Vì sao Mặt Trời lặn bị dẹt và vẫn thấy khi đã xuống dưới chân trời

Mặt Trời sát chân trời trông dẹt vì khí quyển bẻ cong ánh sáng, và mép dưới của Mặt Trời bị nâng lên nhiều hơn mép trên. Cũng chính sự bẻ cong ấy nâng toàn bộ hình Mặt Trời lên khoảng nửa độ — xấp xỉ bằng đường kính của nó — nên khi ta thấy mép dưới vừa chạm chân trời, về mặt hình học Mặt Trời thật đã chìm hẳn xuống dưới rồi.

Thấy nó ở đâu, lúc nào

Cảnh rõ nhất là hoàng hôn trên biển hoặc trên một cánh đồng phẳng, khi Mặt Trời đã dịu đi nhiều nhờ lớp khí quyển dày. Lúc Mặt Trời còn cao cỡ hai, ba đường kính trên chân trời, nó gần như tròn. Càng xuống thấp, nó càng bẹt ra theo chiều đứng, như quả trứng nằm ngang. Sát chân trời, có hôm nó còn có bậc, có răng cưa, hoặc dính với một "cái chân" bên dưới thành hình chữ Ω.

Mặt Trăng mọc trên biển cũng dẹt y như vậy, và đây là cách an toàn nhất để ngắm hiện tượng: trăng tròn mọc lúc chạng vạng phía đông, ta có thể nhìn bao lâu cũng được. Người ở bãi biển miền Trung như Nha Trang, Quy Nhơn (nay thuộc tỉnh Gia Lai) có lợi thế vì trăng và Mặt Trời mọc từ biển phía đông.

Cơ chế: khúc xạ khí quyển

Khí quyển dày đặc ở dưới thấp và loãng dần lên cao. Ánh sáng đi từ không gian vào khí quyển giống như đi xiên vào một khối nước có độ đặc tăng dần: nó bị uốn cong dần về phía mặt đất. Ta nhìn ngược theo tia sáng đi vào mắt, nên thấy thiên thể cao hơn vị trí thật.

Mức nâng này phụ thuộc rất mạnh vào độ cao của thiên thể:

• Ở thiên đỉnh, tia sáng đi thẳng xuống, gần như không bị bẻ.
• Ở độ cao 45°, Mặt Trời chỉ bị nâng khoảng một phút cung (một phần sáu mươi của một độ) — không ai nhận ra.
• Ở độ cao 10°, mức nâng khoảng năm phút cung.
• Ngay tại chân trời, mức nâng vọt lên khoảng 34 phút cung, tức hơn nửa độ.

Mặt Trời và Mặt Trăng đều rộng khoảng nửa độ trên bầu trời (khoảng 32 phút cung). Khi mép dưới chạm chân trời, mép dưới được nâng chừng 34 phút cung, còn mép trên, cao hơn nửa độ, chỉ được nâng chừng 28–29 phút. Chênh lệch khoảng năm, sáu phút cung đó làm chiều đứng của Mặt Trời co lại còn khoảng bốn phần năm chiều ngang. Chiều ngang không đổi vì hai mép trái và phải ở cùng độ cao, được nâng như nhau.

Các con số trên là giá trị trung bình cho khí quyển "chuẩn". Ngày thực tế, mức khúc xạ ở chân trời thay đổi theo nhiệt độ và áp suất sát mặt đất, có thể lệch đáng kể so với 34 phút cung. Đó là lý do mỗi buổi hoàng hôn Mặt Trời dẹt một kiểu.

Ta còn thấy Mặt Trời khi nó đã lặn

Vì cả đĩa Mặt Trời bị nâng hơn nửa độ ở chân trời, có một khoảng thời gian ngắn mà Mặt Trời "hình học" đã nằm hoàn toàn dưới đường chân trời nhưng ta vẫn thấy trọn vẹn đĩa sáng. Ở vùng nhiệt đới, Mặt Trời đi xuống gần như thẳng đứng, mất khoảng hai phút để hạ nửa độ, nên khúc xạ kéo dài buổi chiều thêm chừng hai phút, buổi sáng cũng sớm hơn chừng ấy. Ở vĩ độ cao, Mặt Trời lặn xiên, khoảng thời gian này dài hơn nhiều.

Đây là một lý do khiến ngày xuân phân, thu phân không dài đúng 12 giờ mà nhỉnh hơn vài phút. Lý do còn lại là quy ước: giờ mọc, giờ lặn trong lịch được tính khi mép trên chạm chân trời, không phải tâm.

Trường hợp cực đoan: Mặt Trời hiện ra sớm hai tuần

Năm 1597, đoàn thuỷ thủ Hà Lan của Willem Barentsz trú đông ở quần đảo Novaya Zemlya trong Bắc Băng Dương, nơi đêm địa cực kéo dài nhiều tuần. Theo nhật ký của người trong đoàn, họ thấy Mặt Trời ló lên sớm hơn khoảng hai tuần so với tính toán. Sau này người ta giải thích đây là khúc xạ cực mạnh do lớp không khí rất lạnh sát mặt băng tạo thành "ống dẫn sáng", đưa ánh sáng của Mặt Trời ở dưới chân trời tới mắt người quan sát. Hiện tượng được đặt tên là hiệu ứng Novaya Zemlya.

Bảng: Mặt Trời ở chân trời bị nâng bao nhiêu

Nhìn bảng thấy ngay: mức nâng tăng vọt trong vài độ cuối. Chính vì mức nâng đổi nhanh theo độ cao nên hai mép trên và dưới chênh nhau nhiều — đó là gốc rễ của hình dẹt.

Những hình dạng lạ sát chân trời

Mặt Trời có bậc, có răng cưa

Khi không khí sát mặt đất hay mặt biển có lớp nóng lạnh xen nhau (như một lớp nghịch nhiệt ở độ cao vài chục mét), khúc xạ không còn thay đổi đều đặn. Đĩa Mặt Trời bị cắt thành những dải, mỗi dải bị nâng một mức, trông như chồng đĩa xếp lệch hoặc mép có răng cưa. Những dải này thay đổi liên tục trong lúc Mặt Trời hạ xuống.

Mặt Trời hình chữ Ω

Khi mặt biển ấm hơn không khí, lớp khí nóng sát nước tạo ảo ảnh dưới: một ảnh lộn ngược của Mặt Trời hiện ra ngay bên dưới, nhô lên đón lấy đĩa thật. Hai ảnh chạm nhau thành hình chữ Ω hoặc hình chiếc bình. Cơ chế ảo ảnh dưới và trên được bàn kỹ trong bài về ảo ảnh trên biển.

Mặt Trời tắt sớm khi chưa chạm chân trời

Ngược lại, có hôm Mặt Trời biến mất khi còn cách chân trời một khoảng: phần dưới bị "nuốt" bởi đường ảo ảnh hoặc bởi lớp mù sát mặt nước. Tia lục — chớp xanh lá ở khoảnh khắc cuối — cũng gắn với khúc xạ khí quyển, nhưng thêm yếu tố tán sắc; hiện tượng đó có bài riêng.

Hiểu lầm thường gặp

• "Mặt Trời dẹt và to ở chân trời là cùng một hiện tượng." Không. Dẹt là do khúc xạ, đo được bằng máy ảnh. Còn cảm giác Mặt Trời, Mặt Trăng ở chân trời to hơn là ảo giác của não; chụp ảnh và đo thì đường kính ngang gần như không đổi.
• "Khúc xạ làm Mặt Trời lặn trễ cả nửa tiếng." Ở Việt Nam chỉ cỡ vài phút. Khoảng trời còn sáng sau khi Mặt Trời lặn là chạng vạng, do ánh sáng tán xạ trong khí quyển trên cao, chuyện khác hẳn.
• "Mặt Trời đỏ khi lặn vì nó nguội đi." Màu đỏ là do lớp khí quyển dày làm tán xạ bớt ánh xanh trên đường đi tới mắt ta, không liên quan tới khúc xạ hay hình dẹt.
• "Hình dẹt là do ống kính máy ảnh." Mắt thường cũng thấy, và Mặt Trăng mọc dẹt y hệt khi nhìn bằng mắt trần.

Tự quan sát / tự thử an toàn

Không nhìn thẳng vào Mặt Trời, kể cả lúc hoàng hôn, kể cả qua kính râm, phim chụp X-quang hay ống nhòm. Ống nhòm, ống kính tele hướng vào Mặt Trời có thể gây tổn thương mắt vĩnh viễn trong tích tắc. Những cách dưới đây đủ để thấy rõ hiện tượng mà không phải liều.

Cách 1: Ngắm trăng mọc dẹt

1. Tra lịch âm: trăng rằm mọc vào khoảng lúc Mặt Trời lặn, ở phía đông.
2. Ra bãi biển hoặc chỗ trống nhìn được chân trời phía đông, đến sớm mười lăm phút.
3. Khi trăng vừa nhô hẳn lên, quan sát bằng ống nhòm hoặc chụp bằng điện thoại phóng to: trăng sẽ dẹt rõ, có khi mép dưới gợn sóng.
4. Chụp lại sau mỗi năm phút: trăng tròn dần khi lên cao.

Cách 2: Chụp hoàng hôn rồi đo trên ảnh

1. Đặt điện thoại lên giá hoặc tựa vào vật cố định, hướng về phía Mặt Trời lặn, chụp hoặc quay video. Nhìn hình trên màn hình, đừng nhìn thẳng vào Mặt Trời và không dí mắt vào kính ngắm quang học.
2. Chọn tấm có Mặt Trời vừa chạm chân trời. Đo bằng công cụ chỉnh sửa ảnh: bề ngang bao nhiêu điểm ảnh, bề dọc bao nhiêu.
3. Thường bề dọc chỉ còn khoảng 80–90% bề ngang. So với tấm chụp lúc Mặt Trời cao hơn vài độ để thấy sự khác biệt.

Cách 3: So giờ lặn với lịch

Ghi lại phút cuối cùng còn thấy Mặt Trời trên mặt biển, so với giờ lặn mà ứng dụng thời tiết hay trang của cơ quan khí tượng công bố. Chênh lệch vài phút là bình thường: lịch dùng mức khúc xạ trung bình, còn khí quyển hôm đó có thể khác. Nhìn bằng hình trên màn hình điện thoại, không nhìn trực tiếp.