Cầu vồng lộn ngược là gì: cung đỉnh đầu và điều kiện để thấy

"Cầu vồng lộn ngược" thực ra là cung đỉnh đầu (circumzenithal arc): một dải màu cong như nụ cười nằm cao gần đỉnh đầu, phía Mặt Trời, đỏ ở mép dưới. Nó không phải cầu vồng mà do ánh nắng đi vào mặt trên của những tấm băng dẹt nằm ngang trong mây ti rồi ló ra ở mặt bên. Điều kiện bắt buộc là Mặt Trời phải thấp hơn khoảng 32 độ so với chân trời, nên ta chỉ thấy nó vào buổi sáng hoặc buổi chiều.

Thấy ở đâu trên trời, lúc nào

Cung đỉnh đầu nằm ở phía cùng hướng với Mặt Trời, nhưng rất cao: khoảng 46 độ phía trên Mặt Trời, tức là gần như trên đỉnh đầu. Nó là một đoạn của vòng tròn có tâm ở thiên đỉnh, điểm ngay trên đầu bạn. Vì vòng tròn ấy nhỏ và nằm gần đỉnh đầu, ta thấy nó cong úp lên như cái bát hay như nụ cười, nên mới bị gọi là "cầu vồng lộn ngược".

Màu của cung đỉnh đầu thường tinh khiết và rực hơn cầu vồng: đỏ ở phía gần Mặt Trời (mép dưới), rồi cam, vàng, lục, lam ở mép trên. Cung thường ngắn, chiếm khoảng một phần tư đến một phần ba vòng tròn, và chỉ hiện ở chỗ có mây ti với tinh thể dẹt.

Lý do người ta ít thấy: nó nằm gần đỉnh đầu, mà chẳng mấy ai ngửa cổ nhìn thẳng lên trời. Nhiều người chỉ phát hiện ra khi đang xem mặt trời giả hai bên Mặt Trời rồi ngước lên cao hơn. Thật vậy, cung đỉnh đầu hay đi cùng mặt trời giả rõ, vì cả hai cần cùng một loại tinh thể.

Ở Việt Nam, Mặt Trời buổi trưa thường cao hơn 32 độ quanh năm, nên cung đỉnh đầu chỉ có thể xuất hiện khi Mặt Trời còn thấp: buổi sáng và buổi chiều. Vào mùa đông ở miền Bắc, Mặt Trời thấp hơn, khoảng thời gian thuận lợi trong ngày dài hơn đôi chút.

Cơ chế: lăng kính 90 độ

Tinh thể dẹt nằm ngang

Hãy hình dung một tấm băng lục giác dẹt, như đồng xu sáu cạnh, đang rơi với mặt phẳng nằm ngang. Nó có hai mặt lớn (mặt trên và mặt dưới) và sáu mặt bên nhỏ đứng thẳng.

Vào mặt trên, ra mặt bên

Khi Mặt Trời thấp, tia nắng chiếu xiên xuống, đi vào mặt trên nằm ngang của tấm băng. Bên trong tinh thể, tia đi tiếp rồi ló ra ở một mặt bên đứng thẳng. Mặt trên và mặt bên vuông góc nhau, nên với tia này, tấm băng là một lăng kính có góc 90 độ.

Tia ra bị bẻ cong mạnh, hướng lên cao. Vì các tấm đều nằm ngang nhưng có thể xoay tự do quanh trục thẳng đứng, ánh sáng ló ra tạo thành một vòng tròn nằm ngang trên trời, tâm ở thiên đỉnh. Phần sáng nhất của vòng ở phía Mặt Trời.

Vì sao phải dưới 32 độ

Khi Mặt Trời lên cao, tia đi vào mặt trên gần như thẳng đứng hơn. Bên trong băng, tia gặp mặt bên ở góc ngày càng xiên, đến lúc vượt quá góc tới hạn thì bị phản xạ toàn phần, không thoát ra được nữa. Ngưỡng này ứng với Mặt Trời cao khoảng 32 độ. Trên mức đó, cung đỉnh đầu biến mất hoàn toàn.

Ở phía ngược lại, khi Mặt Trời quá sát chân trời, tia gần như lướt song song mặt trên nên khó đi vào tinh thể, cung mờ đi. Cung đỉnh đầu rực nhất khi Mặt Trời cao khoảng 20 đến 22 độ.

Vì sao màu tinh khiết

Màu của cầu vồng hay bị pha nhạt vì đĩa Mặt Trời rộng khoảng nửa độ và giọt mưa có đủ cỡ, khiến các dải màu chồng lấn lên nhau. Với cung đỉnh đầu, lăng kính 90 độ tách các màu ra xa nhau hơn nhiều so với độ rộng nửa độ ấy, các tấm băng lại nằm ngang khá đều, nên các dải màu ít chồng nhau. Người quan sát thường tả màu của nó như "dải ruy băng" sắc nét.

Cung đỉnh đầu, cầu vồng và cung chân trời

Cung đỉnh đầu và cung chân trời là hai "anh em" dùng cùng một lăng kính 90 độ, chỉ đi theo hai chiều ngược nhau. Điều kiện về độ cao Mặt Trời của chúng gần như loại trừ nhau: một cần Mặt Trời dưới 32 độ, một cần trên 58 độ, nên không bao giờ thấy cả hai cùng lúc. Cung chân trời có bài riêng.

Hiểu lầm thường gặp

• "Đó là cầu vồng bị lật." Một cầu vồng không thể lộn ngược: cầu vồng luôn là cung tròn quanh điểm đối diện Mặt Trời, phần trên luôn cong lên. Cung đỉnh đầu nằm ở phía ngược hẳn, cùng phía Mặt Trời, do băng chứ không do mưa.
• "Phải có mưa mới thấy." Ngược lại, cung đỉnh đầu thường xuất hiện trong ngày trời khô ráo, nắng đẹp, chỉ có mây ti mỏng rất cao.
• "Rất hiếm, cả đời mới thấy một lần." Cung đỉnh đầu không hiếm như người ta nghĩ, chủ yếu do ít người nhìn lên đỉnh đầu. Ngày nào có mặt trời giả rõ, hãy ngước lên tìm.

Tự quan sát / tự thử an toàn

Không nhìn thẳng vào Mặt Trời, kể cả qua kính râm hay ống nhòm. Cung đỉnh đầu cách Mặt Trời khoảng 46 độ nên dễ quan sát mà không cần nhìn về phía đĩa Mặt Trời, miễn là bạn nhớ che Mặt Trời khi lia mắt từ dưới lên.

1. Chọn giờ: buổi sáng hoặc buổi chiều, khi Mặt Trời cao dưới 32 độ. Mẹo đo: duỗi thẳng tay, nắm tay lại, một nắm tay khoảng 10 độ. Mặt Trời cao chưa tới khoảng ba nắm tay chồng lên nhau tính từ chân trời là đạt.
2. Tìm mặt trời giả trước: nếu thấy mặt trời giả rõ, rất có thể có cung đỉnh đầu. Đứng khuất Mặt Trời sau mái nhà rồi ngước lên.
3. Nhìn đúng chỗ: từ Mặt Trời, đi thẳng lên khoảng 46 độ (hơn hai lần sải bàn tay xoè). Đó là vùng gần đỉnh đầu, hơi lệch về phía Mặt Trời.
4. Chụp ảnh: nằm ngửa hoặc chĩa điện thoại thẳng lên trời, dùng ống góc rộng. Giữ Mặt Trời ngoài khung hình hoặc sau vật che.

Tạo cung đỉnh đầu bằng cốc nước

Đây là thí nghiệm nổi tiếng của quang học khí quyển, chỉ cần một cốc thuỷ tinh hình trụ trong suốt, thành thẳng, đổ đầy nước, đặt trên bậu cửa sổ có nắng chiếu xiên buổi sáng hay chiều.

1. Đặt cốc ở mép bàn hoặc mép bậu cửa, nắng chiếu vào mặt nước phía trên.
2. Ánh nắng đi vào mặt nước nằm ngang (giống mặt trên của tấm băng) và ló ra ở thành cốc thẳng đứng (giống mặt bên).
3. Nhìn xuống sàn nhà hoặc đặt một tờ giấy trắng dưới chân bàn: bạn sẽ thấy một vệt màu cầu vồng cong. Đó là "cung đỉnh đầu" lộn xuống đất.

Nước có chiết suất khoảng 1,33, gần với băng, nên hình học tương tự. Điểm khác là cốc tròn chứ không phải lục giác, nhưng vì thành cốc thẳng đứng nên kết quả vẫn giống. Thí nghiệm hoàn toàn an toàn vì bạn nhìn vệt màu trên sàn, không nhìn Mặt Trời. Chỉ cần đặt cốc chắc chắn để không rơi vỡ.