Đốm nắng tròn dưới tán cây: vì sao mỗi kẽ lá là một lỗ kim

Đốm nắng dưới tán cây tròn vì mỗi khe hở nhỏ giữa các lá hoạt động như lỗ kim của một chiếc máy ảnh lỗ kim, và thứ nó chiếu xuống mặt đất là ảnh của chính Mặt Trời — mà Mặt Trời thì tròn. Khe lá có hình tam giác, hình răng cưa hay méo mó cũng không quan trọng, miễn là nó đủ nhỏ so với khoảng cách xuống đất. Đó là lý do đốm nắng dưới mọi loài cây đều tròn hoặc bầu dục, chứ không mang hình chiếc lá.

Thấy nó ở đâu, lúc nào

Bất kỳ hàng cây nào trong ngày nắng: lối đi dưới hàng sấu, hàng xà cừ ở Hà Nội, sân trường dưới gốc bàng, vườn nhà dưới giàn mướp, khóm tre. Nhìn xuống nền đất, nền gạch hay nắp capô ô tô đỗ dưới cây, ta sẽ thấy vô số đốm sáng tròn chồng lên nhau, cỡ từ đồng xu tới cái bát.

Để ý thêm sẽ thấy:

• Cây càng cao, đốm nắng càng to và càng mờ viền.
• Buổi trưa đốm gần tròn; buổi sáng sớm và chiều muộn đốm thành hình bầu dục dẹt, kéo dài.
• Ở chỗ tán lá có khe rộng, đốm nắng mất dạng tròn, mang hình cái khe.
• Gió lay cành, các đốm tròn chạy qua lại nhưng vẫn giữ nguyên kích cỡ.

Người Nhật có một chữ riêng cho ánh nắng lọt qua kẽ lá: komorebi. Tiếng Việt thì có "nắng xuyên kẽ lá", và ai đi dưới hàng cây cũng từng thấy nó, chỉ ít khi tự hỏi vì sao đốm nắng lại tròn.

Cơ chế: máy ảnh lỗ kim tự nhiên

Một lỗ nhỏ cho ra một ảnh

Tưởng tượng một tấm bìa có lỗ nhỏ. Mỗi điểm trên đĩa Mặt Trời gửi một chùm tia nhỏ đi qua lỗ, rơi xuống một điểm trên mặt đất. Điểm phía trên Mặt Trời rơi xuống phía dưới, điểm bên trái rơi sang bên phải: tất cả các điểm ghép lại thành một ảnh ngược của Mặt Trời. Đây chính là nguyên lý của buồng tối (camera obscura) — chỉ khác là ở đây "màn chiếu" là mặt đất và "lỗ" là kẽ lá.

Vì sao hình khe không quan trọng

Thật ra mỗi đốm nắng là hình của khe lá được "tô" bằng hình Mặt Trời. Ta có thể nghĩ thế này: mỗi điểm trên Mặt Trời chiếu qua khe một bản sao nhỏ có hình cái khe. Mặt Trời rộng nửa độ, nên hàng triệu bản sao hình khe ấy được rải trên một vòng tròn. Kết quả cuối cùng tuỳ vào cái nào lớn hơn:

• Nếu khe nhỏ hơn nhiều so với vòng tròn ảnh Mặt Trời, các bản sao nhỏ xíu chồng lên nhau tạo thành một hình tròn. Khe hình gì cũng được.
• Nếu khe lớn hơn vòng tròn ấy, hình của khe thắng, chỉ mờ đi ở viền. Đó là lý do ánh nắng qua cửa sổ mang hình cửa sổ, không tròn.

Quy tắc 1 phần 108

Mặt Trời nhìn từ Trái Đất có đường kính góc khoảng 0,53 độ. Đổi ra tỉ lệ: đường kính Mặt Trời bằng khoảng 1/108 khoảng cách từ ta tới nó. Ảnh qua lỗ kim cũng giữ đúng tỉ lệ ấy: đường kính đốm nắng tròn ≈ khoảng cách từ kẽ lá tới mặt đất chia cho 108 (khi nắng chiếu thẳng xuống).

Con số này dùng ngược lại được: đo đốm nắng tròn nhất dưới một cái cây rồi nhân 108 là ra độ cao của tầng lá tạo ra nó — một cách ước lượng chiều cao cây khá vui.

Vì sao sáng sớm, chiều muộn đốm nắng dẹt

Ảnh Mặt Trời vẫn tròn khi đặt màn chiếu vuông góc với tia nắng. Nhưng mặt đất nằm ngang, còn nắng sáng sớm chiếu xiên. Một chùm tròn chiếu xiên lên mặt phẳng thì bị kéo dài thành hình bầu dục — giống ánh đèn pin rọi xiên xuống sàn. Nắng càng xiên, bầu dục càng dài. Tỉ lệ giữa chiều ngắn và chiều dài của đốm nắng cho biết độ cao Mặt Trời.

Biến thể đáng chờ: đốm nắng hình lưỡi liềm

Khi có nhật thực một phần, Mặt Trời bị Mặt Trăng che khuyết thành hình lưỡi liềm. Ngay lập tức, mọi đốm nắng dưới tán cây cũng chuyển thành hàng trăm lưỡi liềm nhỏ. Đây là một trong những cảnh đẹp và bất ngờ nhất của nhật thực, và lại là cách ngắm hoàn toàn an toàn vì ta nhìn xuống đất, không nhìn lên trời. Trước mỗi lần nhật thực, các trang của cơ quan khí tượng, đài thiên văn thường thông báo ngày giờ; hãy tra lịch chính thức và chuẩn bị chỗ có cây.

Ảnh qua lỗ kim là ảnh thật của Mặt Trời, nên nếu lỗ đủ nhỏ và màn đủ xa, đôi khi còn thấy được những vết đen lớn trên Mặt Trời như những chấm mờ trong ảnh. Việc này cần một buồng tối thực thụ và kiên nhẫn, không thấy được dưới tán cây lá rung rinh.

Hiểu lầm thường gặp

• "Đốm nắng tròn vì kẽ lá tròn." Kẽ lá hầu như không bao giờ tròn. Đốm tròn là ảnh của Mặt Trời.
• "Đốm to là do khe to." Với khe nhỏ, cỡ đốm do khoảng cách từ khe xuống đất quyết định. Khe to hơn chỉ làm đốm sáng hơn và viền mờ hơn, không to hơn bao nhiêu.
• "Ảnh qua lỗ kim chỉ có trong phòng tối." Phòng tối giúp ảnh rõ hơn vì không bị ánh sáng khác làm loãng, nhưng dưới bóng cây, nền đất đã đủ tối để ảnh hiện ra.
• "Ngắm nhật thực qua đốm nắng vẫn hại mắt." Không hại, vì ta nhìn ảnh chiếu trên đất, không nhìn Mặt Trời. Chỉ cần nhớ không ngẩng lên nhìn thẳng.

Tự quan sát / tự thử an toàn

Không nhìn lên Mặt Trời qua kẽ lá hay qua lỗ kim. Mọi bước dưới đây đều quay lưng lại Mặt Trời và nhìn ảnh chiếu trên mặt đất, mặt giấy.

Làm "kẽ lá" bằng bìa

1. Lấy một tấm bìa cứng, khoét ba lỗ khác hình: một lỗ tam giác, một lỗ vuông, một lỗ hình ngôi sao, mỗi lỗ rộng chừng 3–5 mm.
2. Đứng ngoài nắng, quay lưng về phía Mặt Trời, giơ tấm bìa cho nắng xuyên qua lỗ, rơi xuống một tờ giấy trắng trên mặt đất.
3. Khi tấm bìa sát tờ giấy: ba đốm sáng mang đúng hình tam giác, vuông, sao.
4. Từ từ nâng tấm bìa lên cao — một mét, rồi hai mét (nhờ người khác giữ giấy): cả ba đốm đều tròn dần, cuối cùng giống hệt nhau.
5. Đo đường kính đốm, đo khoảng cách từ bìa tới giấy, chia hai số cho nhau: kết quả xoay quanh 108.

Đo chiều cao tầng lá

1. Chọn giờ gần trưa để nắng chiếu gần thẳng đứng.
2. Tìm một đốm nắng tròn, rõ dưới gốc cây, đo đường kính bằng thước.
3. Nhân 108: ra khoảng cách tới tầng lá chứa kẽ hở ấy. So với ước lượng bằng mắt.

Dùng hai bàn tay

Đan chéo các ngón tay của hai bàn tay thành một tấm lưới có nhiều khe nhỏ, để nắng chiếu qua xuống nền xi măng. Các khe giữa ngón tay sẽ chiếu ra những đốm sáng nhỏ; nâng tay cao dần để thấy chúng tròn lại. Ngày nhật thực một phần, cách này cho ra cả chùm lưỡi liềm mà không cần dụng cụ gì.