Cầu vồng xuất hiện khi ánh nắng chiếu vào những giọt mưa ở phía đối diện mặt trời: ánh sáng đi vào giọt nước, bị khúc xạ, phản xạ một lần ở mặt sau rồi đi ra, tách thành các màu, tụ lại thành vòng cung có bán kính khoảng 42 độ quanh điểm đối nhật — điểm ngay sau bóng đầu bạn. Vì vậy bạn chỉ thấy cầu vồng khi đứng quay lưng về phía mặt trời, và mặt trời phải thấp hơn khoảng 42 độ so với chân trời.
Cầu vồng chỉ là một trong cả họ hiện tượng quang học trên bầu trời. Những thứ còn lại — quầng, mặt trời giả, vầng hào quang quanh bóng máy bay — hiếm người để ý, dù chúng xuất hiện khá thường.
Vì sao cầu vồng cong và luôn ở góc 42 độ
Người giải thích đúng hình học của cầu vồng là René Descartes, trong phần Les Météores in kèm cuốn Discours de la méthode năm 1637. Ông lấy một quả cầu thủy tinh đựng nước làm mô hình giọt mưa, đo góc tia sáng đi ra và tính được rằng ánh sáng tụ dày nhất ở khoảng 42 độ. Trước ông, nhà khoa học Ba Tư Kamāl al-Dīn al-Fārisī và tu sĩ người Đức Theodoric xứ Freiberg, khoảng đầu thế kỷ 14, đã độc lập dùng quả cầu nước để đi tới ý tưởng tương tự.
Phần màu sắc phải chờ Isaac Newton, người cho thấy ánh sáng trắng gồm nhiều màu bị khúc xạ khác nhau: đỏ lệch ít nhất, tím lệch nhiều nhất. Mỗi màu tụ ở một góc hơi khác — đỏ khoảng 42 độ, tím khoảng 40 độ — nên vòng ngoài đỏ, vòng trong tím.
Mọi giọt mưa nằm trên mặt nón 42 độ quanh trục từ mặt trời qua mắt bạn đều gửi ánh sáng về mắt bạn. Mặt nón cắt bức màn mưa thành một vòng tròn. Mặt đất che nửa dưới, nên ta thấy một vòng cung. Hai người đứng cạnh nhau thực ra nhìn hai cầu vồng khác nhau, do hai tập giọt mưa khác nhau tạo ra.
Cầu vồng kép và dải tối Alexander
Khi ánh sáng phản xạ hai lần trong giọt nước, nó tạo cầu vồng thứ hai ở khoảng 51 độ, mờ hơn và thứ tự màu đảo ngược: đỏ ở trong, tím ở ngoài. Giữa hai cầu vồng, bầu trời tối hơn hẳn — gọi là dải tối Alexander, theo tên nhà triết học Hy Lạp Alexander xứ Aphrodisias, người mô tả nó khoảng năm 200.
Bên trong cầu vồng chính, trời lại sáng hơn bên ngoài, vì giọt nước gửi ánh sáng về mọi góc nhỏ hơn 42 độ chứ không chỉ đúng 42 độ. Đôi khi ở mép trong cầu vồng có thêm vài dải màu hồng, xanh nhạt lặp lại — đó là cung phụ (supernumerary bow). Quang học tia sáng của Descartes và Newton không giải thích được chúng; phải tới đầu thế kỷ 19, Thomas Young dùng tính chất sóng của ánh sáng — giao thoa — mới giải thích được. Cung phụ rõ nhất khi giọt mưa nhỏ và đều nhau.
Nhìn cầu vồng từ máy bay
Đứng trên đất, mặt đất cắt mất nửa vòng. Ở trên cao nhìn xuống màn mưa, hoặc nhìn từ cửa sổ máy bay khi mặt trời ở phía bên kia, bạn có thể thấy cầu vồng tròn trọn vẹn. Phi công và người nhảy dù kể về những vòng cầu vồng nằm trên mây mưa bên dưới.
Vầng hào quang quanh bóng máy bay
Hiện tượng hành khách ngồi cửa sổ hay bắt gặp hơn là vầng hào quang (glory): những vòng màu nhỏ đồng tâm bao quanh bóng máy bay in trên lớp mây bên dưới, ngay điểm đối nhật. Vòng này nhỏ hơn cầu vồng nhiều, thường chỉ vài độ, và đi theo bóng máy bay suốt khi bay trên mây.
Trên núi, người leo núi đứng trên đỉnh, mặt trời sau lưng, mây sương trước mặt, thấy bóng mình phóng to trên mây kèm vòng hào quang — gọi là bóng ma Brocken, theo tên đỉnh Brocken ở Đức nơi hiện tượng được mô tả nhiều. Vầng hào quang khác cầu vồng ở cơ chế: nó do nhiễu xạ và tán xạ ngược trên giọt nước rất nhỏ, đều nhau, và giới vật lý mất rất lâu mới giải thích đầy đủ.
Họ hàng của cầu vồng: hiện tượng do tinh thể băng
Cầu vồng cần giọt nước. Một nhóm hiện tượng khác cần tinh thể băng lục giác trong mây ti và ti tầng, hoạt động như hàng triệu lăng kính nhỏ.
| Hiện tượng | Ở đâu trên trời | Do gì | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Quầng 22 độ | Vòng tròn quanh mặt trời hoặc mặt trăng | Tinh thể băng hướng ngẫu nhiên | Mép trong hơi đỏ; quầng mặt trăng thường trắng |
| Mặt trời giả | Hai đốm sáng hai bên mặt trời, cách khoảng 22 độ | Tinh thể dạng tấm nằm ngang | Rõ nhất khi mặt trời thấp |
| Cung tiếp tuyến trên | Hình chữ V hoặc cung ở đỉnh quầng | Tinh thể dạng cột nằm ngang | Thường đi kèm quầng 22 độ |
| Cung chân trời (circumhorizontal arc) | Dải màu nằm ngang, thấp dưới mặt trời | Tinh thể dạng tấm | Chỉ có khi mặt trời cao trên khoảng 58 độ, nên hay gặp buổi trưa mùa hè ở vùng nhiệt đới |
| Cung quanh thiên đỉnh | Cung màu như "nụ cười" ở cao trên đỉnh trời | Tinh thể dạng tấm | Chỉ có khi mặt trời thấp dưới khoảng 32 độ |
Cung chân trời hay được mạng xã hội gọi là "cầu vồng lửa", dù chẳng liên quan gì tới lửa hay cầu vồng. Ở Việt Nam, buổi trưa những ngày có mây ti mỏng vào mùa hè là thời điểm có thể bắt gặp nó.
Ông bà ta có câu "Trăng quầng thì hạn, trăng tán thì mưa". Cách hiểu thường gặp: quầng là vòng lớn do tinh thể băng ở tầng cao, tán là vòng màu nhỏ sát mặt trăng do giọt nước trong mây thấp hơn (khí tượng gọi là vành nhật hoa, corona). Đây là kinh nghiệm dân gian, có khi đúng có khi sai, không nên coi là dự báo.
Màu của chính bầu trời
Bầu trời xanh vì không khí tán xạ ánh sáng bước sóng ngắn mạnh hơn nhiều so với bước sóng dài — hiện tượng tán xạ Rayleigh, theo tên nhà vật lý Anh Lord Rayleigh, người đưa ra công thức vào cuối thế kỷ 19. Màu tím bị tán xạ mạnh hơn cả màu xanh, nhưng mặt trời phát ít tím hơn và mắt người kém nhạy với tím, nên ta thấy xanh.
Lúc bình minh và hoàng hôn, ánh sáng đi qua lớp khí quyển dày hơn nhiều lần, phần xanh bị tán xạ đi gần hết trên đường, chỉ còn đỏ, cam tới mắt. Bụi, khói, tro núi lửa trong khí quyển làm ráng chiều đỏ đậm hơn. Sau vụ phun trào Krakatoa năm 1883 ở Indonesia, ráng chiều rực đỏ bất thường được ghi nhận ở nhiều nơi trên thế giới trong nhiều tháng.
Tia chớp xanh lúc mặt trời lặn
Ở mép mặt trời đang lặn trên mặt biển phẳng, đôi khi có một chớp sáng màu xanh lục kéo dài một hai giây. Đó là "tia chớp xanh" (green flash), do khí quyển khúc xạ các màu khác nhau một chút, làm ảnh xanh của mặt trời nằm cao hơn ảnh đỏ một chút. Cần chân trời thật xa và không khí trong. Phi công bay về phía tây lúc hoàng hôn đôi khi thấy nó kéo dài hơn, vì máy bay đuổi theo mặt trời.
Góc nhìn hôm nay: săn hiện tượng quang học
- Cầu vồng: sau cơn mưa rào buổi chiều hoặc sáng sớm, khi mưa còn ở phía đối diện mặt trời. Ở Nam Bộ mùa mưa, những cơn mưa chiều ngắn rồi nắng lại là thời điểm lý tưởng. Muốn tự tạo: đứng quay lưng về phía mặt trời, phun vòi nước thành sương mịn.
- Quầng 22 độ: ngày có màn mây ti tầng mỏng. Che mặt trời bằng một vật (cột điện, mái nhà) để đỡ chói rồi nhìn quanh. Bàn tay xoè thẳng ra, từ ngón cái tới ngón út, che khoảng 20 độ — đủ để ước lượng.
- Vầng hào quang: chọn ghế cửa sổ ở phía không có nắng chiếu vào, khi máy bay bay trên mây, nhìn xuống tìm bóng máy bay.
- Đeo kính râm phân cực và xoay đầu khi nhìn cầu vồng: ánh sáng cầu vồng bị phân cực mạnh, nên ở một số góc xoay, một phần cầu vồng mờ hẳn đi. Đây là thí nghiệm nhỏ ai cũng làm được.
- Đọc thêm: trang Atmospheric Optics (atoptics.co.uk) của Les Cowley có ảnh và mô phỏng gần như mọi hiện tượng quang học khí quyển đã biết.
Không bao giờ nhìn thẳng vào mặt trời, kể cả khi săn quầng hay mặt trời giả — luôn che nó đi trước.
Câu hỏi thường gặp
Cầu vồng có mấy màu?
Cầu vồng là dải màu liên tục, không có ranh giới rõ giữa các màu. Con số bảy màu (đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím) là cách chia của Isaac Newton, người muốn ghép với bảy nốt nhạc. Nhiều nền văn hoá khác chia thành năm hoặc sáu màu.
Vì sao cầu vồng hay có vào buổi chiều?
Muốn thấy cầu vồng, mặt trời phải thấp hơn khoảng 42 độ và có mưa ở phía đối diện. Ở vùng nhiệt đới, mưa rào thường xảy ra chiều muộn, khi mặt trời đã xuống thấp ở phía tây, nên cầu vồng hay hiện ở phía đông. Buổi trưa mặt trời quá cao nên không có cầu vồng.
Có đi tới được chân cầu vồng không?
Không. Cầu vồng không phải vật thể ở một chỗ, mà là ánh sáng từ những giọt mưa nằm ở đúng góc so với mắt bạn. Bạn di chuyển thì tập giọt mưa đó thay đổi theo, cầu vồng luôn lùi xa.
Quầng mặt trời là gì?
Quầng mặt trời là vòng sáng bán kính khoảng 22 độ quanh mặt trời, do ánh sáng khúc xạ qua tinh thể băng lục giác trong mây ti tầng ở tầng cao. Nó khá phổ biến, nhiều người chỉ chưa để ý vì không dám nhìn gần mặt trời.
Vầng tròn màu quanh bóng máy bay trên mây là gì?
Đó là vầng hào quang (glory), do ánh sáng bị nhiễu xạ và tán xạ ngược trên những giọt nước rất nhỏ trong mây. Nó luôn xuất hiện ngay ở điểm đối nhật, tức quanh bóng của chính người quan sát, nên từ máy bay ta thấy nó bao quanh bóng máy bay.
