Không khí rung rinh trên mái tôn, bếp lửa, mặt đường nắng: vì sao

Không khí phía trên mái tôn, bếp lửa hay mặt đường nắng trông rung rinh vì những túi khí nóng bốc lên, trộn lẫn với khí mát xung quanh, và mỗi túi khí bẻ cong ánh sáng một chút theo kiểu khác nhau. Ánh sáng từ cảnh vật phía sau đi qua đám túi khí luôn chuyển động ấy nên bị lệch qua lệch lại liên tục, khiến hình ảnh như gợn nước. Ta không "thấy hơi nóng"; ta thấy cảnh phía sau bị bóp méo bởi không khí có nhiệt độ không đều.

Thấy nó ở đâu, lúc nào

Hiện tượng này có mặt khắp nơi trong một ngày nắng ở Việt Nam, chỉ là ta ít để ý:

• Trên mái tôn lúc mười, mười một giờ trưa: nhìn ngang qua mép mái thấy hàng cây phía xa lay động dù không có gió.
• Trên bếp than, bếp củi, lò nướng ngoài trời, ống xả xe máy vừa tắt máy.
• Trên mặt đường nhựa dài, sân bê tông, bãi cát trưa hè: hình xe cộ, cột điện ở cuối đường rung như đang nhảy múa.
• Phía sau động cơ máy bay ở sân bay: hình đường băng và đồi núi phía sau bị nhoè thành từng vệt.
• Trên ngọn nến, ấm nước, nồi canh đang sôi, nhìn trên nền tường sáng.

Điều kiện chung: một bề mặt nóng hơn hẳn không khí, đủ để đẩy khí nóng bốc lên thành dòng, và một cảnh có chi tiết rõ nét phía sau để thấy được sự méo.

Cơ chế: kính lúp bằng không khí, đổi hình liên tục

Không khí nóng bẻ sáng khác không khí mát

Không khí nóng loãng hơn không khí mát. Mật độ khác thì chiết suất khác: ánh sáng đi trong khí nóng nhanh hơn một chút so với trong khí mát. Chênh lệch rất nhỏ, mỗi độ C chỉ làm chiết suất thay đổi chừng một phần triệu. Nhưng mặt tôn ngoài nắng có thể nóng hơn không khí vài chục độ, nên lớp khí sát mái chênh lệch đáng kể.

Một túi khí nóng hình tròn lơ lửng trong khí mát hoạt động như một thấu kính rất yếu: tia sáng đi qua mép túi bị lệch ra ngoài, tia đi qua giữa đi gần như thẳng. Một túi khí mát kẹp giữa khí nóng thì ngược lại. Mỗi túi chỉ làm lệch tia sáng một góc rất nhỏ, nhưng tia sáng đi qua hàng trăm túi như thế trên đường tới mắt.

Đối lưu làm các túi khí luôn chuyển động

Khí nóng nhẹ hơn nên bốc lên, khí mát tràn vào thế chỗ. Dòng đối lưu này không êm mà cuộn xoáy, liên tục xé các túi nóng thành mảnh nhỏ hơn và trộn với khí mát. Kết quả là một "tấm kính" không khí với vô số chỗ lồi lõm tí hon, thay hình dạng nhiều lần mỗi giây.

Ánh sáng từ một điểm trên cột điện phía xa vì thế không đi tới mắt ta theo một đường cố định, mà lệch qua lệch lại. Điểm đó như đang nhảy múa. Toàn bộ hình ảnh gợn sóng, có lúc mờ đi, có lúc nét lại.

Vì sao nhìn ngang mới thấy rõ

Nhìn từ trên xuống một bếp lửa thì khó thấy rung rinh; nhìn ngang qua nó lên nền tường thì thấy rất rõ. Lý do: khi nhìn ngang, tia sáng đi một đoạn dài trong lớp khí nóng, cộng dồn nhiều lần lệch. Nhìn xuyên thẳng thì đoạn đường trong khí nóng ngắn, độ lệch nhỏ không đáng kể.

So sánh: rung rinh, ảo ảnh và sao lấp lánh

Ba hiện tượng này cùng một gốc là không khí có nhiệt độ không đều bẻ cong ánh sáng, nhưng khác nhau về cách sắp xếp của không khí:

Trên mặt đường nhựa trưa hè, ta thường thấy cả hai cùng lúc: "vũng nước" ảo ảnh ở xa, và phía trên vũng ấy hình xe cộ rung rinh. Lớp khí sát mặt đường vừa phân tầng (gây ảo ảnh) vừa cuộn xoáy (gây rung rinh).

Hiện tượng họ hàng và ứng dụng

Bóng của hơi nóng trên tường

Nếu để nắng chiếu qua một ngọn nến, một ấm nước nóng hay một cốc trà bốc hơi lên bức tường trắng, ta sẽ thấy những vệt sáng tối chuyển động bốc lên — "bóng" của dòng khí nóng. Đây là nguyên lý của phương pháp chụp bóng (shadowgraph): chỗ tia sáng bị gom lại thì sáng hơn, chỗ bị toả ra thì tối hơn. Ánh sáng mặt trời rất hợp vì nó đến từ một nguồn nhỏ và xa, nên bóng rõ nét.

Chụp ảnh Schlieren

Các phòng thí nghiệm dùng kỹ thuật tinh hơn, gọi là chụp Schlieren (từ tiếng Đức, nghĩa là "vệt"), dùng gương lõm và một lưỡi dao chặn bớt ánh sáng để biến những chênh lệch chiết suất cực nhỏ thành ảnh sáng tối. Nhờ đó người ta chụp được dòng khí bốc lên từ bàn tay người, luồng hơi thở, sóng xung kích quanh mô hình máy bay trong ống khí động.

Kẻ thù của kính thiên văn và ống kính tele

Người chụp ảnh thể thao, chim chóc bằng ống kính tele dài vào trưa nắng biết rõ: ảnh chụp chủ thể ở xa qua mặt sân nóng không bao giờ nét hoàn toàn, dù lấy nét chuẩn. Nhiều người chụp ảnh thiên nhiên chọn buổi sáng sớm, khi mặt đất chưa nóng, để tránh hiện tượng này. Đài thiên văn đặt trên đỉnh núi cao một phần cũng để giảm lớp không khí nhiễu loạn.

Hiểu lầm thường gặp

• "Rung rinh là hơi nước bốc lên." Phần lớn không phải. Mái tôn khô, mặt đường khô vẫn rung rinh mạnh. Thứ ta thấy là khí nóng, không phải hơi nước. Hơi nước chỉ thấy được khi đã ngưng thành giọt nhỏ, lúc đó nó là "khói" trắng đục, khác hẳn.
• "Rung rinh và ảo ảnh vũng nước là một." Chúng thường đi cùng nhau nhưng khác cơ chế: ảo ảnh cần các lớp nhiệt độ nằm ngang, rung rinh cần không khí cuộn xoáy.
• "Thấy rung rinh nghĩa là trời nóng lắm." Điều quyết định là chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và không khí, không phải nhiệt độ không khí. Một ngày mát mà nắng gắt vẫn làm mái tôn nóng và rung rinh; ngày oi bức nhiều mây có khi lại không thấy.
• "Mắt mình bị mỏi nên nhìn thấy rung." Người đứng cạnh cũng thấy y như vậy, và máy quay ghi lại được. Đây là hiện tượng quang học thật.

Tự quan sát / tự thử an toàn

Thí nghiệm 1: Bóng hơi nóng của cốc nước

1. Chọn buổi nắng có tia nắng rọi qua cửa sổ lên một bức tường sáng màu hoặc tờ giấy trắng dựng đứng.
2. Đặt một cốc nước nóng (pha từ phích, không cần sôi) trên bàn sao cho nắng chiếu ngang qua miệng cốc rồi rơi lên tường. Đặt cốc cách tường chừng một, hai mét.
3. Nhìn trên tường: những vệt mờ chuyển động bốc lên phía trên bóng cái cốc chính là dòng khí nóng và hơi ấm. Thay cốc nóng bằng cốc nước đá: dòng khí lạnh chảy xuống dọc thành cốc, bóng của nó cũng đi xuống.
4. Hà hơi hoặc đặt bàn tay vào vùng nắng: tay người cũng toả ra một dòng khí ấm bốc lên.

Cẩn thận với nước nóng, để cốc ở chỗ chắc chắn, trẻ nhỏ làm cùng người lớn.

Thí nghiệm 2: Nhìn qua ngọn nến

1. Cùng người lớn, thắp một cây nến trên đĩa sứ, đặt xa rèm, giấy, có sẵn cốc nước.
2. Ngồi cách nến khoảng nửa mét, nhìn một dòng chữ in to dán trên tường phía sau nến, sao cho đường nhìn đi qua vùng phía trên ngọn lửa chừng một gang tay.
3. Chữ sẽ gợn sóng. Hạ đường nhìn xuống sát ngọn lửa hơn: gợn mạnh hơn. Nâng lên cao: gợn yếu dần vì khí nóng đã trộn đều với khí mát.

Quan sát ngoài trời

Một ngày nắng, đứng ở đầu một con đường thẳng hay một sân rộng, ngồi thấp xuống và nhìn một vật có cạnh thẳng ở xa như cột điện, mép mái nhà. So lúc tám giờ sáng với lúc mười một giờ trưa: buổi trưa cạnh thẳng ấy sẽ lượn sóng rõ. Đứng ở lề đường an toàn, không ngồi xuống lòng đường xe chạy, không trèo lên mái tôn nóng.