Cầu vồng cong vì mỗi giọt mưa chỉ hắt ánh nắng về phía mắt bạn khi nó nằm ở một góc gần như cố định so với hướng tia nắng, khoảng bốn mươi hai độ. Tất cả những giọt nằm đúng góc đó tạo thành một vòng tròn quanh điểm đối diện Mặt Trời, tức là chỗ bóng đầu bạn chiếu xuống. Mặt đất che mất phần dưới vòng tròn, nên ta thường chỉ thấy một vòng cung.
Chào bạn, đây là Nhà Khoa Học. Cầu vồng sau cơn mưa chiều trên cánh đồng là một trong những cảnh đẹp nhất tuổi thơ. Tập này mình giải thích vì sao nó có hình như vậy, vì sao cầu vồng thứ hai lại ngược màu, và vì sao chiếc cầu vồng bạn thấy không ai khác thấy giống hệt.
Mỗi giọt mưa là một lăng kính nhỏ
Ánh nắng trắng là hỗn hợp nhiều màu, như mình đã kể ở tập về bầu trời xanh. Khi ánh sáng đi từ không khí vào nước, nó bị bẻ cong, hiện tượng gọi là khúc xạ. Mỗi màu bị bẻ cong một chút khác nhau: tím bị bẻ nhiều nhất, đỏ ít nhất. Vì vậy màu sắc tách ra.
Trong một giọt mưa, tia nắng đi vào, bị bẻ cong, chạm vào mặt sau của giọt, phản xạ lại, rồi đi ra phía trước và bị bẻ cong thêm lần nữa. Kết quả là ánh sáng được hắt ngược về gần phía Mặt Trời, tập trung mạnh nhất ở một góc khoảng bốn mươi hai độ, với mỗi màu lệch nhau một chút.
Một giọt chỉ gửi đến mắt bạn một màu, tuỳ vị trí của nó. Giọt ở cao hơn một chút gửi màu đỏ, giọt thấp hơn một chút gửi màu tím. Cả triệu giọt cùng lúc ghép lại thành dải màu.
Đó là lý do cầu vồng luôn có màu đỏ ở vòng ngoài và tím ở vòng trong.
Vì sao phải quay lưng lại Mặt Trời?
Vì ánh sáng được giọt mưa hắt ngược về phía Mặt Trời, bạn phải đứng giữa: Mặt Trời sau lưng, màn mưa trước mặt. Tâm của vòng cầu vồng luôn là điểm đối diện Mặt Trời, nằm trên đường thẳng từ Mặt Trời xuyên qua đầu bạn.
Điều này giải thích vì sao cầu vồng hay xuất hiện vào buổi chiều ở phía đông, hoặc buổi sáng ở phía tây. Khi Mặt Trời thấp, điểm đối diện nằm ngay dưới chân trời một chút, và cầu vồng hiện ra thành một vòng cung cao, gần nửa vòng tròn.
Khi Mặt Trời lên cao, điểm đối diện chìm sâu xuống dưới mặt đất, vòng cầu vồng bị che gần hết. Nếu Mặt Trời cao hơn khoảng bốn mươi hai độ, cầu vồng hoàn toàn nằm dưới đường chân trời và bạn không thể thấy. Vì thế giữa trưa gần như không bao giờ có cầu vồng từ mưa.
Lần tới thấy mưa rào xen nắng vào buổi chiều, hãy quay lưng về phía Mặt Trời và nhìn về phía đông. Cơ hội thấy cầu vồng khá cao.
Cầu vồng tròn và mỗi người một cầu vồng
Nếu không có mặt đất che, cầu vồng là một vòng tròn trọn vẹn. Người ngồi trên máy bay nhìn xuống đám mây mưa khi Mặt Trời ở sau lưng đôi khi thấy được vòng tròn đầy đủ, rất đẹp. Đứng trên đỉnh núi cao nhìn xuống thung lũng mưa cũng có thể thấy nhiều hơn nửa vòng.
Vì cầu vồng phụ thuộc vào vị trí mắt người nhìn, mỗi người thấy một cầu vồng tạo bởi những giọt mưa khác nhau. Hai người đứng cạnh nhau thấy hai cầu vồng gần giống hệt, nhưng về mặt vật lý là hai tập hợp giọt khác nhau. Ngay cả mắt trái và mắt phải của bạn cũng thấy hai cầu vồng hơi khác nhau.
Cũng vì vậy mà bạn không bao giờ đi tới được chân cầu vồng. Khi bạn di chuyển, cầu vồng di chuyển theo, luôn giữ đúng góc với mắt bạn.
Câu chuyện dân gian về hũ vàng ở chân cầu vồng ở một số nơi trên thế giới có lẽ cũng xuất phát từ cảm giác gần mà không bao giờ tới đó.
Cầu vồng đôi: vì sao chiếc thứ hai ngược màu?
Đôi khi bạn thấy một cầu vồng thứ hai, mờ hơn, nằm ngoài cầu vồng chính. Nó được tạo ra khi ánh sáng phản xạ hai lần bên trong giọt mưa thay vì một lần. Mỗi lần phản xạ mất bớt ánh sáng, nên chiếc thứ hai mờ hơn.
Lần phản xạ thứ hai làm đảo ngược thứ tự màu: cầu vồng phụ có màu đỏ ở vòng trong và tím ở vòng ngoài, ngược với cầu vồng chính. Nó nằm ở góc khoảng năm mươi độ, rộng hơn cầu vồng chính.
Để ý kỹ, bạn sẽ thấy khoảng trời giữa hai cầu vồng tối hơn hẳn phần trời bên trong cầu vồng chính. Dải tối này được gọi theo tên một triết gia Hy Lạp cổ đã mô tả nó, dải tối Alexander. Nó tối vì những giọt mưa ở vùng đó không hắt ánh sáng về phía mắt bạn theo cả hai kiểu phản xạ.
Vùng trời bên trong cầu vồng chính thì sáng hơn bên ngoài, vì các giọt mưa ở đó vẫn hắt về mắt bạn một phần ánh sáng trộn đủ màu.
Tự tạo cầu vồng ở nhà
Bạn không cần chờ mưa. Vào một buổi sáng hoặc chiều nắng, đứng quay lưng về phía Mặt Trời, dùng vòi tưới cây phun sương mịn ra trước mặt. Chỉnh hướng một chút, bạn sẽ thấy cầu vồng hiện ra trong làn sương. Trẻ con rất thích trò này, và đây cũng là một cách hay để kiểm tra những gì vừa nghe: thử đổi hướng đứng xem cầu vồng có biến mất không.
Cầu vồng cũng xuất hiện quanh thác nước, đài phun nước, ở những con sóng vỡ bọt trắng ven biển vào lúc nắng xiên.
Ngoài ra, những vòng màu quanh Mặt Trăng hay Mặt Trời vào những ngày có mây mỏng trên cao là hiện tượng khác, gọi là quầng, sinh ra từ tinh thể băng chứ không phải giọt nước, và có góc riêng của nó.
Cầu vồng là một ví dụ đẹp về việc hiểu khoa học không làm mất đi cái đẹp. Biết rằng cả vòng cung ấy chỉ dành riêng cho đôi mắt mình, bạn có thấy nó còn đẹp hơn không?
Câu hỏi thường gặp
Cầu vồng có bao nhiêu màu?
Cầu vồng là một dải màu liên tục, không có ranh giới rõ ràng giữa các màu. Việc chia thành bảy màu đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím là một quy ước văn hoá phổ biến, không phải một con số vật lý cố định.
Có cầu vồng vào ban đêm không?
Có, gọi là cầu vồng trăng, tạo bởi ánh trăng sáng chiếu vào màn mưa. Vì ánh trăng yếu, mắt người thường thấy nó gần như màu trắng, dù ảnh chụp phơi sáng lâu cho thấy đủ màu.
Vì sao buổi trưa ít thấy cầu vồng?
Vì khi Mặt Trời lên cao hơn khoảng bốn mươi hai độ, toàn bộ vòng cầu vồng nằm dưới đường chân trời. Cầu vồng dễ thấy nhất khi Mặt Trời thấp vào buổi sáng sớm hoặc chiều muộn.
Cầu vồng trắng là gì?
Là cầu vồng hình thành trong sương mù hoặc mây có giọt nước rất nhỏ. Với giọt quá nhỏ, các màu chồng lên nhau và cầu vồng trông gần như trắng.
Có chạm được vào cầu vồng không?
Không. Cầu vồng không phải một vật nằm ở một chỗ, mà là hình ảnh tạo ra bởi ánh sáng đi từ nhiều giọt nước tới mắt người nhìn theo một góc nhất định. Khi bạn di chuyển, cầu vồng di chuyển theo.
