Bài giảng Thời tiết khí hậu: Chương 17- Quang học khí quyển

Phần 7 - Các chuyên đề v} phụ lục Ch€ơng 17 quang học khí quyển Hãy t‡ởng t‡ợng bạn đang lái xe trên một xa lộ cao tốc thẳng, hai ln đ‡ờng trong chiều hè nóng d‡ới ánh nắng Mặt Trời. Chiếc xe hơi ở phía tr‡ớc chạy hơi bị chậm khiến bạn liếc sang ln đ‡ờng ng‡ợc chiều v bạn quyết định có thể v‡ợt một cách an ton. Nh‡ng đúng lúc bạn vừa láng sang ln đ‡ờng ng‡ợc chiều thì một xe khác xuất hiện, có vẻ nh‡ không biết từ đâu m ra. Mặc dù bạn rất ngạc nhiên bởi sự xuất hiện bất ngờ của chiếc xe khác, bạn có đủ thời gian để tạt trở lại ln đ‡ờng của mình – chắc l bạn có hơi bực mình một chút, nh‡ng dù sao thì cũng ch‡a có gì tồi tệ lắm. Tuy nhiên, bạn không thể không tự hỏi tại sao bạn lại không nhìn thấy cái xe đó tr‡ớc lúc bạn bắt đầu v‡ợt. Chả lẽ mắt bạn đang bỡn cợt với bạn? Hoặc có thể l tầm nhìn ch‡a hẳn tốt nh‡ bạn đã nghĩ. Câu trả lời đúng nhất l khí quyển đã lm thay đổi đ‡ờng đi của bức xạ nhìn thấy bị phản xạ lại từ chiếc xe ng‡ợc chiều, nên các tia đã đi chệch khỏi mắt bạn, v điều đó đã diễn ra cho tới khi bạn tiến đủ gần tới chiếc xe để ánh sáng có thể gặp đ‡ợc mắt bạn. Đôi khi, khí quyển có thể lm cho các vật thể xuất hiện ở một vị trí khác với nơi chúng thực sự đang ở hoặc thậm chí thay đổi hon ton sự hiện diện của chúng. Ch‡ơng cuối cùng ny sẽ mô tả các quá trình m nhờ đó khí quyển ảnh h‡ớng tới đ‡ờng đi của bức xạ nhìn thấy khi bức xạ đi qua khí quyển v những hình ảnh kết quả m chúng ta thấy. Chúng ta gọi tất cả những chủ đề đó l quang học khí quyển. Các hiệu ứng không khí sạch Trong ch‡ơng 3, chúng ta đã thấy rằng khí quyển tán xạ v hấp thụ bức xạ tới từ Mặt Trời. Cả hai quá trình có ảnh h‡ởng quan trọng tới năng l‡ợng m bề mặt v khí quyển nhận đ‡ợc. Ngoi tán xạ v hấp thụ, khí quyển còn khúc xạ bức xạ Mặt Trời, ở đây khúc xạ đ‡ợc định nghĩa nh‡ sự lệch h‡ớng của các tia khi chúng đi trong khí quyển. Khúc xạ xuất hiện một khi bức xạ đi qua một môi tr‡ờng có mật độ biến đổi hoặc khi nó di chuyển từ một môi tr‡ờng tới một môi tr‡ờng khác có mật độ khác. Khúc xạ trong không khí xuất hiện bởi vì tốc độ bức xạ biến đổi theo mật độ – khí quyển cng đậm đặc, thì bức xạ truyền đi cng chậm. Để thấy đ‡ợc một cách trực quan các tốc độ khác nhau lm cho bức xạ lệch h‡ớng đi nh‡ thế no, hãy hình dung hai ng‡ời trên một chiếc thuyền, một ng‡ời chèo ở bên phải thuyền, còn ng‡ời kia chèo ở bên trái. Nếu ng‡ời bên phải chèo hăng hái hơn, thuyền sẽ ngoặt sang 612 trái. Điều t‡ơng tự cũng xảy ra đối với sóng năng l‡ợng điện từ khi truyền trong khí quyển. Trong đa số tình huống, mật độ của khí quyển giảm theo độ cao bên trên bề mặt. Điều đó lm cho bức xạ bị khúc xạ đi một chút, tạo thnh một cung với bề lõm h‡ớng xuống phía d‡ới (hình 17.1). Tốc độ m mật độ biến đổi theo độ cao biến đổi một cách đáng kể theo vị trí v theo thời gian do các trắc diện nhiệt độ bên trên bề mặt rất khác nhau (quan hệ giữa nhiệt độ v mật độ đã đ‡ợc trình by trong ch‡ơng 4). Vì vậy, mức độ v h‡ớng khúc xạ biến đổi theo các điều kiện khí quyển. Bây giờ chúng ta xét một số hệ quả đáng chú ý của sự khúc xạ. Hình 17.1. Sự khúc xạ do những chênh lệch mật độ không khí l†m cho tia sáng bị uốn cong. ở tr~ờng hợp n†y, ánh sáng từ nóc tòa cao ốc bị lệch xuống phía d~ới, nên đ~ờng đi của nó cong xuống d~ới. ánh sáng đạt tới mắt ng~ời quan sát tại một góc hơi lớn hơn so với khi không có khúc xạ, tòa nh† tỏ ra cao hơn thực tế Khúc xạ v† Mặt Trời lặn hoặc Mặt Trời mọc Khúc xạ bức xạ tới từ Mặt Trời l lớn nhất khi Mặt Trời thấp trên đ‡ờng chân trời, vì độ cao Mặt Trời bé lm cho các tia đi qua một l‡ợng khí quyển lớn hơn (nh‡ mô trình by trong ch‡ơng 3). Khi Mặt Trời lặn, sự khúc xạ đủ để lm cho các tia trực xạ nhìn thấy đ‡ợc thậm chí sau khi Mặt Trời đã lặn xuống thấp hơn đ‡ờng chân trời (điều ny cũng đúng khi Mặt Trời mọc đang mọc). Trên hình 17.2, Mặt Trời có vị trí ở d‡ới đ‡ờng chân trời. Nếu không có khí quyển, lúc ny sẽ l hong hôn, nh‡ng khúc xạ lm cho Mặt Trời hình nh‡ đang ở bên trên đ‡ờng chân trời. Khi Mặt Trời nằm ở vị trí xa hơn nữa một chút bên d‡ới đ‡ờng chân trời, các tia trực xạ không thể đ‡ợc nhìn thấy ở trên bề mặt, nh‡ng bức xạ khuếch tán có thể chiếu sáng bầu trời để tạo nên các điều kiện hoˆng hôn (tranh tối tranh sáng). Còn khi Mặt Trời lặn xuống thấp hơn nữa, đến độ xa vừa đủ so với đ‡ờng chân trời, thì đó l thời gian đêm tối hon ton. Khoảng thời gian hong hôn biến đổi; nó di nhất trong mùa Mặt Trời cao v tăng theo vĩ độ. Ngoi việc lm thay đổi chút ít vị trí biểu kiến của Mặt Trời ở gần đ‡ờng chân trời, khúc xạ có thể còn ảnh h‡ởng đến hình dạng v mu sắc biểu kiến Mặt Trời. Bạn có lẽ đã từng nhận thấy rằng trong lúc bình minh hoặc hong hôn Mặt Trời có 613 vẻ nh‡ có các băng mu sắc khác nhau nằm ngang, mu đỏ thẫm hơn gần với mép d‡ới. Đó l vì các mu b‡ớc sóng lớn hơn (nh‡ các mu đỏ v da cam) bị khúc xạ ít hơn so với những b‡ớc sóng ngắn hơn (nh‡ xanh lam v xanh lục). Các b‡ớc sóng ngắn hơn, bị khúc xạ nhiều hơn, tập trung ở gần mép trên của Mặt Trời biểu kiến, còn các b‡ớc sóng di hơn tập trung ở gần mép d‡ới. Trong một số điều kiện khí quyển no đó, Mặt Trời xuất hiện nh‡ một đốm sáng xanh trong một thoáng ngắn ngủi, ng‡ời ta gọi đó l hiện t‡ợng lóe sáng xanh (hình 17.3). Hình 17.2. Khi ở thấp hơn đ~ờng chân trời một chút, Mặt Trời vẫn có thể đ~ợc nhìn thấy từ bề mặt Trái Đất do khúc xạ. Các b~ớc sóng khác nhau bị khúc xạ một cách khác nhau, nên phần d~ới của Mặt Trời có vẻ đỏ hơn phần trên Hình 17.3. Hiện t~ợng lóe sáng xanh Các loại ảo ảnh Tất cả chúng ta đều quen với những hình t‡ợng trên phim hoặc hoạt hình về một gã tiêu điều, mệt mỏi đang lê b‡ớc trên một hoang mạc nóng bỏng, anh chng ny nhận thấy một ốc đảo ở nơi đ‡ờng chân trời chỉ để rồi thất vọng bởi một hiện thực rằng đấy chỉ l một ảo ảnh không hơn không kém. Những ảo ảnh nh‡ thế không phải do tính lạc quan của chúng ta sinh ra, m do sự khúc xạ của ánh sáng nhìn thấy khi nhiệt độ giảm nhanh theo độ cao. V trái hẳn với gì m một số ng‡ời nghĩ, ốc đảo giả tạo không phải l một dạng ảo ảnh duy nhất; thuật ngữ ảo ảnh áp dụng đối với bất kỳ sự chuyển chỗ biểu kiến lên trên hoặc xuống d‡ới của một vật 614 do khúc xạ. Để hiểu ảo ảnh hình thnh nh‡ thế no, tr‡ớc hết chúng ta xét một tình huống giữa tr‡a, trong đó nhiệt độ không khí gần bề mặt giảm nhanh với độ cao, nh‡ trên hình 17.4a. ở gần bề mặt, những biến đổi về mật độ không khí theo chiều cao đ‡ợc kiểm soát chủ yếu bởi građien nhiệt độ thẳng đứng. Với nhiệt độ rất cao ở gần bề mặt, nên mật độ thấp. Građien nhiệt độ rất lớn trong ví dụ ny dẫn đến mật độ tăng theo độ cao, nên đ‡ờng đi của các tia trong khí quyển cong lên phía trên, nh‡ đã thể hiện trên hình 17.4b. Hình 17.4. Giảm nhanh, ổn định của nhiệt độ theo độ cao (a) có thể gây nên kiểu khúc xạ với các tia cong lên phía trên (b). Mặc dù ảnh có bị biến dạng một chút, một ng~ời đứng ở vị trí A có thể đ~ợc nhìn thấy một cách đầy đủ bởi ng~ời ở bên trái. Khi ng~ời bên phải di chuyển tới vị trí B, ánh sáng nhìn thấy phản xạ từ chân anh ta không đạt tới ng~ời quan sát ở bên trái, vì nó bị hấp thụ tại mặt đất. Tại vị trí C, ảnh của ng~ời đó biến mất ho†n to†n đối với ng~ời quan sát ở bên trái Trong hình 17.4b ng‡ời quan sát ở bên trái (giả sử tên cô ta l Lauren) nhận thấy các đối t‡ợng ở xa hơi thấp hơn một chút so với thực tế. Đó l do các tia sáng phản xạ từ các vật xa đi tới mắt Lauren d‡ới một góc hơi thấp hơn so với đ‡ờng thẳng nằm ngang. Vì vậy, một ng‡ời đứng ở vị trí A (ta gọi anh ta l William) hình nh‡ thấp hơn một chút so với chiều cao thật của anh. Cho dù có một chút sai lệch nhỏ về chiều cao biểu kiến của William, Lauren không hề khó khăn gì để thấy anh ta một cách đầy đủ. Bây giờ chúng ta xem một loại ảo ảnh sinh ra nh‡ thế no nếu William dịch ra xa hơn đến vị trí B. Phần phía d‡ới của cơ thể anh ta hình nh‡ bị biến mất, bởi vì ánh sáng phản xạ từ chân anh ta bị uốn cong xuống mặt đất, ở đó nó bị hấp thụ tr‡ớc khi có thể đi tới Lauren. Khi William dịch ra xa hơn, cng nhiều phần cơ thể anh ta từ chân trở lên bị biến mất cho tới khi anh ta hon ton mất hút tại vị trí C. Một loại ảo ảnh khác xuất hiện do sự đốt nóng mạnh hơn nữa ở gần bề mặt, nh‡ tr‡ờng hợp trên mặt đ‡ờng phủ nhự đ‡ờng vo một buổi chiều nóng. Không khí bị nung nóng trong lớp mỏng ngay bên trên bề mặt có một trắc diện nhiệt độ cực dốc, trong khi không khí ở ngay bên trên lớp mỏng ny phần no lạnh hơn v có một trắc diện nhiệt độ thẳng đứng ít dốc hơn (hình 17.5a). Građien nhiệt độ của lớp bên d‡ới dốc hơn lm cho nó khúc xạ mạnh hơn so với không khí ở bên trên nó. Khi điều ny xảy ra, có thể nhìn thấy một ảo ảnh phụ gồm hai ảnh, lúc đó ng‡ời quan sát nhận thấy không chỉ một ảnh thật của vật, m cả một ảnh ng‡ợc ở ngay bên d‡ới. Điều ny có thể thấy trên hình 17.5b, ở đây ánh sáng phản xạ từ ngọn cây 615 trên tất cả các h‡ớng. Một ít tia ánh sáng h‡ớng về phía mắt ng‡ời quan sát sau khi chỉ bị khúc xạ t‡ơng đối ít. Những tia sáng đó tạo nên ảnh thực của cây. Nh‡ng một số tia sáng phản xạ còn h‡ớng tới mặt đất, nơi đây građien nhiệt độ rất dốc gây nên khúc xạ rất mạnh. Những tia sáng ny đ‡ợc khúc xạ lên trên v đạt đến mắt ng‡ời quan sát từ phía d‡ới, lm cho ngọn cây xuất hiện ở bên d‡ới mặt đất v lộn ng‡ợc trên xuống d‡ới cứ nh‡ thể ng‡ời quan sát đang nhìn bóng phản xạ của cây trên mặt n‡ớc phẳng lạng của cái hồ. ánh sáng phản xạ từ tất cả các phần của cây bị kiểu khúc xạ ny để tạo ra một ảnh g‡ơng trong “hồ n‡ớc”. Hình 17.5. Nếu trong lớp mỏng sát bề mặt nhiệt độ giảm rất nhanh, còn građien nhiệt độ ngay bên trên nhỏ hơn (a), thì ảnh phụ hai ảnh có thể xuất hiện (b). Bức xạ tán xạ nhìn thấy từ ngọn cây đi theo nhiều h~ớng. Một số tia sáng đi trục tiếp tới mắt ng~ời quan sát, bị khúc xạ ít (cung phía trên từ ngọn cây tới ng~ời quan sát). Một số tia đi tới bề mặt, ở đó khúc xạ mạnh (cung phía d~ới) cho ảnh thứ hai của cây. Điều n†y tạo ra một ảnh lộn ng~ợc ở bên d~ới ảnh thật Vậy chuyện gì thực sự diễn ra khi ng‡ời ta thấy một ảo ảnh giống với một đầm n‡ớc? Trong tr‡ờng hợp đó, ng‡ời quan sát nhận thấy ảo ảnh phụ của bầu trời, nó rất giống nh‡ một bề mặt n‡ớc. Tấm ảnh mở đầu ch‡ơng ny về chiếc xe hơi trên một xa lộ trong hoang mạc nóng bỏng cho thấy một ảnh lộn ng‡ợc của chiếc xe thoạt nhìn nh‡ bị ngâm trong vũng n‡ớc. Hãy chú ý rằng ánh sáng đi ra từ đỉnh v từ chân của vật không thể cùng bị khúc xạ nh‡ nhau. Nếu ánh sáng phản xạ bởi chân vật bị khúc xạ mạnh hơn, thì ảnh sẽ tỏ ra trải di theo ph‡ơng thẳng đứng, hay cao hơn thực tế. Nh‡ng nếu sự khúc xạ tăng lên thep chiều thẳng đúng, vật sẽ bị ngắn lại. Rõ rng, câu hỏi về một vật bị kéo di ra hay l thu ngắn lại l tùy thuộc vo khoảng cách di dịch, ảnh phụ th‡ờng luôn bị thu ngắn. Một siêu ảo ảnh hình thnh khi các ảnh đ‡ợc di dịch lên phía trên. Các tia sáng bị uốn cong bề lõm h‡ớng xuống d‡ới do hệ quả mật độ giảm theo độ cao. Đây l tình huống bình th‡ờng đã đ‡ợc mô tả tr‡ớc đây lm cho Mặt Trời hình nh‡ ở cao hơn bên trên đ‡ờng chân trời so với thực tế. Tuy nhiên, để cho một ảo ảnh đ‡ợc nhận thấy, thì građien mật độ bình th‡ờng phải đ‡ợc tăng lên nữa bằng một trắc 616 diện nhiệt độ có không khí nóng (nhẹ hơn) nằm ở bên trên không khí lạnh. Giống nh‡ với các ảo ảnh phụ, ở đây có thể l ảnh bị kéo di ra hoặc co lại ngắn lại, tùy thuộc vo sự khúc xạ biến đổi với độ cao ra sao. Tuy nhiên, ở đây sẽ l thu ngắn lại khi khúc xạ giảm theo độ cao, v kéo di ra khi khúc xạ tăng theo chiều thẳng đúng. Trong các tình huống thái cực, các vật nhỏ (tu thuyền, nh cửa, v.v..) có thể bị nâng cao lên v kéo di ra, tạo nên vẻ biểu kiến về các thnh phố hay dãy núi đang trôi, nh‡ trên hình 17.6. Hình 17.6. Một siêu ảo ảnh Quang học mây v† giáng thủy Sự khúc xạ không chỉ giới hạn ở không khí sạch, nó cũng không phải l quá trình duy nhất có thể tạo ra những hiệu ứng quang học thú vị. Trong phần còn lại của ch‡ơng ny, chúng ta sẽ xem xét sự khúc xạ v hai quá trình khác tạo nên một số hiệu ứng quang học quen thuộc (hoặc ch‡a hẳn quen thuộc) nh‡ thế no. Cầu vồng Một trong những thnh tạo ấn t‡ợng nhất xuất hiện trong khí quyển l cầu vồng rất quen thuộc (hình 17.7). Cầu vồng l một dải các đ‡ờng vòng cung ánh sáng, có mu sắc thay đổi từ phần bên trong của vòng ra tới phần bên ngoi. Cầu vồng chỉ xuất hiện khi m‡a đang rơi trên ở một khoảng cách xa xa, v với một bầu trời trong sáng bên trên v bên d‡ới ng‡ời quan sát cho phép ánh sáng Mặt Trời đạt tới bề mặt một cách tự do. Bạn có thể đã quan sát thấy rằng cầu vồng bao giờ cũng xuất hiện ở đúng vị trí đối ng‡ợc lại với h‡ớng của Mặt Trời. Nói khác đi, nếu Mặt Trời ở sau l‡ng ở phía tây nam, thì bóng của bạn sẽ chiếu về phía tâm của cầu vồng về phía đông bắc. 617 Các cầu vồng sáng nhất v phổ biến nhất l các cầu vồng chính. Những cầu vồng ny luôn có cùng kích th‡ớc sao cho tại đ‡ờng chân trời khoảng cách theo góc từ một đầu ny đến đầu kia bằng khoảng 85o (để dễ hình dung, hãy xem nh‡ góc đó gần rộng bằng khoảng cách từ h‡ớng chính bắc đến chính đông). Trên một cầu vồng chính, các b‡ớc sóng nhìn thấy ngắn nhất (tím v xanh) xuất hiện ở phần trong cùng của cầu vồng, còn các b‡ớc sóng di hơn (da cam v đỏ) tập trung ở phần ngoi cùng. Một cầu vồng chính th‡ờng đ‡ợc bao quanh bởi một cầu vồng thứ hai mờ nhạt hơn, phủ quanh một cung khoảng 100o trên đ‡ờng chân trời v có thang mu ng‡ợc lại so với cầu vồng chính (nghĩa l, các mu đỏ xuất hiện ở phần bên trong của cầu vồng, còn mu xanh ở phần bên ngoi). Tất nhiên, nếu vùng trời m‡a m không đủ lớn hoặc m‡a ở một khoảng cách quá xa, sẽ chỉ có một phần cầu vồng xuất hiện. Hình 17.7. Cầu vồng. Hãy chú ý l† có một cầu vồng chính sáng rõ hơn bị bao bởi một cầu vồng thứ hai mờ nhạt hơn Tất nhiên, một câu hỏi lớn l tất cả những cái đó đ‡ợc hình thnh nh‡ thế no? Câu trả lời nằm ở trong các cách m ánh sáng Mặt Trời bị khúc xạ (bị uốn cong) v bị phản xạ khi nó chiếu vo v đi xuyên qua một hạt m‡a. Khi ánh sáng đi qua một môi tr‡ờng có mật độ biến đổi, thì nó bị khúc xạ. Hiện t‡ợng t‡ơng tự xuất hiện khi ánh sáng xuyên qua một biên phân cách các chất có mật độ không nh‡ nhau, nh‡ không khí bao quanh hạt m‡a. Tr‡ớc hết chúng ta hãy xem điều ny tạo nên một cầu vồng chính ra sao. Khi ánh sáng đi vo một hạt m‡a, nó bị khúc xạ, trong đó các b‡ớc sóng di hơn bị khúc xạ ít hơn so với các b‡ớc sóng ngắn. ánh sáng khúc xạ đi xuyên vo hạt m‡a, phần chính ánh sáng đi ra ở phía ng‡ợc lại với phía m ánh sáng đi tới. Tuy nhiên, một phần nhỏ của ánh sáng gặp mặt phía sau l‡ng của hạt m‡a bị phản xạ ng‡ợc trở lại từ mặt phía trong của bề mặt, lại đi xuyên vo hạt 618 m‡a một lần nữa v bị khúc xạ một lần thứ hai khi nó đi ra ở mặt phía tr‡ớc của hạt tại một vị trí thấp hơn một chút so với vị trí m nó đã từng đi vo hạt m‡a. Quá trình ny đ‡ợc thể hiện đối với hai hạt m‡a giả định trên hình 17.8a. Vì mỗi b‡ớc sóng bị khúc xạ một cách khác nhau, chỉ có một b‡ớc sóng cụ thể của ánh sáng đi ra khỏi một hạt m‡a l h‡ớng về phía một ng‡ời quan sát cụ thể ở một nơi cụ thể. Vậy l hạt m‡a ở cao hơn h‡ớng ánh sáng đỏ về phía ng‡ời quan sát, trong khi hạt ở thấp hơn h‡ớng ánh sáng tím tới ng‡ời đó. Vì hạt m‡a ở thấp hơn xuất hiện tại một góc thấp hơn bên trên đ‡ờng chân trời, ánh sáng tím của nó hình thnh phần thấp hơn (phần bên trong) của vòng cầu vồng, còn ánh sáng đỏ từ hạt m‡a ở cao hơn xuất hiện tại phần cao hơn (phần bên ngoi). ánh sáng đỏ bị khúc xạ 42,3o v ánh tím bị khúc xạ 40,6o. Kết quả l, vòng cầu vồng chỉ rộng 1,7o. Hình 17.8. ánh sáng Mặt Trời từ phía sau l~ng ng~ời quan sát bị phản xạ v† khúc xạ (a) để tạo th†nh một cầu vồng chính. Số l~ợng khúc xạ tổng cộng khác nhau đối với mỗi b~ớc sóng, gây nên sự chia tách m†u của một cầu vồng. Ng~ời quan sát tại mực mặt đất nhìn thấy hai vòm cung tròn đồng tâm tạo th†nh một cầu vồng chính v† một cầu vồng thứ hai (b) Các cầu vồng thứ hai đ‡ợc hình thnh theo một cách rất giống nh‡ các cầu vồng chính, ngoại trừ hai phản xạ xảy ra tại phía sau l‡ng của hạt m‡a, nh‡ thể hiện trên hình 17.9. Điều ny dẫn đến một thang mu ng‡ợc lại so với mu của cầu vồng chính, với các b‡ớc sóng ánh sáng di hơn nằm ở phần bên trong của băng v các b‡ớc sóng ngắn hơn ở phần bên ngoi. ánh sáng Mặt Trời đi ra ở cùng một phía của hạt m‡a khi nó đi vo nh‡ng h‡ớng xuống phía d‡ới tại một góc 50o, do đó lm cho đỉnh của cầu vồng ở 50o bên trên đ‡ờng chân trời (hình 17.8b). 619 Hình 17.9. Cầu vồng thứ hai cần hai lần phản xạ bên trong các hạt m~a H†o quang, mặt trời giả v† trụ mặt trời Các đám mây ti tầng tạo nên những băng ánh sáng bao quanh Mặt Trời hay Mặt Trăng, gọi l hˆo quang (hình 17.10) với các bán kính 22o v 46o (các ho quang 46o ít phổ biến hơn v không sáng chói nh‡ các ho quang 22o). Khác với cầu vồng khi xuất hiện đòi hỏi Mặt Trời nằm trực tiếp ở đằng sau ng‡ời quan sát, các ho quang xuất hiện khi những tinh thể băng nằm ở giữa ng‡ời quan trắc v Mặt Trời hay Mặt Trăng. Hình 17.10a thể hiện sự khúc xạ bên trong các tinh thể băng để tạo nên một ho quang 22o. ánh sáng Mặt Trời (hay ánh sáng Mặt Trăng) đi qua các mặt của những tinh thể băng hình dạng cột v hình dạng tấm, trong đó mỗi mặt trong số sáu mặt hình thnh một góc 60o. Tinh thể băng tác động nh‡ một lăng kính, nó khúc xạ ánh sáng 22o. Những tinh thể có góc 22o so với đ‡ờng điánh sáng của Mặt Trời hay Mặt Trăng v có định h‡ớng cần thiết sẽ khúc xạ ánh sáng về phía ng‡ời quan sát. Vì các tinh thể băng có rất nhiều v sắp xếp ngẫu nhiên trong mây, một số đáng kể sẽ h‡ớng ánh sáng về phía ng‡ời quan sát để tạo thnh ho quang đủ sáng để nhìn thấy từ mặt đất. Hình 17.10b thể hiện những tinh thể băng hình dạng cột khúc xạ ánh sáng 46o nh‡ thế no khi tinh thể định h‡ớng chiều di về phía ánh sáng tới. Hình 17.10. Các tinh thể băng dạng cột v† dạng tấm khúc xạ ánh sáng tạo th†nh h†o quang 22o (a). Sự khúc xạ, trong đó các tinh thể băng có các góc 90o, tạo th†nh h†o quang 46o (b) 620 Các tinh thể băng dạng tấm lớn hơn khoảng 30 mμ bề rộng có xu thế tự sắp xếp theo ph‡ơng ngang. Nếu Mặt Trời hơi ở cao hơn đ‡ờng chân trời v thấp hơn những tinh thể ấy, thì các vết sáng xuất hiện 22o về phải v bên trái của Mặt Trời (hình 17.11). Những mặt trời giả ny (hay parhelia) th‡ờng xuất hiện nh‡ những đốm trăng trắng trong bầu trời, nh‡ng đôi khi chúng thể hiện sự phân hóa mu với các mu đỏ thẫm hơn nằm ở phía của các mặt trời giả gần Mặt Trời nhất, còn các mu xanh v tím nằm ở phía bên ngoi. Những tinh thể dạng tấm ở giữa Mặt Trời thấp v một ng‡ời quan sát có thể còn phản xạ (ng‡ợc lại với khúc xạ) ánh sáng Mặt Trời từ đỉnh v chân để tạo thnh trụ mặt trời (hình 17.12). Nhiều tinh thể băng sắp xếp hầu nh‡, nh‡ng không hon ton, theo ph‡ơng ngang, mỗi tinh thể phản xạ một phần của ánh sáng tới một cách khác nhau để tạo nên những cột biểu kiến kéo di lên phía trên v xuống phía d‡ới của Mặt Trời. Hình 17.11. Các tinh thể định h~ớng ngang khúc xạ ánh sáng từ Mặt Trời đang lặn hay đang mọc để tạo nên những mặt trời giả (a), gọi nh~ vậy do các mặt trời giả đi kèm theo Mặt Trời (b) Hình 17.12. Trụ mặt trời Quầng sáng v† quầng h†o quang Các quầng sáng v quầng ho quang l những hiện t‡ợng quang học gây nên bởi sự thay đổi h‡ớng của ánh sáng khi nó đi qua các hạt n‡ớc (tán xạ). Quầng sáng 621 (hình 17.13) l sự chiếu sáng dạng hình tròn của bầu trời ngay xung quanh Mặt Trăng - hoặc hiếm hơn, xung quanh Mặt Trời. Các đám mây có kích th‡ớc hạt đồng nhất gây nên những quầng sáng tròn lớn tập trung những mu b‡ớc sóng ngắn hơn (xanh) ở các phần bên trong nhất của chúngv những b‡ớc sóng di hơn (đỏ) ở các rìa của chúng. Khi mây chứa nhiều kích cỡ hạt hơn, thì sự chiếu sáng trở thnh ánh sáng trắng v hình dạng không đều đặn. Kích th‡ớc của quầng sáng còn liên quan với kích th‡ớc hạt m‡a, các hạt lớn hơn tạo ra những quầng sáng nhỏ hơn. Hình 17.13. Quầng sáng Nếu bạn một khi no đó ở trong một chiếc máy bay bay bên trên một trần mây, hãy tìm bóng của máy bay trên mây. Bạn có thể thấy một chuỗi các vòng tròn đ‡ợc gọi l quầng ho quang (hình 17.14). Các quầng ho quang xuất hiện khi ánh sáng Mặt Trời đi vo rìa của một hạt n‡ớc (hình 17.15) tr‡ớc hết bị khúc xạ, sau đó bị phản xạ từ mặt phía bên trong của mặt sau của giọt v bị khúc xạ lần nữa khi nó đi ra khỏi giọt. Về ph‡ơng diện ny, quá trình tạo thnh một quầng ho quang t‡ơng tự với quá trình tạo thnh một cầu vồng chính. Tuy nhiên, quầng ho quang đòi hỏi tổ hợp các quá trình ny phải lm đổi h‡ớng ánh sáng tới đúng 180o, sao cho ng‡ời quan sát nhìn thấy ánh sáng quay trở lại từ đỉnh mây trong khi Mặt Trời ở bên trên đỉnh đầu cô ta. Để thực hiện sự đổi h‡ớng bổ sung, sự tán xạ phải xảy ra ở quanh rìa của hạt n‡ớc khi ánh sáng trên đ‡ờng quay trở lại phía Mặt Trời. Hình 17.14. Quầng h†o quang Hình 17.15. Quầng h†o quang đòi hỏi sự tán xạ ở rìa hạt mây khi ánh sáng Mặt Trời đi ra khỏi hạt. Sau khi bị đổi h~ớng do khúc xạ ánh sáng quay trở lại Mặt Trời với góc gần 180o 622 Tóm tắt Khi đi trong khí quyển, các tia sáng bị một số lần đổi h‡ớng, hay khúc xạ, do mật độ không khí chênh lệc so với mật độ tại bề mặt. Sự khúc xạ gây nên một số hiệu ứng Mặt Trời mọc v Mặt Trời lặn rất thú vị. Thứ nhất, sự đổi h‡ớng bức xạ Mặt Trời lm cho nó đ‡ợc “nhìn thấy” ngay cả khi nó thực sự nằm ở bên d‡ới đ‡ờng chân trời. Ngoi ra, các b‡ớc sóng khác nhau của ánh sáng Mặt Trời bị khúc xạ một cách có phân hóa lm cho Mặt Trời đang lặn hay đang mọc hiển thị một chuỗi các băng nằm ngang với những mu khác nhau. Tr‡ờng hợp thái cực nhất, sự khúc xạ có thể lm cho chỉ có một ánh sáng mu lục duy nhất từ Mặt Trời đang ở bên d‡ới đ‡ờng chân trời đạt tới ng‡ời quan sát, đó l lóe sáng xanh. Những giọt mây v tinh thể băng, cùng với gây m‡a, còn có thể tạo nên các hiện t‡ợng quang học độc đáo. Cầu vồng hình thnh bởi tổ hợp của khúc xạ v phản xạ ở trong các hạt m‡a, tạo nên những băng nhiều mu sắc m ng‡ời quan sát nhìn thấy khi đứng giữa Mặt Trời v những hạt m‡a. Sự khúc xạ bên trong các tinh thể băng tạo thnh những ho quang v những mặt trời giả, còn sự phản xạ ở các bề mặt tinh thể băng có thể tạo thnh những trụ mặt trời trong thời giam Mặt Trời lặn hay mọc. Sự tán xạ bởi các hạt n‡ớc tạo thnh một quầng sáng xung quanh Mặt Trời hay Mặt Trăng, còn sự kết hợp của khúc xạ, phản xạ v tán xạ thì tạo nên những quầng ho quang. Câu hỏi ôn tập 1. Khúc xạ l gì v vì sao nó liên quan với những biến thiên về mật độ khí quyển? 2. Hãy mô tả cách m khúc xạ lm thay đổi vị trí biểu kiến của Mặt Trời đang lặn hay đang mọc. 3. Các b‡ớc sóng di hơn hay ngắn hơn bị khúc xạ mạnh hơn khi đi qua khí quyển? Sự khúc xạ có phân hóa gây nên một băng biểu kiến của Mặt Trời ở gần đ‡ờng chân trời nh‡ thế no? 4. Kiểu građien nhiệt độ thẳng đứng no thuận lợi cho sự xuất hiện của các siêu ảo ảnh v ảo ảnh phụ? 5. Các ảo ảnh tạo nên sự xuất hiện biểu kiến của một vũng n‡ớc trong những ngy nóng lực nh‡ thế no? 6. Hãy giải thích vì sao Mặt Trời phải ở đằng sau l‡ng mình trong lúc bạn nhìn thấy cầu vồng. 7. Hãy mô tả sự khác nhau về cách thức m cầu vồng chính v cầu vồng thứ hai hình thnh. 8. Thang mu của cầu vồng thứ hai khác thang mu của cầu vồng chính nh‡ thế no? 9. Ngoi khúc xạ, quá trình no phải diễn ra ở bên trong các hạt m‡a để tạo thnh một cầu vồng? 10. Tại sao một số ho quang có bán kính 22o v một số khác có bán kính 60o? 623 11. Các mặt trời giả hình thnh nh‡ thế no? Hãy mô tả các thang mu gắn liền với chúng. 12. Hãy mô tả sự hình thnh của các trụ mặt trời. Khúc xạ có đóng vai trò trong sự hình thnh của chúng không? 13. Hãy giải thích các quầng sáng đ‡ợc tạo thnh xung quanh Mặt Trời hay Mặt Trăng nh‡ thế no? Nhân tố hoặc những nhân tố no quyết định kích th‡ớc của chúng? 14. Các quầng ho quang l gì v chúng đ‡ợc tạo thnh nh‡ thế no? Chúng có phải l kết quả của chỉ riêng khúc xạ hay còn có quá trình khác tham gia? Nhận xét suy luận 1. Xét cách thức m vị trí biểu kiến của Mặt Trời quét qua bầu trời trong thời gian một ngy (xem ch‡ơng 2). Thời gian hong hôn sẽ biến thiên nh‡ thế no giữa mùa hè v mùa đông ở nơi bạn sống? Những điều kiện hong hôn thông th‡ờng sẽ kéo di lâu hơn ở nhiệt đới hay ở các vĩ độ cao? Sau khi trả lời câu hỏi ny, hãy thực hiện câu hỏi số 1 ở trong phần bi tập luyện v kiểm tra xem đáp án của bạn có đúng không. 2. Những tinh thể băng đang rơi có thể tạo thnh cầu vồng không? Giải thích vì sao có hay vì sao không. 3. Những đám mây tầng cao (altostratus) có thể tạo thnh ho quang không? Giải thích vì sao có hay vì sao không. 4. Những hiện t‡ợng quang học no đ‡ợc mô tả trong ch‡ơng ny th‡ờng hay xuất hiện nhất ở nơi