Cầu vồng hình thành khi ánh sáng qua giọt nước thế nào?

Điều quan trọng là không phải cứ có mưa và nắng là mọi người đều nhìn thấy cầu vồng. Vị trí của Mặt Trời, các giọt nước và người quan sát phải tạo ra hình học phù hợp.

Ánh sáng đi qua giọt nước trải qua những hiện tượng nào?

Một giọt nước gần giống một lăng kính nhỏ có dạng cầu. Khi tia sáng Mặt Trời gặp giọt nước, đường truyền của nó thay đổi qua nhiều giai đoạn.

1.    Khúc xạ khi đi vào giọt nước: Ánh sáng truyền từ không khí vào nước nên tốc độ truyền thay đổi và tia sáng bị đổi hướng

2.    Tán sắc: Ánh sáng trắng gồm nhiều thành phần màu. Do chiết suất của nước phụ thuộc vào bước sóng, mỗi màu bị khúc xạ với mức độ khác nhau

3.    Phản xạ bên trong: Một phần ánh sáng gặp mặt trong phía đối diện của giọt nước và bị phản xạ trở lại

4.    Khúc xạ khi đi ra: Khi ánh sáng rời khỏi giọt nước để trở lại không khí, nó tiếp tục đổi hướng, làm sự phân tách màu thể hiện rõ hơn

Vì vậy, cầu vồng không phải do một hiện tượng đơn lẻ tạo ra mà là kết quả của khúc xạ tán sắc phản xạ bên trong khúc xạ lần nữa.

Tán sắc tạo ra dải màu của cầu vồng như thế nào?

Ánh sáng Mặt Trời nhìn bằng mắt thường có vẻ trắng, nhưng thực tế chứa nhiều thành phần ánh sáng với các bước sóng khác nhau. Khi đi qua nước, các thành phần này không bị lệch giống nhau.

Ánh sáng đỏ có bước sóng dài hơn nên bị lệch ít hơn ánh sáng xanh và tím. Vì mỗi màu rời khỏi giọt nước theo một hướng hơi khác nhau, chúng không còn chồng khít lên nhau mà tạo thành dải màu.

Ở cầu vồng chính, màu đỏ thường nằm ở phía ngoài và màu tím ở phía trong. Thứ tự này phản ánh sự khác biệt về mức độ khúc xạ của các bước sóng khác nhau.

Điều này cũng giải thích tại sao một giọt nước riêng lẻ không tạo ra cả một vòng cầu vồng rõ ràng trước mắt người quan sát. Mỗi giọt chỉ gửi một phần ánh sáng màu theo những hướng nhất định; vô số giọt ở các vị trí khác nhau cùng đóng góp ánh sáng đến mắt tạo nên hình cung mà chúng ta nhìn thấy.

Phản xạ bên trong giọt nước tạo hình cầu vồng ra sao?

Sau khi bị khúc xạ và tán sắc khi đi vào giọt nước, ánh sáng truyền đến mặt phía đối diện bên trong giọt. Với cầu vồng chính, ánh sáng bị phản xạ một lần tại mặt trong này trước khi quay ra ngoài.

Quá trình có thể hình dung theo chuỗi:

Ánh sáng Mặt Trời → khúc xạ và tán sắc → phản xạ bên trong giọt nước → khúc xạ khi thoát ra → mắt người quan sát

Phản xạ bên trong làm hướng truyền của ánh sáng thay đổi đáng kể. Sau lần khúc xạ thứ hai, các tia sáng màu có thể đi đến mắt từ một vùng giọt nước nhất định.

Với cầu vồng chính, góc lệch của tia sáng màu đỏ vào khoảng 42° so với hướng đối diện Mặt Trời, còn ánh sáng tím lệch khoảng 40°. Chính vùng góc tương đối hẹp này khiến người quan sát thấy một dải cầu vồng có màu sắc được sắp xếp rõ ràng.

Vì sao cầu vồng thường có dạng hình cung?

Hình dạng cầu vồng xuất phát từ hình học của ánh sáng, không phải do các giọt nước tự tạo thành một vòng cung.

Mỗi màu từ các giọt nước có thể đến mắt người quan sát theo một góc nhất định quanh điểm đối diện với Mặt Trời. Khi tập hợp vô số tia sáng từ nhiều giọt nước, tập hợp các hướng nhìn này tạo thành một vòng tròn.

Mặt đất thường che phần dưới của vòng tròn nên người đứng trên mặt đất chỉ thấy một phần, tạo thành hình cung.

Nếu quan sát từ vị trí cao, chẳng hạn từ máy bay trong điều kiện thích hợp, người quan sát có thể nhìn thấy một phần lớn hơn của vòng cầu vồng. Góc quan sát vẫn giữ vai trò quyết định: khi vị trí người quan sát thay đổi, những giọt nước gửi ánh sáng đúng hướng vào mắt cũng thay đổi.

Điều kiện nào để nhìn thấy cầu vồng?

Ba yếu tố hình học quan trọng là nguồn sáng, các giọt nước và người quan sát.

·         Mặt Trời phải ở phía sau người quan sát

·         Phía trước người quan sát phải có các giọt nước đủ để tán xạ và phản xạ ánh sáng

·         Góc giữa hướng nhìn và hướng đối diện Mặt Trời phải phù hợp với góc tạo cầu vồng

Vì vậy, cầu vồng thường dễ quan sát khi trời vừa có mưa vừa có ánh nắng chiếu từ phía sau người nhìn. Cầu vồng cũng thường xuất hiện ở phía đối diện Mặt Trời trên bầu trời.

Độ cao của Mặt Trời ảnh hưởng trực tiếp đến vị trí của cầu vồng. Khi Mặt Trời càng thấp, phần cung nhìn thấy có thể càng cao trên bầu trời. Khi Mặt Trời lên rất cao, cầu vồng chính có thể nằm thấp đến mức phần lớn bị đường chân trời che khuất.

Cầu vồng đôi khác cầu vồng chính ở điểm nào?

Cầu vồng đôi xuất hiện khi ánh sáng trong giọt nước trải qua hai lần phản xạ bên trong thay vì một lần như cầu vồng chính.

Do có thêm một lần phản xạ, đường đi của ánh sáng thay đổi và dải màu thứ hai xuất hiện ở phía ngoài cầu vồng chính. Thứ tự màu của cầu vồng thứ hai cũng bị đảo ngược so với cầu vồng chính.

Giữa hai cung có thể xuất hiện một vùng trời tương đối tối hơn, thường gọi là dải tối Alexander. Đây là hệ quả của việc các tia sáng tạo cầu vồng chính và cầu vồng thứ hai tập trung ở những vùng góc khác nhau, khiến khu vực nằm giữa hai cung nhận ít ánh sáng cầu vồng hơn.

Như vậy, cầu vồng đôi không phải là một hiện tượng hoàn toàn khác mà là biến thể của cùng cơ chế quang học, trong đó số lần phản xạ bên trong giọt nước thay đổi.

Cốt lõi của sự hình thành cầu vồng nằm ở cách ánh sáng Mặt Trời tương tác với từng giọt nước. Ánh sáng bị khúc xạ khi đi vào, tán sắc thành các màu, phản xạ bên trong giọt rồi khúc xạ lần nữa khi thoát ra. Do các màu có mức độ lệch khác nhau và chỉ những tia đi theo hướng phù hợp mới tới mắt, vô số giọt nước cùng tạo nên dải màu cong mà chúng ta gọi là cầu vồng.