Theo nhà nghiên cứu Hannah Wakeford (Đại học Exeter) để hiểu tại sao Mặt trời màu vàng, mây trắng, trời xanh trước hết chúng ta cần phải hiểu màu sắc hoạt động như thế nào.
Những màu sắc khác nhau mà chúng ta nhìn thấy là kết quả của các bước sóng khác nhau của ánh sáng được lọc ra trước khi tới mắt chúng ta. Ánh sáng màu đỏ có bước sóng dài hơn và ánh sáng màu xanh có bước sóng ngắn hơn. Bằng việc kết hợp tất cả các bước sóng ánh sáng lại – đỏ, cam, vàng, xanh, lam, tím, xanh lá cây – chúng ta có ánh sáng trắng.
Bước sóng ánh sáng tương ứng với các màu sắc mắt người có thể nhận biết được
Cũng giống như sóng trên biển, ánh sáng luôn di chuyển theo đường thẳng, cho đến khi gặp phải vật cản trên đường. Khi đó, xảy ra ba trường hợp:
- Phản xạ ánh sáng (như một tấm gương)
- Khúc xạ ánh sáng (như một lăng kính)
- Hoặc tán xạ ánh sáng (như các phân tử của các chất khí trong bầu khí quyển)
Mỗi cơ chế trong số những cơ chế này có thể được xem như là một kết quả của việc Trái đất "ngáng đường" ánh sáng Mặt trời khi nó đang trên đường lan toả khắp không gian. Song như bạn sẽ nhìn thấy đó chủ yếu là sự tán xạ ánh sáng mặt trời, hiện tượng sản sinh ra các màu sắc của Mặt trời, bầu trời và mây mà chúng ta nhìn được.
Bức ảnh của NASA cho thấy khi nhìn từ không gian, mặt trời chỉ có màu trắng
Nếu bạn nhìn Mặt trời từ trong không gian mà không có sự làm phiền của bầu khí quyển của Trái đất thì Mặt trời thực ra trông có màu trắng ngay trước khi mắt bạn bị thiêu đốt. Song ngay cả khi các nhà thiên văn học phủ nhận thì với nhiều người họ vẫn tin màu sắc của Mặt trời là vàng hay cam như mình quan sát được. Xét cho cùng, chúng ta là những sinh vật của thói quen.
Nhưng rõ ràng là khi nhìn từ mặt đất, nhất là vào buổi sáng, ánh sáng mặt trời có màu vàng
Khi ánh sáng đi vào bầu khí quyển của chúng ta, hành trình của nó bị gián đoạn bởi các hạt khí. Những hạt khí này nhỏ hơn rất nhiều so với bước sóng của ánh sáng mà nó làm gián đoạn, dẫn tới hiện tượng gọi là tán xạ Rayleigh. Theo Wikipedia, tán xạ Rayleigh (gọi tên theo nhà vật lý Lord Rayleigh) là một loại tán xạ ánh sáng (hay sóng điện từ nói chung) bởi các hạt hay các vùng không đồng nhất trong môi trường có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với bước sóng của ánh sáng. Kiểu tán xạ này làm lệch hướng mạnh các tia sáng có bước sóng ngắn. Có nghĩa là tia sáng có bước sóng càng ngắn – hay ánh sáng màu xanh càng nhiều – thì tán xạ càng mạnh, trong khi ánh sáng bước sóng dài – ánh sáng màu đỏ nhiều hơn – thì tán xạ ít hơn. Đó chính là lý do tại sao chúng ta nhìn thấy bầu trời màu xanh.
Bầu trời màu xanh tuyệt đẹp này được đi kèm với mặt trời, thiên thể màu vàng lạ lùng sáng đến nỗi chúng ta không thể nhìn vào nó trực tiếp thậm chí khi có sự bảo vệ của bầu khí quyển của chúng ta. Lý do cho màu vàng sống động của nó có liên quan trực tiếp đến màu xanh của bầu trời. Do bầu khí quyển tán xạ ánh sáng màu xanh nên quang phổ còn lại của Mặt trời được chuyển về phía phần màu vàng. Khi Mặt trời di chuyển về phía đường chân trời lúc Mặt trời lặn, ánh sáng xuyên qua bầu khí quyền càng nhiều hơn. Điều này có nghĩa là càng nhiều ánh sáng bước sóng ngắn hơn được tán xạ đi làm cho Mặt trời có vẻ đỏ hơn vào thời điểm Mặt trời lặn mỗi buổi chiều muộn.
Nếu bạn để ý thì thỉnh thoảng ánh sáng Mặt trời và bầu trời xanh bị che khuất bởi những đám mây trắng lớn.
Mây là những giọt hoặc tinh thể nước đông đá và các hoá chất khác trong bầu khí quyển Trái đất. Những giọt nước hoặc tinh thể này tán xạ ánh sáng theo tất cả các hướng bất kể độ dài bước sóng làm cho chúng dường như màu trắng. Mây sậm màu hoặc đen được tạo ra khi chúng đi vào bóng của đám mây khác hoặc khi đỉnh của đám mây đó phủ bóng trên chính chân mây của mình. Chúng trông cũng sậm hơn tương phản với bầu trời sáng hơn. Do vậy, một đám mây đen không phải luôn luôn có nghĩa là có mưa.
Trong khi màu sắc của mặt trời hay mây là kết quả của tán xạ, thì cầu vồng là kết quả của hiện tượng khúc xạ ánh sáng
Ngoài tán xạ và phản xạ, chúng ta cũng có thể quan sát sự khúc xạ trong khí quyển. Khi những giọt nước lớn hơn khúc xạ ánh sáng mặt trời sẽ tạo hành dạng cầu vồng. Chúng xuất hiện trên bầu trời đối diện với Mặt trời do ánh sáng bị khúc xạ xuyên qua những giọt nước trong không khí và sau đó phản xạ bên trong phía sau của giọt nước. Khúc xạ này, giống như trong một lăng kính, làm cho ánh sáng được phân chia thành các bước sóng khác nhau và do đó có các màu khác nhau; màu đỏ, cam, vàng, xanh lá cây, xanh da trời, chàm, tím. Phản xạ ánh sáng nhiều lần trong các giọt nước có thể tạo ra cầu vồng đôi, mà ở đó thứ tự các màu sắc được đảo ngược.
Mặc dù tầm nhìn của chúng ta bị hạn chế và chỉ thấy được một phần nhỏ bé của toàn bộ quang phổ điện từ nhưng bản chất sóng ánh sáng đã thể hiện đáng kể để cho tất cả chúng ta thấy được. Do vậy, hãy ngước lên trời và thưởng thức cuộc trình diễn này, và nhớ rằng ngay cả vào một ngày đẹp trời thì ánh sáng cũng vẫn đang nhảy múa.
