Cầu vồng hay mống là hiện tượng tán sắc của các ánh sáng từ Mặt Trời khi khúc xạ và phản xạ qua các giọt nước mưa. Ở nhiều nền văn hóa khác nhau, cầu vồng xuất hiện được coi là mang đến điềm lành cho nhân thế. Tùy vào số lần phản xạ mà người ta phân ra làm cầu vồng bậc 1, bậc 2... Trong đó cầu vồng bậc 1 là rõ nhất.
2. Vì sao cầu vồng thường xuất hiện sau những cơn mưa mùa hè?
Sau những cơn mưa rào vào mùa hè, trên nền trời thường xuất hiện một dải cầu vồng với bảy sắc màu: đỏ, da cam, vàng, lục, lam, chàm tím được tạo nên bởi ánh sáng mặt trời bị khúc xạ từ những hạt nước.
Mùa hè, thời gian của những trận mưa rào không dài lắm, thêm vào đó phạm vi cũng không rộng, vì vậy sau cơn mưa ánh sáng mặt trời sẽ xuất hiện ngay. Lúc này trong không trung vẫn còn chứa đầy các hạt nước, hoặc đôi lúc vẫn còn mưa lâm râm. Khi ánh sáng mặt trời bị khúc xạ và phản chiếu bởi các hạt nước, cầu vồng bảy sắc sẽ óng ánh xuất hiện trên nền trời.
Vào mùa đông, thời tiết lạnh lẽo và không khí rất hanh khô, hiếm khi xuất hiện những cơn mưa, vì vậy các trận mưa rào ít đi nên không đủ điều kiện để tạo ra cầu vồng.
3. Vì sao cầu vồng có 7 màu sắc?
Cầu vồng là một hiện tượng quang học kỳ diệu và tuyệt đẹp của mẹ thiên nhiên. Ai trong chúng ta cũng đã ít nhất nhìn thấy 1 lần trong đời hiện tượng cầu vòng này. Đó là một nguồn cảm hứng vô tận cho cuộc sống này.
Cầu vồng 7 màu bắt đầu từ hiện tượng khúc xạ ánh sáng qua những giọt nước và tán sắc thành đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím giống như ở lăng kính. Nhưng 7 màu này ở đâu ra? Đó là dãi 7 màu của bước sóng ánh sáng nhìn thấy được phân tách ra từ ánh sáng mặt trời. Thực chất nó không chỉ có 7 màu mà đó là một dãi màu biến thiên với các bước sóng thay đổi ứng với mỗi màu riêng biệt.
4. Vì sao cầu vồng có hình vòng cung?
Theo quy luật vật lý, một tia sáng đi qua một giọt nước sẽ bị chuyển hướng do tính chất khúc xạ của nước, sau đó phản xạ trở lại bởi bề mặt trong giọt nước rồi khúc xạ một lần nữa khi đi ra. Giữa tia đi vào và tia đi ra khỏi giọt nước hình thành một góc khoảng 42 độ. Ánh sáng mặt trời bao gồm các tia có độ dài sóng khác nhau và chúng sẽ bị phân tách khi đi qua giọt nước. Mức độ khúc xạ của các tia này hơi khác nhau. Tia màu tím đi ra khỏi giọt nước ở một góc khoảng 40 độ trong khi tia màu đỏ đi ra ở khoảng 42 độ.
Để nhìn thấy được cầu vồng, tia sáng phản xạ khỏi giọt nước cần phải đến được mắt người quan sát. Mắt không thể nào tiếp nhận được toàn bộ các tia sáng phản xạ từ một giọt nước, nhưng có thể thấy tia màu xanh từ vài giọt này, tia màu đỏ từ vài giọt khác...
Những giọt nước có tia màu đỏ phản xạ về đến được mắt của người quan sát là những giọt nằm trên một hình nón có đỉnh là vị trí quan sát, trục là đường thẳng đi qua mắt và song song với hướng nắng, độ dốc của nón chính là góc mà tia này phản xạ ra khỏi các giọt nước [42 độ]. Tương tự với các màu khác. Như vậy, người quan sát sẽ thấy được các vòng màu, có thứ tự từ ngoài vào trong [góc phản xạ từ lớn tới nhỏ] như sau: đỏ, cam, vàng, lục , lam, chàm nếu đứng trên máy bay hoặc ở một độ cao nhất định.
Cầu vồng không phải một “vật” và nó không tồn tại ở một “địa điểm” cụ thể. Đây là một hiện tượng quang học xuất hiện khi ánh sáng mặt trời và điều kiện khí quyển vừa phải — vị trí của người xem vừa thích hợp để nhìn thấy nó.
Khi nào bạn có thể nhìn thấy cầu vồng?
Cầu vồng cần những giọt nước bay lơ lửng trong không khí. Đó là lý do tại sao chúng ta nhìn thấy chúng ngay sau khi trời mưa.
Mặt trời phải ở trên đường chân trời và không bị che khuất bởi mây, núi hoặc các chướng ngại vật khác.
Mặt trời phải ở khá thấp trên bầu trời. Nếu bạn đang ở cùng độ cao với đường chân trời, độ cao của Mặt trời phải dưới 42 ° để tạo ra cầu vồng có thể được nhìn thấy từ góc nhìn của bạn.
Làm thế nào để cầu vồng hình thành?
Cầu vồng là một hiện tượng quang học bao gồm ba quá trình: phản xạ, tán sắc và khúc xạ.
Phản xạ
Các giọt nước có thể hoạt động giống như những chiếc gương nhỏ. Khi một tia sáng mặt trời chiếu vào một trong những quả cầu nước nhỏ bé này, phần lớn ánh sáng bật ra phía sau và bị phản xạ trở lại. Trong khi trời mưa, không khí chứa đầy những giọt nước tác động vào nhau giống như một bức màn phản chiếu được tạo nên từ hàng triệu tấm gương nhỏ.
Tán sắc
Nhưng ánh sáng mặt trời có màu trắng - vì vậy, nếu các giọt nước phản xạ ánh sáng mặt trời, làm thế nào cầu vồng có nhiều màu như thế? Đây là lúc quá trình thứ hai phát huy tác dụng: phân tán ánh sáng.
Ánh sáng mặt trời tinh khiết có thể có màu trắng đối với chúng ta, nhưng thật sự nó bao gồm tất cả các màu có thể nhìn thấy được. Ngay sau khi một tia sáng mặt trời đi vào giọt nước, nó sẽ bị tách thành các thành phần từ chính nó, lúc đó chúng ta có thể nhìn thấy dưới dạng một dải màu.
Khúc xạ
Khi tia sáng đi vào và thoát ra khỏi giọt nước, hướng của nó cũng bị thay đổi một chút trong quá trình gọi là hiện tượng khúc xạ. Mỗi màu khúc xạ theo một hướng khác nhau một chút, tạo ra dải màu đầy ấn tượng.
Tại sao cầu vồng lại có hình vòng cung?
Cầu vồng đầy đủ thực sự là một vòng tròn hoàn chỉnh, nhưng từ mặt đất chúng ta chỉ nhìn thấy một phần của nó. Từ máy bay, trong điều kiện thích hợp, người ta có thể nhìn thấy toàn bộ cầu vồng hình tròn.
Cầu vồng là một hình ảnh quen thuộc vạch trên nền trời với những cung tròn các dải màu 7 sắc [đỏ, da cam, vàng, xang lục, xanh lam, xanh chàm, tím]. Nó được tạo ra khi ánh sáng kết hợp với những giọt mưa, tuy nhiên có khi nào bạn tự đặt câu hỏi tại sao cầu vồng không phải là những đường thẳng mà lại có hình cong?
Trước khi giải đáp câu hỏi này, bạn cần ghi nhớ một vài điều dưới đây.
Trước tiên, cầu vồng luôn xuất hiện khi Mặt Trời ở phía sau lưng bạn và những giọt mưa rơi xuống trước mặt bạn.
Thứ hai, khi tạo ra cầu vồng - ánh sáng Mặt Trời hiện lên từ nhiều giọt mưa cùng một lúc. Một cầu vồng không phải là một hình ảnh phẳng hai chiều trên vòm trời. Nó giống như một bức tranh khảm, gồm nhiều phần riêng biệt ... trong không gian ba chiều. Tuy nhiên, điều dễ dàng nhận thấy là mắt của bạn nhìn thấy cầu vồng phẳng cũng giống như khi bạn thấy Mặt Trời và Mặt Trăng là những đĩa phẳng, bởi vì, khi nhìn lên bầu trời, không có dấu hiệu thị giác nào khác để chúng ta phân biệt.
Thứ ba, cầu vồng không những nhiều hơn một nửa vòng tròn mà thực sự là toàn bộ vòng tròn. Bạn sẽ không bao giờ có thể nhìn thấy cả một vòng tròn của cầu vồng từ mặt đất bởi sự cản trở của đường chân trời. Nhưng, khi cao lên, ví dụ những người trên máy bay đôi khi nhìn thấy cầu vồng là những vòng tròn kép kín.
Thứ tư, khi trên nền trời xuất hiện cầu vồng ta thường thấy một cầu vồng chính và một cầu vồng phụ. Cầu vồng chính là cung nhỏ, có mầu sắc đậm nét hơn. Cầu vồng phụ thì có mầu sắc mờ nhạt hơn, đồng tâm với cầu vồng chính nhưng lớn hơn. Dải màu của cầu vồng chính từ ngoài vào trong là đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím còn thứ tự màu sắc của cầu vồng phụ thì ngược lại [tức là đỏ ở vành trong cùng và tím ở vành ngoài cùng]. Ngoài ra, có thể còn có một cầu vồng thứ 3 nữa nhưng màu sắc rất mờ nhạt khó có thể nhìn thấy.
Bây giờ chúng ta sẽ đi vào giải thích chi tiết về việc một chiếc cầu vồng được hình thành như thế nào.
Dưới đây là sự trình bày lý thuyết về sự hình thành cầu vồng của Descartes.
Lí thuyết này dựa trên các định luật quang hình. Vòng cung bảy sắc của cầu vồng là kết quả của sự khúc xạ và phản xạ chùm tia Mặt Trời khi chiếu qua các đám mây đang mưa. Khi ánh sáng Mặt Trời chiếu vào mỗi giọt nước trong không trung sẽ bị khúc xạ, phản xạ rồi ló ra ngoài và bị phân tích thành các tia đơn sắc. Mỗi tia này có góc lệch khỏi phương của tia sáng ban đầu khác nhau. Vì thế có tia rơi vào mắt người quan sát, có tia đi qua phía trên, có tia đi qua phía dưới mắt người quan sát. Trong các tia đơn sắc đó có một tia có góc lệch cực trị [mà ở đây là cực tiểu]- gọi là tia De Cartes. Ở xung quanh tia này các tia lân cận gần như song song với nó, nếu rơi vào mắt người sẽ cho người đó thấy ảnh của nguồn sáng.
Trước hết, chúng ta xét sơ đồ khúc xạ và phản xạ của một chùm tia sáng Mặt Trời chiếu qua một giọt nước hình cầu tâm O [hình 1].
Trên hình vẽ, chùm sáng Mặt Trời đi tới giọt nước được biểu thị bằng tia S. Tia sáng S đi vào giọt nước tại điểm M, tạo thành với pháp tuyến bề mặt giọt nước một góc tới i. Từ môi trường không khí vào giọt nước, tia sáng bị khúc xạ với góc khúc xạ r. Tia khúc xạ đi tới mặt phân cách giữa giọt nước và môi trường không khí tại điểm N thì phản xạ và tạo thành góc phản xạ cũng bằng r. Tia phản xạ có thể lại bị phản xạ nhiều lần, ở đây để đơn giản ta giả sử tia này bị phản xạ một lần nữa khi gặp mặt phân cách giữa hai môi trường tại điểm P. Sau đó tia sáng có thể đi ra ngoài môi trường không khí tại điểm Q và trở thành tia khúc xạ R. Tia R tạo thành với pháp tuyến góc khúc xạ i'. Dựa vào các định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng ta có:
i=i' [2.1]
Tia sáng khúc xạ R là tia mắt ta có thể nhìn thấy được và ánh sáng cầu vồng chính là ánh sáng của những tia khúc xạ này. Giữa tia R và tia tới S tạo thành một góc lệch toàn phần γ.
Trên hình vẽ ta nhận thấy sau khi phản xạ lần thứ nhất tại điểm N thì góc lệch hướng giữa tia tới S và tia phản xạ sẽ là:
γ1=[i-r]+[180o-2r] [2.2]
Sau khi phản xạ lần thứ hai tại P, góc lệch hướng giữa tia phản xạ và tia tới S sẽ là:
γ2=γ1+[180o-2r] [2.3]
Tại Q tia sáng không phản xạ nữa mà thoát ra ngoài môi trường không khí, tạo thành tia khúc xạ R. Góc lệch hướng giữa tia tới và tia khúc xạ R là:
γ=γ2+[i'-r] [2.4]
Dựa vào [2.1]; [2.2]; [2.3]; [2.4] ta được:
γ=2[i-r]+2[180o-2r] [2.5]
Từ [2.5] ta thấy góc lệch hướng toàn phần của tia sáng phụ thuộc vào góc tới ban đầu của tia sáng vào số lần tia sáng bị phản xạ bên trong giọt nước. Trong trường hợp chúng ta đã xét, tia sáng chỉ phản xạ có hai lần nên hệ số của biểu thức [180o-2r] là 2. Nếu tia sáng bị phản xạ k lần thì hệ số sẽ là k. Một cách tổng quát, chúng ta có thể viết:
γ=2[i-r]+k[180o-2r] [2.6]
Để cho chùm tia sáng ló ra môi trường không khí có độ sáng cực đại thì chúng phải có độ tập trung cao nhất tức chùm phải gồm các tia song song với nhau. Muốn vậy góc lệch hướng γ của chúng phải xấp xỉ bằng nhau. Những tia như vậy là những tia lân cận với tia Descartes [tia có góc lệch cực tiểu]. Ta tìm góc lệch cực tiểu này từ điều kiện:
Thay γ từ công thức [ 2.6] ta có:
Theo định luật khúc xạ ánh sáng ta có:
sini=nsinr [2.8]
[n là chiết suất đối của môi trường nước so với không khí ]
Đạo hàm hai vế hệ thức trên ta được:
Kết hợp [2.7] với [2.9] ta được
[1+k]cosi=ncosr [2.10]
Kết hợp [2.8] với [2.10] ta được:
cos2i+sin2i+[k2+2k]cos2i=n2
hay
Từ [2.11] ta thấy rằng có thể xác định được góc tới i đối với mỗi loại tia sáng [có chiết suất n riêng trong môi trường nước] để cho góc lệch hướng γ của tia khúc xạ là nhỏ nhất, đảm bảo cho ánh sáng tập trung cao nhất, tạo điều kiện cho ta nhìn được cầu vồng.
Điều kiện để tạo thành cầu vồng chính là các tia sáng phải tập trung mạnh nhất tức là chỉ xạ ít lần nhất trong giọt nước trước khi khúc xạ ra ngoài không khí. Do đó để hình thành cầu vồng chính hệ số k =1. Vậy điều kiện của góc tới i sẽ là:
Trong trường hợp tạo thành cầu vồng phụ, các tia sáng phải phản xạ hai lần trong môi trường giọt nước mới thoát ra ngoài không khí cho nên bị suy yếu đi khá nhiều. Do đó ta nhìn thấy cầu vồng phụ mờ nhạt hơn cầu vồng chính. Trong trường hợp này hệ số k=2. Vậy điều kiện của góc tới i đối với từng loại tia sáng là
Từ các hệ thức [2.12] và [2.13] ta có thể xác định góc tới i đối với các tia Mặt Trời trong điều kiện tạo thành cầu vồng rồi sau đó tính r và γ theo các công thức [2.8] và [2.6].
Chiết suất của tia đỏ trong nước là nđ=1,3318.
Chiết suất của tia tím trong nước là nt=1,34.
Trong trường hợp tạo thành cầu vồng chính ta tính được:
iđ=59o29' γđ=137o42'
it=58o50' γt=139o24'
Mối quan hệ giữa góc lệch hướng γ và góc nhìn bán kính cầu vồng được biểu diễn trên hình 2:
α=180o-γ
Đối với tia đỏ ta có: αđ=180o-137o42'=42o18'
Đối với tia tím ta có: αt=180o-139o24'=40o36'
Như vậy, mắt chúng ta thu được cầu vồng chính với các dải màu hình vòng cung có bán kính góc nằm trong khoảng từ 42o18'-40o36'=1o42' với cung màu tím nằm ở viền phía trong, cung màu đỏ nằm ở viền phía ngoài của cầu vồng. Độ rộng bản của cầu vồng chính là 1o42' song trong thực tế đĩa Mặt Trời không phải là một điểm mà có đường kính góc bằng 32' nên độ rộng trên phải cộng thêm 32' nữa và màu sắc cũng bị chồng chất lên nhau một phần.
Hoàn toàn tương tự như trên, ta có thể tính được bán kính góc của cầu vồng phụ và sẽ thu được αđ=50o40', αt=53o36'.
Như vậy, do bán kính góc của cầu vồng chính nằm trong khoảng từ 42o18' tới 40o36' nên khi Mặt Trời ở trên cao hơn 42o18' thì chúng ta không thể nhìn thấy cầu vồng chính nữa vì lúc này điểm đối nhật-tâm của các cầu vồng đã nằm sâu dưới chân trời một góc cũng bằng 42o18'. Cũng tương tự với cầu vòng phụ, khi Mặt Trời lên quá 53o36' thì không còn khả năng thấy cầu vồng phụ xuất hiện. Và muốn nhìn thấy cả hai cầu vồng chính và phụ nếu Mặt Trời có độ cao trên chân trời nhỏ hơn 40o36’.
Giữa cầu vồng chính và cầu vồng phụ là khoảng tối hơn. Có khi trong khoảng tối này ta thấy những vạch nhỏ, thanh mảnh có màu sắc. Đó là kết quả của sự nhiễu xạ và giao thoa ánh sáng.
Phạm Thị Lý
Page 2
THIÊN VĂN VIỆT NAM - VACA
Vietnam Astronomy and Cosmology Association
Page 1 of 4
- Start
- Trang trước
- 1
- 2
- 3
- 4
- Trang sau
- End