Ảo ảnh trên biển Fata Morgana: vì sao tàu lơ lửng, đảo lộn ngược

Con tàu "lơ lửng" trên biển hay hòn đảo "lộn ngược" là ảnh thật của vật thật, chỉ có điều tia sáng từ vật đã bị bẻ cong khi đi qua những lớp không khí nóng lạnh khác nhau sát mặt nước. Khi lớp không khí ấm nằm đè lên lớp không khí lạnh sát biển, tia sáng bị uốn vòng xuống, mắt ta nhìn ngược theo tia và thấy vật ở chỗ cao hơn thật, có khi chồng lên nhau thành tháp, thành vách — đó là Fata Morgana. Ở biển Việt Nam, kiểu hay gặp hơn là ảo ảnh "dưới", khiến tàu như đứng trên một dải trời.

Thấy nó ở đâu, lúc nào

Ai đứng trên bãi biển lâu đều có lúc thấy một chiếc thuyền xa tít trông như tách khỏi mặt nước, giữa thân thuyền và đường chân trời hở ra một vệt sáng mỏng. Có hôm đảo ngoài khơi trông như cái nấm: chân đảo thắt lại, phần trên phình ra. Có hôm đường chân trời không còn phẳng mà gợn lên thành những bức tường, những cột trụ, đổi hình liên tục trong vài phút.

Ba kiểu cảnh này không cùng một nguyên nhân. Để phân biệt, cần nhớ một điều: ảnh luôn bị kéo về phía không khí lạnh hơn, vì không khí lạnh đặc hơn, tia sáng đi qua đó chậm hơn và bị uốn cong về phía nó.

• Mặt biển ấm hơn không khí (sáng sớm mùa đông khi gió mùa đông bắc thổi không khí lạnh ra biển còn ấm, hoặc nước nông ven bờ bị nắng hun): lớp khí sát nước nóng hơn, ảnh bị đẩy xuống dưới. Ta thấy phần đáy tàu bị "nuốt" hoặc có ảnh lộn ngược ngay bên dưới, kèm một dải trời phản chiếu — đây là ảo ảnh dưới.
• Mặt biển lạnh hơn không khí (nước lạnh, không khí ấm tràn tới từ đất liền hoặc từ vùng nóng): ảnh bị nâng lên, vật ở xa trông cao hơn, thậm chí hiện ra những thứ thường nằm khuất sau đường chân trời — đây là ảo ảnh trên.
• Nhiều lớp nóng lạnh xen kẽ trong vài chục mét sát mặt nước: ảnh bị kéo giãn, nén, lặp lại nhiều tầng, xuôi và ngược xen nhau — đây mới là Fata Morgana đúng nghĩa.

Fata Morgana nổi tiếng nhất ở eo biển Messina giữa Sicily và mũi đất Calabria của Ý, nơi tên gọi ra đời: "Fata Morgana" là tiếng Ý chỉ nàng tiên Morgan trong truyền thuyết vua Arthur, người ta tin bà dựng những lâu đài trên không để nhử thuỷ thủ. Ảo ảnh này cũng hay gặp ở vùng biển lạnh, hồ lớn mùa xuân (nước còn lạnh, không khí đã ấm), và vùng băng địa cực.

Ở Việt Nam, ảo ảnh dưới trên biển gặp khá thường. Ảo ảnh trên rõ rệt thì hiếm hơn vì nước biển nhiệt đới ít khi lạnh hơn không khí nhiều độ.

Cơ chế: tia sáng không đi thẳng trong không khí

Trong một môi trường đồng nhất, ánh sáng đi thẳng. Nhưng không khí không đồng nhất: chiết suất của không khí phụ thuộc mật độ, mà mật độ phụ thuộc nhiệt độ. Chênh lệch rất nhỏ — mỗi độ C chiết suất thay đổi chừng một phần triệu — nhưng tia sáng đi ngang gần như song song mặt đất suốt hàng cây số thì những chênh lệch tí hon ấy cộng dồn lại đủ bẻ cong đường đi một cách rõ ràng.

Hãy hình dung tia sáng như một hàng lính đi ngang. Nếu nửa hàng bên dưới lội qua đất lầy (không khí lạnh, đặc, ánh sáng chậm hơn) còn nửa trên đi trên đường khô (không khí ấm, loãng, ánh sáng nhanh hơn), cả hàng sẽ tự quay đầu về phía đất lầy. Tia sáng cũng vậy: nó cong về phía không khí lạnh.

Mắt và não ta không biết tia sáng đã đi cong. Ta luôn giả định ánh sáng đến theo đường thẳng, nên ta "vẽ" vật ở chỗ kéo dài thẳng ra từ hướng tia đi vào mắt. Khi tia cong võng xuống (không khí lạnh ở dưới), tia đi vào mắt từ hướng hơi chếch lên, ta thấy vật cao hơn thật. Khi tia cong vồng lên (không khí nóng ở dưới), tia đến từ hướng chếch xuống, ta thấy vật thấp hơn hoặc thấy ảnh lộn ngược bên dưới.

Vì sao lại có ảnh lộn ngược

Ảnh lộn ngược xuất hiện khi có hai đường đi khác nhau từ cùng một điểm trên vật tới mắt. Một tia đi gần thẳng, cho ảnh xuôi. Một tia khác đi vòng qua lớp không khí nóng (hoặc lạnh) rồi bị uốn lại, đi tới mắt từ hướng khác. Vì đường vòng này đảo thứ tự trên – dưới của các tia, ảnh thứ hai bị lật. Khi có nhiều lớp nhiệt độ, có thể có ba, bốn đường đi khác nhau, nên ta thấy ảnh xuôi – ngược – xuôi chồng lên nhau, kéo thành cột. Đó là lý do Fata Morgana trông như lâu đài có tường thẳng đứng: mỗi điểm nhỏ trên chân trời bị kéo dài theo chiều dọc.

Ống dẫn sáng trong không khí

Khi lớp nghịch nhiệt (không khí ấm nằm trên không khí lạnh) đủ mạnh, độ cong của tia sáng có thể bằng hoặc lớn hơn độ cong của mặt Trái Đất. Tia sáng khi đó bị giữ lại trong lớp khí lạnh sát mặt nước, đi men theo mặt cầu như trong một cái ống. Kết quả: ta nhìn thấy những vật lẽ ra nằm khuất dưới chân trời — một hòn đảo hay bờ bên kia cách xa hàng chục cây số bỗng "nổi" lên. Hiện tượng này tiếng Anh gọi là looming, ta có thể gọi là "vật nổi lên".

So sánh các kiểu ảo ảnh trên mặt nước

Ảo ảnh "vũng nước" trên đường nhựa ngày nắng cũng thuộc kiểu ảo ảnh dưới, chỉ khác bề mặt nóng là mặt đường thay vì mặt biển.

Biến thể và hiện tượng họ hàng

Tàu lơ lửng trên một dải trời

Đây là cảnh hay được chụp nhất. Khi lớp khí sát nước nóng hơn, phần dưới của chiếc tàu ở xa bị thay bằng ảnh của bầu trời phía sau (vì tia sáng từ trời bị uốn ngược lên vào mắt ta từ hướng chếch xuống). Ta có cảm giác tàu không chạm nước. Đảo xa trông như cây nấm, chân thắt lại, cũng do cùng cơ chế: chân đảo bị ảnh của trời lấn vào.

Mặt Trời và Mặt Trăng méo hình trên biển

Khi Mặt Trời hay Mặt Trăng ở sát chân trời biển, chính những lớp không khí này làm nó dẹt, có bậc, hoặc dính với ảnh lộn ngược của nó thành hình chữ Ω. Cơ chế dẹt đó được bàn riêng trong bài về Mặt Trời lặn bị dẹt.

Hiểu lầm thường gặp

• "Ảo ảnh là do mắt bị lừa, không có gì thật." Sai một nửa. Ảnh là thật theo nghĩa vật lý: máy ảnh chụp được, nhiều người đứng cùng chỗ đều thấy giống nhau. Cái "ảo" chỉ là vị trí và hình dạng ta suy ra.
• "Ảo ảnh là do hơi nước phản chiếu." Không. Không có tấm gương nào cả. Ảnh sinh ra hoàn toàn nhờ tia sáng bị uốn cong dần dần qua không khí có nhiệt độ thay đổi. Khi nói "ảnh phản chiếu" chỉ là cách ví von.
• "Ảo ảnh chỉ có ở sa mạc." Sa mạc chỉ là nơi nổi tiếng. Mặt biển, mặt hồ, mặt đường nhựa, thậm chí nóc xe ô tô ngoài nắng đều cho ảo ảnh khi điều kiện nhiệt độ đúng.

Tự quan sát / tự thử an toàn

Đi tìm ảo ảnh trên biển

1. Chọn chỗ đứng thấp, gần mép nước: ảo ảnh rõ nhất khi mắt ở sát lớp khí có nhiệt độ thay đổi mạnh. Ngồi xổm trên bãi cát đôi khi thấy rõ hơn đứng thẳng. Đứng trên mỏm đá cao thì nhiều khi ảo ảnh biến mất.
2. Nhìn những vật ở xa từ năm đến vài chục cây số: thuyền, đảo, giàn khoan, mũi đất bên kia vịnh. Vật gần thì tia sáng chưa đi đủ xa để bị uốn đáng kể.
3. Dùng ống nhòm hoặc chế độ phóng to của điện thoại. Ảo ảnh thường chỉ chiếm một góc rất nhỏ, mắt trần dễ bỏ qua.
4. Chụp một tấm, đợi mười phút chụp lại cùng chỗ. So hai ảnh sẽ thấy hình đảo, hình tàu thay đổi theo gió và nắng.

Không nhìn về phía Mặt Trời khi dùng ống nhòm hay phóng to điện thoại, kể cả lúc chiều tối — chọn hướng quay lưng lại hoặc vuông góc với Mặt Trời.

Làm ảo ảnh trong bể nước ở nhà

Có thể tạo một "lớp không khí có chiết suất thay đổi" thu nhỏ bằng nước đường, cùng người lớn:

1. Lấy một hộp nhựa trong suốt hoặc bể kính nhỏ. Đổ vào đáy chừng một phần ba nước đường thật đặc (hoà nhiều đường trong nước ấm, để nguội).
2. Rất chậm, đổ nước lã lên trên qua một miếng xốp hay mặt sau chiếc thìa để hai lớp không trộn vào nhau. Để yên vài tiếng: đường khuếch tán lên tạo một vùng chuyển tiếp mà chiết suất giảm dần từ dưới lên.
3. Tắt đèn phòng. Lấy một đèn pin, che đầu đèn bằng tấm bìa khoét một khe hẹp để có một vệt sáng mảnh, chiếu ngang qua bể, hơi chếch lên: vệt sáng trong nước sẽ đi cong thấy rõ. Nhỏ vài giọt sữa vào nước trước đó để vệt sáng hiện rõ hơn.
4. Nhìn một chữ hay một hình vẽ đặt sau bể qua vùng chuyển tiếp: hình sẽ bị kéo giãn, có lúc thấy hai ảnh.

Nước đường đóng vai không khí lạnh đặc, nước lã đóng vai không khí ấm loãng.