Quầng mặt trời là vòng sáng bán kính khoảng 22 độ bao quanh Mặt Trời, sinh ra khi ánh nắng đi xuyên qua hàng triệu tinh thể băng hình lăng trụ sáu cạnh lơ lửng trong mây ti mỏng. Vòng luôn cùng một cỡ vì cỡ của nó chỉ phụ thuộc vào góc giữa các mặt tinh thể băng và chiết suất của băng, không phụ thuộc mây cao hay thấp, tinh thể to hay nhỏ. Mép trong của quầng hơi đỏ, phía trong vòng tối hơn bầu trời bên ngoài.
Thấy quầng ở đâu, lúc nào
Quầng 22 độ hiện ra khi bầu trời phủ một lớp mây trắng mờ như tấm voan, mỏng tới mức vẫn thấy rõ đĩa Mặt Trời và bóng của mình vẫn đổ xuống đất. Người làm khí tượng gọi lớp mây ấy là mây ti tầng (cirrostratus) hoặc mây ti (cirrus). Chúng nằm rất cao, thường từ khoảng 6 đến 12 km, nơi nhiệt độ xuống dưới âm vài chục độ C nên gần như chỉ chứa băng chứ không có giọt nước.
Ở Việt Nam, quầng xuất hiện quanh năm nhưng người ta hay để ý nhất vào những ngày trời hanh nắng nhạt, nhất là trước khi một đợt thời tiết mới kéo tới. Mây ti tầng thường đi trước một khối mây lớn hơn, nên dân gian các nơi có nhiều câu nối quầng với mưa nắng. Đó là kinh nghiệm dân gian, có phần đúng ở chỗ mây ti báo hiệu không khí ẩm ở tầng cao, nhưng không phải lần nào thấy quầng cũng có mưa.
Quầng không chỉ quanh Mặt Trời. Những đêm trăng sáng có mây ti mỏng, quanh Mặt Trăng cũng hiện một vòng y hệt, cùng bán kính 22 độ, chỉ nhạt màu hơn vì ánh trăng yếu, mắt ban đêm khó phân biệt màu.
Quầng 22 độ không hiếm, thường gặp hơn cả cầu vồng. Nó chỉ hay bị bỏ qua vì nằm ngay cạnh Mặt Trời, chỗ chẳng ai muốn ngước mắt nhìn.
Cơ chế: một lăng trụ băng có góc 60 độ
Tinh thể băng trong mây ti thường có dạng lăng trụ sáu cạnh, giống một chiếc bút chì lục giác cắt ngắn. Có loại dài như cột, có loại dẹt như tấm, cỡ chỉ vài chục micromet, tức nhỏ hơn sợi tóc.
Đường đi của tia sáng
Hãy nhìn tinh thể từ đầu bút chì xuống: đó là một hình lục giác. Nếu tia nắng đi vào một mặt bên rồi ra ở mặt bên cách nó một mặt (không phải mặt kề sát), thì hai mặt ấy kéo dài ra sẽ gặp nhau thành góc 60 độ. Tức là, với tia sáng này, tinh thể băng hoạt động y như một lăng kính tam giác góc 60 độ trong phòng thí nghiệm vật lý.
Lăng kính bẻ cong tia sáng. Góc lệch thay đổi theo hướng tia đi vào, nhưng có một giá trị nhỏ nhất gọi là góc lệch cực tiểu. Với băng (chiết suất khoảng 1,31) và lăng kính 60 độ, góc lệch cực tiểu vào khoảng 22 độ. Không tia nào đi qua tinh thể theo đường này mà bị bẻ ít hơn 22 độ.
Vì sao lại thành một vòng sáng rõ
Điểm mấu chốt nằm ở chỗ: quanh góc lệch cực tiểu, góc lệch thay đổi rất chậm. Xoay tinh thể đi một chút, tia ra gần như vẫn lệch 22 độ. Vì vậy rất nhiều tinh thể nằm ở đủ mọi tư thế cùng dồn ánh sáng về đúng góc ấy. Ánh sáng "chồng đống" ở 22 độ, tạo nên một vòng sáng sắc nét.
Trong mây ti, các tinh thể nhỏ lơ lửng xoay đủ mọi hướng, chẳng hướng nào được ưu tiên. Nhờ sự hỗn loạn ấy mà ánh sáng lệch 22 độ toả đều theo mọi phía quanh Mặt Trời: trên, dưới, trái, phải. Kết quả là một vòng tròn trọn vẹn, chứ không phải vài đốm rời rạc.
Bạn không nhìn thấy cùng một nhóm tinh thể như người đứng cách bạn một cây số. Mỗi người thấy quầng do những tinh thể nằm đúng hướng 22 độ tính từ chính mắt mình. Vì thế quầng luôn "đi theo" người nhìn, giống cầu vồng.
Vì sao cỡ vòng không đổi
Bán kính 22 độ là một góc, không phải một khoảng cách. Mây ở độ cao 7 km hay 10 km, vòng quầng vẫn chiếm đúng 22 độ trên vòm trời. Tinh thể dài hay ngắn, to hay nhỏ cũng không đổi góc ấy, vì góc chỉ do hai thứ quyết định: góc 60 độ giữa hai mặt tinh thể (luôn đúng nhờ cấu trúc sáu cạnh của băng) và chiết suất của băng (gần như không đổi). Hai con số này như nhau ở mọi nơi.
Màu sắc và phần trời tối bên trong
Ánh sáng đỏ bị băng bẻ ít hơn ánh sáng xanh một chút. Nên góc lệch cực tiểu của màu đỏ nhỏ hơn, khoảng 21,7 độ, còn của màu xanh lam lớn hơn, khoảng 22,5 độ. Mép trong của quầng vì thế ngả đỏ cam, tiếp đến vàng. Phía ngoài, các màu xanh chồng lên nhau và lên ánh trắng của những tia lệch nhiều hơn, nên phần ngoài của quầng loang ra thành trắng nhạt, không rõ màu như cầu vồng.
Nhìn kỹ sẽ thấy vùng trời bên trong quầng sẫm hơn hẳn bên ngoài. Lý do đơn giản: không có tia nào lệch dưới 22 độ, nên vùng sát Mặt Trời nhận ít ánh sáng đi qua tinh thể theo đường lăng kính. Bên ngoài vòng thì vẫn có ánh sáng từ những tia lệch nhiều hơn. Chính phần trời tối này làm cho mép trong của quầng nổi rõ như được kẻ chì.
| Đặc điểm | Quầng 22 độ | Vòng màu sát trăng/mặt trời (corona) | Cầu vồng |
|---|---|---|---|
| Nằm ở đâu | Quanh Mặt Trời hoặc Mặt Trăng | Sát quanh Mặt Trời hoặc Mặt Trăng | Phía đối diện Mặt Trời |
| Cỡ | Luôn khoảng 22 độ | Vài độ, đổi theo cỡ giọt | Khoảng 42 độ quanh điểm đối nhật |
| Do gì tạo ra | Tinh thể băng lục giác (khúc xạ) | Giọt nước nhỏ (nhiễu xạ) | Giọt mưa (khúc xạ và phản xạ trong) |
| Màu đỏ ở đâu | Mép trong | Mép ngoài mỗi vòng | Mép ngoài |
| Loại mây | Mây ti, ti tầng (rất cao) | Mây trung tích, mây mỏng có giọt nước | Mưa rào, bụi nước |
Vòng màu nhỏ sát quanh trăng khi trăng lấp ló sau mây mỏng là một hiện tượng khác hẳn, do nhiễu xạ ở giọt nước; bài về vòng màu quanh trăng trong chuyên mục mặt nước và ảo ảnh giải thích riêng.
Họ hàng của quầng 22 độ
Cùng những tinh thể băng ấy có thể vẽ lên trời cả một gia đình hiện tượng. Quầng chỉ là thành viên phổ biến nhất.
- Quầng 46 độ: to gấp đôi, nhạt và hiếm hơn nhiều. Tia sáng đi qua một mặt bên và một mặt đáy của tinh thể, hai mặt này vuông góc nhau, tức là một lăng kính 90 độ. Góc lệch cực tiểu của lăng kính 90 độ bằng băng là khoảng 46 độ.
- Mặt trời giả: khi tinh thể dẹt nằm ngang như chiếc lá rơi, ánh sáng không toả đều thành vòng mà gom vào hai đốm sáng hai bên Mặt Trời, gần mép quầng. Hiện tượng này có bài riêng.
- Cung tiếp tuyến trên: khi tinh thể dạng cột nằm ngang, một cung sáng hình chữ V hoặc hình cánh chim chạm vào đỉnh quầng 22 độ.
- Cột sáng, cung đỉnh đầu, cung chân trời: cũng do băng, nhưng dùng mặt phản xạ hoặc lăng kính 90 độ, ở vị trí khác hẳn.
Hiểu lầm thường gặp
"Quầng là cầu vồng quanh Mặt Trời"
Không đúng. Cầu vồng cần giọt nước và nằm ở phía trời đối diện Mặt Trời. Quầng cần băng và nằm quanh Mặt Trời. Thứ tự màu cũng ngược nhau: cầu vồng đỏ ở mép ngoài, quầng đỏ ở mép trong.
"Quầng to hay nhỏ tuỳ ngày"
Quầng 22 độ luôn cùng cỡ. Thứ khiến người ta thấy "to nhỏ khác nhau" thường là nhầm giữa quầng 22 độ với corona (nhỏ, sát Mặt Trời) hoặc với quầng 46 độ (to gấp đôi).
"Quầng do ô nhiễm hay bụi"
Bụi khói không có mặt phẳng sắc nét theo góc cố định nên không thể tạo vòng 22 độ. Không khí đục bụi có thể tạo một vầng trắng mờ quanh Mặt Trời gọi là vầng sáng tán xạ, không có mép rõ và không có vùng tối phía trong.
Tự quan sát / tự thử an toàn
Trước hết: không bao giờ nhìn thẳng vào Mặt Trời, kể cả qua kính râm, phim chụp X-quang hay ống nhòm. Quầng nằm cách Mặt Trời 22 độ, nên bạn hoàn toàn quan sát được nó mà không cần đưa mắt vào đĩa Mặt Trời.
- Che Mặt Trời trước khi nhìn. Đứng sao cho một cột điện, góc mái nhà, tán cây hay bức tường che khuất đĩa Mặt Trời. Có thể duỗi thẳng tay, dựng bàn tay lên che. Khi ánh chói bị chặn, quầng hiện rõ hơn hẳn.
- Đo bằng bàn tay. Duỗi thẳng cánh tay, xoè bàn tay hết cỡ: từ đầu ngón cái đến đầu ngón út vào khoảng 20 đến 22 độ với phần lớn người lớn. Đặt đầu ngón cái ở chỗ Mặt Trời đã bị che, đầu ngón út sẽ chạm gần mép quầng.
- Tìm vùng tối bên trong và mép đỏ. So độ sáng của trời trong vòng và ngoài vòng. Mép đỏ cam ở trong rõ nhất khi mây đều và mỏng.
- Chụp ảnh. Điện thoại có ống góc rộng (0,5x) thường lọt cả vòng. Đặt Mặt Trời sau cột đèn hoặc mép mái nhà để ảnh không cháy sáng. Hạ độ sáng phơi sáng một chút để màu ở mép trong hiện ra.
- Tìm thêm họ hàng. Nhìn hai bên Mặt Trời ở cùng độ cao xem có đốm sáng không (mặt trời giả), nhìn đỉnh quầng xem có cung hình chữ V không. Lùi ra xa vòng gấp đôi xem có quầng 46 độ nhạt không.
Tự tạo một "quầng" trong nhà
Một lăng kính thuỷ tinh (đồ dùng học tập) hoặc cạnh bể cá vuông chứa nước có thể minh hoạ góc lệch cực tiểu. Chiếu đèn pin vào lăng kính trong phòng tối, xoay lăng kính từ từ: vệt sáng trên tường dịch đi, chậm lại, dừng ở một chỗ rồi quay ngược lại. Chỗ nó dừng chính là góc lệch cực tiểu. Bây giờ hình dung hàng triệu lăng kính tí hon xoay ngẫu nhiên, mỗi cái đều "dừng" ở cùng một góc: đó là quầng. Đừng dùng đèn laser chiếu vào mắt người khác, và đừng dùng Mặt Trời làm nguồn sáng cho thí nghiệm này.
Ban đêm, quầng trăng là cách quan sát dễ và an toàn nhất: ánh trăng không làm hại mắt, bạn có thể nhìn thoải mái và đo bằng bàn tay y như ban ngày.
Câu hỏi thường gặp
Quầng mặt trời là gì?
Quầng mặt trời là vòng sáng bán kính khoảng 22 độ quanh Mặt Trời, do ánh nắng bị bẻ cong khi đi qua tinh thể băng lục giác trong mây ti ở độ cao lớn. Mép trong của vòng hơi đỏ, trời bên trong vòng tối hơn bên ngoài.
Vì sao quầng mặt trời luôn có cỡ 22 độ?
Vì mỗi tinh thể băng hoạt động như lăng kính 60 độ, và lăng kính băng 60 độ có góc lệch cực tiểu khoảng 22 độ. Góc này chỉ phụ thuộc hình dạng tinh thể và chiết suất của băng, không phụ thuộc độ cao mây hay cỡ tinh thể.
Thấy quầng mặt trời có phải sắp mưa không?
Quầng cho biết có mây ti chứa băng ở tầng cao, loại mây hay đi trước một hệ thời tiết mới. Vì thế đôi khi sau quầng trời chuyển mưa, nhưng không phải lần nào cũng vậy. Đây là kinh nghiệm dân gian có cơ sở một phần, không phải quy luật.
Quầng mặt trời khác cầu vồng thế nào?
Quầng do băng, nằm quanh Mặt Trời, cỡ 22 độ, đỏ ở mép trong. Cầu vồng do giọt mưa, nằm ở phía đối diện Mặt Trời, cỡ khoảng 42 độ, đỏ ở mép ngoài. Hai hiện tượng không bao giờ cùng vị trí trên bầu trời.
Nhìn quầng mặt trời có hại mắt không?
Bản thân quầng không hại mắt, nhưng nó nằm gần Mặt Trời nên dễ vô tình nhìn vào đĩa Mặt Trời. Hãy che Mặt Trời bằng cột điện, mái nhà hoặc bàn tay duỗi thẳng trước khi nhìn, và không dùng ống nhòm hướng về phía đó.