Tại sao bầu trời, đại dương có màu xanh lam? Câu trả lời là đây

Sự kết hợp của bầu trời xanh, tối trên đầu, nhạt hơn ở gần đường chân trời, cùng với Mặt trời đỏ rực vào lúc bình minh hoặc hoàng hôn, đều có thể được giải thích một cách khoa học, cùng với màu xanh của đại dương như một hiện tượng độc lập. Ảnh: SSXSS/Pixabay)

TL: Hầu hết chúng ta, khi biết rằng bầu trời và đại dương có màu xanh lam, đều nghe huyền thoại rằng “một bên có màu xanh lam vì nó phản chiếu bên kia”. Điều đó chỉ đơn giản là không đúng. Bầu trời có màu xanh do cách hoạt động của tán xạ khí quyển, truyền ánh sáng xanh lam theo nhiều hướng hiệu quả hơn ánh sáng đỏ, khiến màu xanh lam đến mắt chúng ta từ nhiều hướng khác nhau. Trong khi đó, các đại dương lại ưu tiên hấp thụ một số màu sắc hơn những màu khác, vì vậy khi bạn xuống sâu hơn, ánh sáng xanh là màu cuối cùng còn lại.

Dưới đây, cách giới khoa học lý giải các hiện hiện tượng nêu trên.

Nếu bạn đã từng tò mò về thế giới mình đang sống, chắc hẳn bạn đã từng thắc mắc tại sao bầu trời lại có màu xanh. Các câu trả lời không chính xác mà mọi người thường đưa ra để trả lời bao gồm: rằng ánh sáng mặt trời có màu xanh lam; bản thân ôxy là một chất khí có màu xanh lam; hoặc bầu trời phản chiếu các đại dương.

Mặc dù không câu trả lời nào trong số đó là đúng, nỗ lực cuối cùng đó đưa ra một câu hỏi liên quan mà mọi người thường thắc mắc: tại sao các đại dương lại có màu xanh lam?

Khi nhìn từ không gian, hành tinh Trái đất thường được mô tả như một chấm màu xanh lam nhạt, nhưng đó chỉ là những thể lỏng của nước ⁠- chi phối bởi các đại dương trên Trái đất ⁠- có màu xanh lam. Lục địa, mây và chỏm băng hoàn toàn không có màu xanh lam; chính các đại dương, không phải khí quyển, cung cấp cho hành tinh của chúng ta tổng thể của nó. Trong hàng nghìn năm, nhân loại đã phải đơn giản chấp nhận những đặc tính này của thế giới chúng ta như là sự thật. Nhưng với những tiến bộ của khoa học hiện đại, chúng ta đã hiểu tại sao bầu trời và đại dương đều có màu xanh lam.

Trái ngược với những gì bạn có thể đã đọc, không có một nhân tố nào chịu trách nhiệm cho bầu trời xanh của Trái đất.

Bầu trời không có màu xanh lam vì ánh sáng mặt trời có màu xanh lam; Mặt trời của chúng ta phát ra ánh sáng có nhiều bước sóng khác nhau và ánh sáng đó tổng hợp là một màu trắng ròng.

Bản thân oxy không phải là một chất khí có màu xanh lam, mà nó trong suốt với ánh sáng.

Tuy nhiên, có vô số phân tử và các hạt lớn hơn trong bầu khí quyển của chúng ta có vai trò phân tán ánh sáng có bước sóng khác nhau với số lượng khác nhau. Đại dương không đóng vai trò gì đối với màu sắc của bầu trời, nhưng sự nhạy cảm của mắt chúng ta hoàn toàn có: chúng ta không nhìn thấy thực tế như nó vốn có, mà là khi các giác quan của chúng ta cảm nhận nó và bộ não của chúng ta giải thích nó.

Ba yếu tố này – ánh sáng Mặt trời, hiệu ứng tán xạ của bầu khí quyển Trái đất và phản ứng của mắt người – là những gì kết hợp lại để tạo cho bầu trời màu xanh lam.

Hình ảnh động giản đồ của một chùm ánh sáng liên tục được phân tán bởi một lăng kính. Nếu bạn có mắt tia cực tím và mắt hồng ngoại, bạn sẽ có thể thấy rằng ánh sáng tử ngoại uốn cong nhiều hơn ánh sáng tím/xanh lam, trong khi ánh sáng hồng ngoại sẽ ít bị bẻ cong hơn ánh sáng đỏ. Ảnh: Lucas Vieira/Wikimedia Commons

Khi chúng ta truyền ánh sáng mặt trời qua một lăng kính, chúng ta có thể thấy cách nó phân tách thành các thành phần riêng lẻ. Ánh sáng năng lượng cao nhất cũng là ánh sáng có bước sóng ngắn nhất (và tần số cao), trong khi ánh sáng năng lượng thấp hơn có bước sóng dài hơn (và tần số thấp) hơn các ánh sáng năng lượng cao. Lý do ánh sáng tách ra là bởi vì bước sóng là đặc tính quan trọng quyết định cách ánh sáng tương tác với vật chất.

Các lỗ lớn trong lò vi sóng của bạn cho phép ánh sáng nhìn thấy bước sóng ngắn vào và ra, nhưng giữ cho ánh sáng vi sóng có bước sóng dài hơn phản xạ ánh sáng đó. Các lớp phủ mỏng trên kính râm của bạn phản xạ ánh sáng cực tím, tím và xanh lam, nhưng cho phép các màu xanh lá cây, vàng, cam và đỏ có bước sóng dài hơn đi qua. Và các hạt nhỏ, vô hình tạo nên bầu khí quyển của chúng ta – các phân tử như nitơ, oxy, nước, carbon dioxide, cũng như các nguyên tử argon – tán xạ ánh sáng ở tất cả các bước sóng, nhưng ưu tiên là hiệu quả hơn trong việc tán xạ ánh sáng xanh hơn, bước sóng ngắn hơn.

Tán xạ Rayleigh ảnh hưởng đến ánh sáng xanh dương nghiêm trọng hơn ánh sáng đỏ, nhưng trong số các bước sóng nhìn thấy, ánh sáng tím bị tán xạ nhiều nhất. Nó chỉ do sự nhạy cảm của mắt chúng ta mà bầu trời có màu xanh lam chứ không phải màu tím. Các ánh sáng nhìn thấy có bước sóng dài nhất và bước sóng ngắn nhất có sự chênh lệch về tán xạ Rayleigh gần như một bậc của cường độ. Ảnh: Robert A.Rohde/Wikimedia Commons

Có một lý do vật lý đằng sau điều này: tất cả các phân tử tạo nên bầu khí quyển của chúng ta đều có kích thước nhỏ hơn các bước sóng ánh sáng khác nhau mà mắt người có thể nhìn thấy. Các bước sóng gần với kích thước của các phân tử hiện tại sẽ tán xạ hiệu quả hơn; về mặt định lượng, định luật mà nó tuân theo được gọi là tán xạ Rayleigh .

Ánh sáng tím ở giới hạn bước sóng ngắn mà chúng ta có thể nhìn thấy tán xạ thường xuyên hơn chín lần so với ánh sáng đỏ, có bước sóng dài ở đầu kia của tầm nhìn. Đây là lý do tại sao, trong các lần bình minh, hoàng hôn và nguyệt thực, ánh sáng đỏ vẫn có thể truyền qua bầu khí quyển một cách hiệu quả, nhưng các bước sóng ánh sáng xanh hơn thực tế không tồn tại, được ưu tiên phân tán đi.

Một số vật liệu màu trắng đục, như vật liệu được hiển thị ở đây, có đặc tính tán xạ Rayleigh tương tự như khí quyển. Với ánh sáng trắng chiếu vào viên đá này từ phía trên bên phải, viên đá tự phân tán ánh sáng xanh lam, nhưng cho phép ánh sáng màu cam / đỏ ưu tiên đi qua mà không bị nản lòng. Ảnh: Optick/flickr

Vì các bước sóng ánh sáng xanh hơn dễ bị tán xạ hơn, nên bất kỳ ánh sáng mặt trời trực tiếp nào chiếu tới sẽ trở nên đỏ hơn và đỏ hơn khi nó đi qua nhiều bầu khí quyển hơn. Tuy nhiên, phần còn lại của bầu trời sẽ được chiếu sáng bởi ánh sáng mặt trời gián tiếp: ánh sáng chiếu vào bầu khí quyển và sau đó chuyển hướng đến mắt bạn. Phần lớn ánh sáng đó sẽ có bước sóng màu xanh lam, đó là lý do tại sao bầu trời có màu xanh lam vào ban ngày.

Nó sẽ chỉ có màu đỏ hơn nếu có đủ bầu không khí để phân tán ánh sáng xanh đó đi trước khi nó đến mắt bạn. Nếu Mặt trời ở dưới đường chân trời, tất cả ánh sáng phải đi qua một lượng lớn khí quyển. Ánh sáng xanh hơn bị phân tán ra xa, theo mọi hướng, trong khi ánh sáng đỏ hơn ít có khả năng bị phân tán hơn, có nghĩa là nó có đường dẫn trực tiếp hơn đến mắt bạn. Nếu bạn đã từng lên máy bay sau khi mặt trời lặn hoặc trước khi mặt trời mọc, bạn có thể có được một khung cảnh ngoạn mục của hiệu ứng này.

Từ độ cao rất lớn trên bầu trời trước khi mặt trời mọc hoặc sau khi mặt trời lặn, có thể nhìn thấy một dải màu do sự tán xạ của ánh sáng mặt trời nhiều lần bởi bầu khí quyển. Ánh sáng trực tiếp, từ gần đường chân trời, đỏ lên rất nhiều, trong khi ở xa Mặt trời, ánh sáng gián tiếp chỉ xuất hiện màu xanh lam. Ảnh:  Rnbc/Wikimedia Commons

Điều này có thể giải thích tại sao hoàng hôn, bình minh và nguyệt thực có màu đỏ, nhưng có thể khiến bạn thắc mắc tại sao bầu trời lại có màu xanh lam thay vì màu tím. Thật vậy, thực tế có một lượng ánh sáng tím đến từ khí quyển nhiều hơn ánh sáng xanh lam, nhưng cũng có sự pha trộn của các màu khác. Bởi vì mắt của bạn có ba loại tế bào hình nón (để phát hiện màu sắc), cùng với các thanh đơn sắc, đó là các tín hiệu từ cả bốn loại cần được não của bạn giải thích khi phân định màu sắc.

Mỗi loại hình nón, cộng với các hình que, nhạy cảm với ánh sáng có bước sóng khác nhau, nhưng tất cả chúng đều bị bầu trời kích thích ở một mức độ nào đó. Đôi mắt của chúng ta phản ứng mạnh mẽ hơn với các bước sóng ánh sáng xanh lam, lục lam và lục lam hơn so với ánh sáng tím. Mặc dù có nhiều ánh sáng tím hơn, nhưng nó không đủ để vượt qua tín hiệu màu xanh lam mạnh mẽ mà não của chúng ta cung cấp, và đó là lý do tại sao bầu trời có màu xanh lam đối với mắt chúng ta.

Góc nhìn thứ nhất với đôi mắt của con người về Trái đất nhô lên trên chi của Mặt trăng. Việc khám phá ra Trái đất từ ​​không gian, với con mắt của con người, vẫn là một trong những thành tựu mang tính biểu tượng nhất trong lịch sử loài người chúng ta. Apollo 8, xảy ra vào tháng 12 năm 1968, là một trong những sứ mệnh tiền thân cần thiết cho một cuộc đổ bộ thành công lên Mặt trăng, sẽ kỷ niệm 50 năm thành lập vào tháng 7 này. Lưu ý rằng màu xanh của Trái đất là do các đại dương, không phải khí quyển. Ảnh: NASA/Apollo 8

Mặt khác, các đại dương lại là một câu chuyện hoàn toàn khác. Nếu bạn nhìn toàn bộ hành tinh, với một góc nhìn chẳng hạn như hình ảnh bạn nhận được từ không gian, bạn sẽ nhận thấy rằng các vùng nước mà chúng ta có không phải là một màu xanh đồng nhất, mà thay đổi trong bóng râm của chúng dựa trên độ sâu của nước. Vùng nước sâu hơn có màu xanh đậm hơn; nước nông hơn có màu xanh nhạt hơn.

Bạn sẽ nhận thấy, nếu quan sát kỹ một bức ảnh như bên dưới , các vùng nước giáp ranh với các lục địa (dọc theo các thềm lục địa) có màu xanh lam nhạt hơn, nhiều hơn so với độ sâu và tối của đại dương.

Nếu bạn muốn có một bộ bằng chứng trực tiếp hơn cho thấy bản thân các đại dương có màu xanh lam, bạn có thể thử lặn xuống dưới bề mặt nước và ghi lại những gì bạn nhìn thấy. Khi chúng ta làm điều này, chụp ảnh dưới nước trong ánh sáng tự nhiên – tức là không có bất kỳ nguồn sáng nhân tạo nào – chúng ta có thể thấy ngay rằng mọi thứ đều có màu hơi xanh.

Càng xuống xa, khi chúng ta đạt đến độ sâu 30 mét, 100 mét, 200 mét và hơn thế nữa, mọi thứ càng hiện ra càng xanh. Điều này rất có ý nghĩa khi bạn nhớ rằng nước, cũng giống như bầu khí quyển, cũng được tạo ra từ các phân tử có kích thước hữu hạn: nhỏ hơn bước sóng của bất kỳ ánh sáng nào mà chúng ta có thể nhìn thấy. Nhưng ở đây, ở độ sâu của đại dương, vật lý của hiện tượng tán xạ có một chút khác biệt.

Nếu bạn đi xuống một vùng nước và chỉ để môi trường xung quanh được chiếu sáng bởi ánh sáng mặt trời tự nhiên từ trên cao, bạn sẽ thấy rằng mọi thứ có màu hơi xanh, vì ánh sáng đỏ là ánh sáng đầu tiên bị hấp thụ hoàn toàn bước sóng. Ảnh: Shanerkidwell/Pixabay

Thay vì tán xạ, vai trò chính của khí quyển khi ánh sáng đi qua nó, một chất lỏng như nước chủ yếu hấp thụ (hoặc không hấp thụ) ánh sáng. Nước, giống như tất cả các phân tử, có ưu tiên đối với các bước sóng mà nó có thể hấp thụ. Thay vì có sự phụ thuộc vào bước sóng đơn giản, nước có thể dễ dàng hấp thụ ánh sáng hồng ngoại, tia tử ngoại và ánh sáng nhìn thấy màu đỏ nhất.

Điều này có nghĩa là nếu bạn đi xuống dù chỉ ở độ sâu khiêm tốn, bạn sẽ không bị Mặt trời nóng lên nhiều, bạn sẽ được bảo vệ khỏi bức xạ UV và mọi thứ sẽ bắt đầu chuyển sang màu xanh lam khi ánh sáng đỏ bị lấy đi. Đi xuống sâu hơn một chút, và những quả cam cũng biến mất.

Ở độ sâu hơn, khi biển được chiếu sáng bởi ánh nắng tự nhiên từ trên cao, không chỉ màu đỏ mà cam và vàng bắt đầu biến mất. Ngay cả khi xuống thấp hơn, rau xanh cũng sẽ bị hấp thụ, chỉ để lại ánh sáng xanh mờ có thể quan sát được. Ảnh: Dennis Jarvis/flickr

Sau đó, màu vàng, xanh và hoa violet bắt đầu bị lấy đi. Khi chúng ta đi xuống độ sâu nhiều km, cuối cùng thì ánh sáng xanh cũng biến mất, mặc dù đó là lần cuối cùng làm như vậy.

Đây là lý do tại sao ở độ sâu sâu nhất của đại dương xuất hiện màu xanh đậm, sâu: bởi vì tất cả các bước sóng khác bị hấp thụ. Màu xanh lam sâu nhất, duy nhất trong số tất cả các bước sóng ánh sáng trong nước, có xác suất bị phản xạ và phát xạ lại ra ngoài cao nhất. Như hiện tại, albedo trung bình toàn cầu (thuật ngữ kỹ thuật cho hệ số phản xạ) của hành tinh chúng ta là 0,30, nghĩa là 30% ánh sáng tới bị phản xạ trở lại không gian. Nhưng nếu Trái đất hoàn toàn là đại dương nước sâu, thì albedo của chúng ta sẽ chỉ là 0,11. Đại dương thực sự hấp thụ ánh sáng mặt trời khá tốt!

Bầu trời và đại dương không có màu xanh lam vì phản xạ chút nào; cả hai đều màu xanh lam, nhưng mỗi chúng đều có ý tưởng riêng. Nếu bạn lấy đi hoàn toàn đại dương của chúng ta, một con người trên bề mặt vẫn sẽ nhìn thấy bầu trời xanh và nếu bạn cố gắng lấy đi bầu trời của chúng ta (nhưng bằng cách nào đó vẫn cung cấp cho chúng ta nước lỏng trên bề mặt), hành tinh của chúng ta sẽ vẫn có màu xanh lam từ rất xa trong khoảng trống.

Đối với bầu trời, ánh sáng mặt trời xanh dương tán xạ dễ dàng hơn và đến với chúng ta gián tiếp từ nơi kết quả là ánh sáng mặt trời chiếu vào bầu khí quyển. Đối với các đại dương, ánh sáng nhìn thấy có bước sóng dài hơn được hấp thụ dễ dàng hơn, vì vậy chúng càng đi sâu vào trong, ánh sáng còn lại càng có màu xanh đậm hơn. Bầu khí quyển màu xanh lam có thể phổ biến đối với các hành tinh, vì sao Thiên Vương và sao Hải Vương đều sở hữu chúng, nhưng chúng ta là người duy nhất thấy có bề mặt màu xanh lam. Có lẽ khi chúng ta tìm thấy một thế giới khác với nước lỏng trên bề mặt, chúng ta sẽ phát hiện ra rằng rốt cuộc chúng ta không quá độc đáo, và theo nhiều cách hơn cả những gì chúng ta hiện nay nhận ra!

Không Ngộ

Theo BigThink