Chùm tia xanh

16

Chùm tia xanh

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
L. V. TARASOV

Đôi khi khi mặt trời lặn, bạn có thể quan sát thấy một hiện tượng đáng kinh ngạc - cái gọi là tia xanh. Khi gần như toàn bộ đĩa mặt trời đã biến mất ngoài đường chân trời, một luồng sáng xanh lục đột ngột lóe lên trong vài giây. Rìa mặt trời bỗng chốc chuyển từ màu vàng đỏ sang màu xanh lục tươi sáng, những tia sáng màu xanh lục uốn cong theo mọi hướng. Giây, hai, ba…, và màu chín đầy màu sắc đột nhiên biến mất. Tia màu xanh lá cây có nhiều khả năng được nhìn thấy nhất vào buổi tối khi mặt trời chiếu sáng rực rỡ cho đến khi mặt trời lặn và hầu như không đổi màu, vẫn giữ nguyên màu vàng hoặc trong trường hợp nghiêm trọng là màu hơi vàng. Nhà thiên văn học Liên Xô G. A. Tikhov đã nghiên cứu hiện tượng đáng kinh ngạc này trong nhiều năm. Đây là những gì anh ấy viết:
“Nếu mặt trời lúc hoàng hôn có màu đỏ và dễ nhìn thì bạn có thể nói như một món quà lưu niệm rằng sẽ không có tia xanh. Ngược lại, nếu mặt trời không thay đổi nhiều màu trắng vàng và đang lặn, thì chúng ta có thể cho rằng một tia màu xanh lục sẽ xuất hiện. Điều quan trọng là đường chân trời phải có đường rõ ràng, không có bất thường: những khu rừng, tòa nhà gần đó, v.v. Những điều kiện này dễ đạt được nhất trên biển, đó là lý do tại sao tia xanh được các tàu thuyền biển biết rõ.”
Tính chất vật lý của chùm tia xanh dựa trên ba hiệu ứng: 1) hiệu quả chặn tia sáng trong môi trường không đồng nhất về mặt quang học (trong trường hợp này là bầu khí quyển của trái đất), 2) sự phụ thuộc của mức độ chặn tia vào bước sóng, 3) sự phân tán ánh sáng trong khí quyển (chính xác hơn là sự suy yếu hiệu quả của ánh sáng trong một bầu không khí đủ sạch và đủ khả năng). Chúng tôi dạy từng hiệu ứng này - đầu tiên là hiệu ứng đầu tiên, sau đó là những hiệu ứng tiếp theo.

Người ta biết rằng, khi đi qua bầu khí quyển, một chùm ánh sáng bị bẻ cong và do đó quỹ đạo của nó luôn lồi về phía những vùng ít đậm đặc hơn của không khí. Vì lý do này, chúng ta thấy đĩa mặt trời đang lắp đặt hơi dẹt theo chiều dọc; đường kính thẳng đứng của nó có thể nhìn thấy được ở một góc 26′, nhỏ hơn 6′ so với kích thước góc của đường kính ngang. Điều này là do mật độ không khí trong khí quyển giảm theo độ cao, dẫn đến sự bẻ cong tương ứng của các tia (gọi là hiện tượng khúc xạ ánh sáng trong khí quyển). Khi chiêm ngưỡng đĩa mặt trời trên bờ biển, chúng ta thấy các đường ngang chạm vào mép dưới của ngôi sao như thế nào, chúng ta thường không nhận ra rằng trên thực tế tại thời điểm này, mép này của ngôi sao nằm dưới các đường ngang 2°35′ (có nghĩa là toàn bộ đĩa mặt trời nằm sâu bên dưới đường chân trời). Độ lớn 2°35′

17

bao gồm hai thuật ngữ: 2° được giải thích bởi thực tế là ánh sáng từ Mặt trời đến Trái đất truyền đi hơn 8 phút một chút; nhưng 35′ gắn liền với sự khúc xạ ánh sáng trong khí quyển. Lưu ý rằng do khúc xạ, cạnh trên của đĩa mặt trời “nâng lên” ít hơn - không phải 35′ mà chỉ 29′ (khúc xạ giảm khi chiều cao của vật thể so với đường chân trời tăng lên). Đó là lý do tại sao mặt trời lặn và mỗi mặt trời được quan sát hơi dẹt. Ở trên xuất hiện hình 1, trong đó A là người quan sát, AB là đường chân trời. (Về vấn đề này, chúng tôi khuyên bạn nên đọc bài viết của A. A. Mikhailov “Khi ngày bằng đêm”, xuất bản trên «Kvant» Số 6 năm 1980.) Ảo ảnh cũng được giải thích bằng sự khúc xạ ánh sáng trong khí quyển (xem bài viết của G. I. Grineva và G. V. Rosenberg “Những vấn đề và sự tiếp diễn của các nàng tiên Morgana” trong «Kvant» Số 8 năm 1984).

Hơn nữa, cần lưu ý rằng bước sóng ánh sáng càng ngắn thì nó càng bị khúc xạ nhiều. Đây là cơ sở để phân tích quang phổ của ánh sáng trong các đặc điểm. Hiệu ứng này làm cho tia xanh lục bị khúc xạ trong khí quyển mạnh hơn tia đỏ. Để đơn giản, hãy chỉ có hai màu trong quang phổ của ánh sáng mặt trời - xanh lá cây và đỏ; Đĩa mặt trời “trắng” có thể được xem xét trong trường hợp này dưới dạng các đĩa màu xanh lá cây và màu đỏ xếp chồng lên nhau. Sự khúc xạ ánh sáng trong khí quyển nâng đĩa xanh lên phía trên đường chân trời ở mức độ lớn hơn đĩa đỏ.

Kết quả có thể quan sát được là nhìn thấy mặt trời lặn như được hiển thị ở góc trên bên phải ở hình 2. Mép trên của đĩa sẽ có màu xanh lục và cạnh dưới màu đỏ; ở phần trung tâm của đĩa, các màu hiện có được quan sát (sẽ quan sát thấy màu “trắng”).

Hình ảnh được mô tả chỉ đúng nếu bầu khí quyển không tán xạ ánh sáng. Tuy nhiên, trong thực tế, nó làm tiêu tan nó. Điều này dẫn đến thực tế là từ chùm ánh sáng phát ra từ mặt trời, các tia có bước sóng ngắn hơn sẽ bị loại bỏ một cách hiệu quả nhất (định luật tán xạ do Rayleigh thiết lập: cường độ ánh sáng tán xạ tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc 4 của bước sóng ánh sáng). Do đó, chúng ta không nhìn thấy vành ở phía trên đĩa và toàn bộ đĩa mặt trời sẽ không có màu trắng mà có màu đỏ.

Nhưng hãy tưởng tượng rằng gần như toàn bộ đĩa mặt trời đã biến mất sau đường chân trời, do đó chỉ còn lại phần rìa trên của nó. Và mặc dù thời tiết trong xanh, tĩnh lặng, không khí trong lành nên độ phân tán ánh sáng trong khí quyển tương đối nhỏ. Trong trường hợp này, chúng ta có thể nhìn thấy rìa màu xanh lục sáng của mặt trời cùng với các tia màu xanh lục của Nga.