Vì sao Mặt trời buổi trưa có màu trắng?

Trong tiềm thức của hầu hết chúng ta, từ những bức tranh sáp màu của trẻ nhỏ cho đến các biểu tượng đồ họa, Mặt trời luôn được mặc định gắn liền với sắc vàng ươm, cam rực rỡ hay đỏ rực. Tuy nhiên, nếu bạn vô tình ngước nhìn lên bầu trời vào lúc 12 giờ trưa những ngày quang mây, bạn sẽ nhận ra một sự thật vật lý vô cùng rõ ràng: Mặt trời là một quả cầu ánh sáng màu trắng chói lòa.

Vì sao Mặt trời có màu trắng vào buổi trưa?

Sự chênh lệch giữa nhận thức văn hóa và thực tế quan sát này không phải là một sự ngẫu nhiên. Đứng ở góc độ vật lý thiên văn và quang học, việc Mặt trời có màu trắng vào buổi trưa là minh chứng tuyệt vời cho sự tương tác giữa ánh sáng vũ trụ và lớp màng bảo vệ của Trái đất.

Để hiểu vì sao Mặt trời có màu trắng vào buổi trưa, trước tiên chúng ta cần định hình lại màu sắc thực sự của nó. Nếu bạn có cơ hội đứng trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS), nơi không có bầu khí quyển bao bọc, và nhìn về phía Mặt trời, bạn sẽ thấy một ngôi sao phát ra ánh sáng trắng tinh khiết.

Mặt trời là ngôi sao đang trong giai đoạn cháy ổn định, với nhiệt độ bề mặt xấp xỉ 5.500 độ C. Dựa trên Định luật bức xạ của Planck, một vật thể ở mức nhiệt độ này sẽ phát ra các photon ánh sáng bao trùm toàn bộ quang phổ mà mắt người có thể nhìn thấy từ đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm đến tím.

Dù quang phổ của Mặt trời đạt đỉnh ở vùng ánh sáng màu xanh lục nhưng khi tất cả các bước sóng ánh sáng này hội tụ lại và cùng lúc tác động vào võng mạc, bộ não con người sẽ tổng hợp và nhận diện chúng thành ánh sáng trắng cường độ cao.

Hiện tượng quầng Mặt trời tại Trung Quốc, mọi người cũng có thể nhìn thấy màu trắng. (Ảnh: ECNS)

Vậy, lý do gì khiến ánh sáng trắng này bị biến đổi khi chạm đến đôi mắt của những sinh vật dưới mặt đất? Câu trả lời nằm ở bộ lọc khổng lồ mang tên bầu khí quyển.

Ánh sáng từ Mặt trời phải vượt qua khoảng 150 triệu km trong môi trường chân không tuyệt đối của vũ trụ trước khi chạm đến màng khí quyển Trái đất. Khí quyển của chúng ta chứa đầy các phân tử khí, chủ yếu là nitơ và oxy. Khi các hạt photon ánh sáng va chạm với các phân tử khí này, một hiện tượng quang học kinh điển xảy ra, hiện tượng tán xạ Rayleigh.

Nguyên lý tán xạ Rayleigh chỉ ra rằng, các bước sóng ánh sáng ngắn như tia lam, chàm, tím sẽ bị các phân tử khí khuếch tán, bật nảy ra mọi hướng mạnh hơn rất nhiều so với các bước sóng ánh sáng dài như tia đỏ, cam, vàng. Sự tán xạ ồ ạt của các tia sáng ngắn này chính là lý do khiến bầu trời của chúng ta có màu xanh lơ tuyệt đẹp vào ban ngày.

Trở lại với câu hỏi cốt lõi: Vì sao vào buổi trưa, sự tán xạ này lại không làm Mặt trời đổi màu mà vẫn giữ nguyên sắc trắng? Điểm mấu chốt nằm ở độ dày của lớp khí quyển mà ánh sáng phải đi qua. Vào khoảng giữa trưa, Mặt trời di chuyển đến vị trí cao nhất trên bầu trời, gọi là góc chiếu thiên đỉnh. Lúc này, các tia sáng chiếu thẳng góc 90 độ xuống mặt đất. Đây là quãng đường ngắn nhất mà ánh sáng phải xuyên qua lớp màng khí quyển.

Vì quãng đường đi xuyên qua khí quyển quá ngắn, mức độ tán xạ Rayleigh diễn ra ở mức tối thiểu. Dù một phần ánh sáng xanh đã bị tán xạ ra xung quanh để tạo nên bầu trời xanh, nhưng lượng ánh sáng xanh còn lại, cùng với toàn bộ các bước sóng đỏ, cam, vàng, lục... vẫn dồi dào và cùng nhau truyền thẳng đến mắt người quan sát.

Sự kết hợp đầy đủ và mạnh mẽ của tất cả các dải màu quang phổ khiến bộ não chúng ta tiếp tục nhận diện Mặt Trời là một khối cầu màu trắng chói lóa, mang đúng bản chất nguyên sơ của nó khi ở ngoài không gian.

Để củng cố cho nguyên lý trên, chúng ta có thể nhìn vào sự thay đổi màu sắc của Mặt trời lúc bình minh hay hoàng hôn. Vào sáng sớm hoặc chiều muộn, Mặt trời nằm sát đường chân trời. Ánh sáng chiếu đến mắt người quan sát theo một góc xiên cực kỳ hẹp. Ở góc độ này, ánh sáng phải đi qua một lớp không khí dày hơn rất nhiều (gấp hàng chục lần) so với lúc 12 giờ trưa.

Chính vì quãng đường di chuyển quá dài, toàn bộ các bước sóng ngắn (xanh, tím) đã bị tán xạ và triệt tiêu hoàn toàn ra không gian xung quanh trước khi kịp chạm đến mắt người. Lớp khí quyển lúc này đóng vai trò như một bộ lọc siêu dày, chỉ cho phép các bước sóng dài có sức đâm xuyên mạnh nhất (như đỏ, cam, vàng) đi qua. Đó là lý do vầng thái dương lúc hoàng hôn luôn rực rỡ sắc đỏ cam đầy lãng mạn.

Hơn nữa, đây cũng là những khoảnh khắc duy nhất trong ngày cường độ ánh sáng yếu đi đủ để mắt người có thể nhìn thẳng vào Mặt trời mà không bị chói. Sự ghi dấu ấn thị giác vào những thời điểm này đã ăn sâu vào nhận thức của nhân loại, khiến chúng ta luôn gán ghép màu vàng đỏ cho biểu tượng của Mặt trời.

Tuyệt đồi không nền nhìn thẳng vào Mặt Trời vào giữa trưa bằng mắt thường. (Ảnh: SN)

Vì sao không nên nhìn thẳng vào Mặt trời giữa trưa?

Dù khoa học đã chứng minh sự thú vị của hiện tượng quang học vào buổi trưa, giới chuyên gia y khoa, đặc biệt là các bác sĩ nhãn khoa, đưa ra một nguyên tắc, tuyệt đối không được nhìn trực tiếp vào Mặt trời màu trắng lúc giữa trưa bằng mắt thường.

Vào thời điểm này, không chỉ ánh sáng khả kiến đạt cường độ cực đại, mà lượng tia cực tím (tia UV) xuyên qua khí quyển cũng ở mức cao nhất. Việc nhìn trực tiếp vào khối ánh sáng trắng này, dù chỉ trong vài giây, có thể gây ra hiện tượng bỏng giác mạc hoặc phá hủy vĩnh viễn các tế bào cảm quang ở võng mạc, dẫn đến mù lòa.

Màu trắng chói lòa của Mặt trời lúc giữa trưa không chỉ là một hiện tượng tự nhiên thông thường. Nó là sự xác nhận chân thực nhất về bản chất của một ngôi sao rực lửa trong vũ trụ, đồng thời phô diễn sự kỳ diệu của lớp màng khí quyển, chiếc lăng kính khổng lồ đang ngày đêm bảo vệ và định hình cái nhìn của con người về thế giới xung quanh.