu trời trên các hành tinh khác có màu gì?
Hiện tượng tán xạ ánh sáng cũng khiến bầu trời trên các thiên thể khác mang màu sắc rất khác Trái Đất.
Trên Sao Hỏa, bầu trời ban ngày thường có màu đỏ nâu do bụi mịn bao phủ khí quyển. Điều thú vị là gần lúc hoàng hôn, vùng xung quanh Mặt Trời lại xuất hiện sắc xanh nhạt, gần như ngược với Trái Đất.
Titan, vệ tinh lớn nhất của Sao Thổ, có bầu trời màu cam vàng do lớp sương mù hydrocarbon dày đặc. Trong khi đó, Sao Kim sở hữu bầu trời vàng cam vì bầu khí quyển cực kỳ dày và phức tạp về mặt hóa học.
Nói cách khác, màu xanh của bầu trời Trái Đất không phải là màu của không khí. Đó là kết quả của sự tương tác giữa ánh sáng Mặt Trời, thành phần khí quyển và cách mắt con người cảm nhận màu sắc. Những phân tử khí vô hình mà chúng ta hít thở mỗi ngày chính là “họa sĩ” đã vẽ nên màu xanh quen thuộc của bầu trời suốt lịch sử loài người.
Bầu trời trông xanh thẳm là do ánh sáng xanh bị tán xạ mạnh hơn nhiều so với ánh sáng đỏ. Ảnh: Space Daily
