Tại sao Bầu trời và đại dương đều có màu xanh lam: Giải thích của khoa học

Bầu trời màu xanh lam. Các đại dương có màu xanh lam. Khoa học có thể giải thích cả hai điều đó, nhưng mỗi thứ có màu xanh lam là do các nguyên nhân hoàn toàn khác nhau.

• Hầu hết chúng ta, khi biết rằng bầu trời và đại dương có màu xanh lam, đều cho rằng "bên này có màu xanh lam vì nó phản chiếu bên kia". Điều đó là sai.
• Bầu trời có màu xanh do cách hoạt động của tán xạ khí quyển, ánh sáng xanh lam được truyền đến chúng ta dễ dàng hơn ánh sáng đỏ, khiến màu xanh lam đến được với mắt chúng ta.
• Trong khi đó, các đại dương lại hấp thụ một số màu sắc dễ dàng hơn những màu khác, vì vậy khi xuống càng sâu, thì ánh sáng xanh lam là màu cuối cùng còn lại.

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:

• ánh sáng mặt trời có màu xanh lam,
• bản thân ôxy là một chất khí có màu xanh lam,
• hoặc bầu trời phản chiếu màu xanh của các đại dương.

Mặc dù không câu trả lời nào trong số đó là đúng, nhưng nó cũng cho thấy sự nỗ lực của con người để giải thích một hiện tượng: tại sao các đại dương lại có màu xanh lam?

Khi nhìn từ không gian, Trái đất thường được nhìn thấy là một chấm màu xanh lam nhạt, nhưng đó chỉ là các thể lỏng của nước ⁠— đại dương chiếm đa số diện tích bề mặt của 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, cho thấy hình ảnh tổng thể của hành tinh của chúng ta khi nhìn từ không gian.

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 hiển nhiên. 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.

Tại sao bầu trời có màu xanh lam?

Khi Mặt trời ở trên cao, bầu trời ở phía trên có màu xanh lam đậm hơn nhiều, trong khi bầu trời ở phía chân trời có màu lục lam nhạt hơn, sáng hơn. Điều này là do lượng khí quyển lớn hơn và lượng ánh sáng tán xạ lớn hơn. (Ảnh: pxfuel)

Trái ngược với những gì chúng ta suy nghĩ, không có một nhân tố nào chịu trách nhiệm cho bầu trời của Trái đất có màu xanh lam.

Không phải bầu trời có màu xanh lam là 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.

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 độ nhạy của mắt chúng ta hoàn toàn có: chúng ta không nhìn thấy thực tại 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 chúng ta thấy bầu trời có màu xanh lam.

Hình ảnh động dưởi đây biểu thị giản đồ của một chùm ánh sáng liên tục được phân tán qua một lăng kính. Nếu bạn có kính xem tia cực tím và hồng ngoại, bạn sẽ có thể thấy rằng ánh sáng tử ngoại bị bẻ cong nhiều hơn ánh sáng tím / xanh lam, trong khi ánh sáng hồng ngoại sẽ ít bị bẻ cong hơn ánh sáng đỏ.

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. 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 cho phép ánh sáng nhìn thấy bước sóng ngắn vào và ra, nhưng nó vẫn giữ cho ánh sáng vi sóng có bước sóng dài hơn phản xạ ánh sáng đó. Các lớp phủ mỏng trên kính râm 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 mạnh 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. (Hình 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 phía khác của tầm nhìn. Đây là lý do tại sao, trong các buổi 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 thì bị tán xạ mất 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 cản lại. (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 của chúng ta. 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 chúng ta. 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 tán xạ hơn, có nghĩa là nó có đường dẫn trực tiếp hơn đến mắt chúng ta. Nếu ai đã từng lên máy bay sau khi mặt trời lặn hoặc trước khi mặt trời mọc, thì có thể có được một khung cảnh ngoạn mục của hiệu ứng này.

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 người có ba loại tế bào hình nón (để phát hiện màu sắc), cùng với các tế bào hình que đơn sắc, nên các tín hiệu từ cả bốn loại này cần được não 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 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.

Hình ảnh nhìn thấy Trái đất bằng mắt thường, từ Mặt trăng. Apollo 8, thực hiện vào tháng 12 năm 1968, là một trong những sứ mệnh đầu tiên 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. (Hình ảnh: NASA / Apollo 8)

Tại sao đại dương có màu xanh lam?

Mặt khác, các đại dương lại là một câu chuyện hoàn toàn khác. Nếu bạn nhìn toàn bộ hành tinh, từ ngoài không gian, bạn sẽ nhận thấy rằng các vùng nước mà chúng ta nhìn thấy không phải là một màu xanh đồng nhất, mà thay đổi độ đậm nhạt 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.

Các đại dương trên Trái đất có màu xanh lam, nhưng ở nơi nông hơn, chúng có màu xanh lam nhạt hơn so với ở những nơi sâu nhất của đại dương. Đây là một hiện tượng thực tế mô tả chi tiết sự khác biệt giữa những gì được hấp thụ và phản xạ bởi chính đại dương ở các độ sâu khác nhau. (Hình ảnh: NASA / NOAA / GSFC / Suomi NPP / VIIRS / Norman Kuring)

Chúng ta có thể thử lặn xuống dưới bề mặt nước và ghi lại những gì nhìn thấy. Khi chụp ảnh dưới nước trong ánh sáng tự nhiên - tức là không có bất kỳ nguồn ánh sáng nhân tạo nào - chúng ta có thể thấy ngay rằng mọi thứ đều có màu hơi xanh.

Càng xuống sâu, khi chúng ta đạt đến độ sâu 30 mét, 100 mét, 200 mét và hơn thế nữa, mọi thứ sẽ thấy càng xanh hơn. Điều này rất có ý nghĩa, 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, hình ảnh vật lý của hiện tượng tán xạ có một chút khác biệt.

Nếu bạn đi xuống một vùng nước chỉ có môi trường được chiếu sáng bằng ánh sáng mặt trời tự nhiên từ trên cao, bạn sẽ thấy rằng mọi thứ có màu hơi xanh, vì ánh sáng đỏ bị hấp thụ đi hoàn toàn. (Ảnh: shanerkidwell / Pixabay)

Thay vì tán xạ, vai trò chính của khí quyển khi ánh sáng đi qua nó, nước lại 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 cực tím và ánh sáng nhìn thấy màu đỏ nhất.

Điều này có nghĩa là nếu bạn đi xuống độ sâu vừa phải, bạn sẽ không bị Mặt trời làm nóng 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 hấp thụ đi. Đi xuống sâu hơn một chút, thì những ánh sáng màu 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 cũng sẽ bị biến mất. Ngay cả khi xuống sâu hơn, màu xanh cũng sẽ bị hấp thụ, chỉ để lại ánh sáng xanh mờ có thể quan sát được. (Hình ảnh: Dennis Jarvis / flickr)

Sau đó, màu vàng, xanh và violet bắt đầu bị hấp thụ đi. Khi chúng ta đi xuống độ sâu nhiều km, cuối cùng thì ánh sáng màu xanh dương cũng biến mất, đó là lần hấp thụ ánh sáng cuối cùng của nước biển.

Đây là lý do tại sao ở nơi có độ sâu sâu nhất của đại dương thì chỉ còn lại màu xanh đậm: bởi vì tất cả các bước sóng khác đều đã 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 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!

Hình ảnh tổng hợp hai bán cầu của dữ liệu Máy đo quang phổ có độ phân giải vừa phải (MODIS), được lấy vào năm 2001 và 2002. Lưu ý rằng chính đại dương của chúng ta, không phải bầu trời mà chỉ riêng đại dương của chúng ta, mang lại cho hành tinh của chúng ta vẻ ngoài màu xanh lam từ không gian. (Hình ảnh: NASA / MODIS / Blue Marble)

Bầu trời và đại dương cùng có màu xanh lam, nhưng lý do thì khác nhau

Bầu trời và đại dương không phải có màu xanh lam do chúng phản xạ màu của nhau. Màu xanh lam của mỗi thứ là do những nguyên nhân hoàn toàn khác nhau. Nếu đại dương không có màu xanh, thì con người vẫn sẽ nhìn thấy bầu trời màu xanh lam, và nếu bầu trời của chúng ta không có màu xanh làm (nhưng vẫn có nước lỏng trên bề mặt trái đất), thì hành tinh của chúng ta sẽ vẫn có màu xanh lam khi nhìn từ vũ trụ.

Đối với bầu trời, ánh sáng xanh lam từ mặt trời tán xạ dễ dàng hơn và đến với chúng ta là kết quả của ánh sáng mặt trời chiếu vào bầu khí quyển. Đối với các đại dương, ánh sáng nhìn thấy có bước sóng dài hơn được nước hấp thụ dễ dàng hơn, vì vậy chúng càng đi sâu xuống, ánh sáng còn lại càng có màu xanh đậm hơn.

Theo Big Think