Vì sao trăng mới mọc có màu vàng cam rồi trắng dần khi lên cao

Trăng mới mọc có màu vàng cam vì ánh sáng của nó phải xuyên ngang một lớp không khí dài gấp mấy chục lần so với khi trăng ở đỉnh đầu. Trên quãng đường ấy, phân tử khí và hạt bụi, khói, hơi nước tán xạ bớt ánh sáng xanh và tím sang hướng khác, phần còn lại tới mắt ta nghiêng hẳn về vàng, cam, có khi đỏ. Trăng lên cao, quãng đường xuyên khí quyển ngắn lại, màu trắng bạc trở về.

Thấy nó ở đâu, lúc nào

Dễ thấy nhất là đêm rằm và một hai đêm trước sau, khi trăng mọc gần lúc hoàng hôn ở phía đông. Ngồi ở bờ đê, bãi biển miền Trung hay sân thượng nhìn về chân trời trống, bạn sẽ thấy vầng trăng nhô lên màu cam đậm như lòng đỏ trứng, rồi trong khoảng một giờ chuyển sang vàng, rồi trắng.

Ở Việt Nam, màu cam thường đậm nhất vào những đêm không khí có nhiều hạt lơ lửng: cuối mùa gặt khi đồng bằng đốt rơm rạ, những đợt bụi mịn bao phủ miền Bắc vào mùa đông, hay đêm sau một ngày nắng nóng, oi, mù. Ngược lại, sau cơn mưa rửa sạch không khí, trăng mọc chỉ hơi vàng rồi nhanh chóng trắng. Đêm Trung thu rơi vào đầu mùa thu, trời bắt đầu khô, trăng mọc thường có sắc vàng ấm – có lẽ vì thế mà trong văn hoá ta "trăng vàng" và Trung thu gắn với nhau.

Cùng cơ chế áp dụng cho trăng lặn lúc gần sáng ở phía tây, và cho trăng lưỡi liềm treo thấp sau hoàng hôn: vầng trăng mảnh màu cam hồng nằm sát rặng tre.

Cơ chế: một bộ lọc dài hàng trăm cây số

Ánh trăng là ánh nắng đã qua tay Mặt Trăng

Mặt Trăng không tự phát sáng. Ánh trăng là ánh nắng trắng dội lại từ đất đá Mặt Trăng, vốn dội ánh đỏ nhỉnh hơn ánh xanh một chút, nên ánh trăng vốn đã ấm hơn ánh nắng một chút. Nhưng sự khác biệt này nhỏ; thứ làm trăng mọc đổi màu rõ rệt nằm trong khí quyển Trái Đất.

Tán xạ Rayleigh: phân tử khí ưu tiên đánh bật màu xanh

Phân tử nitơ và oxy nhỏ hơn bước sóng ánh sáng rất nhiều. Với những hạt nhỏ như vậy, ánh sáng bước sóng ngắn bị tán xạ mạnh hơn hẳn bước sóng dài – theo định luật mang tên nhà vật lý Rayleigh, cường độ tán xạ tỉ lệ nghịch với lũy thừa bậc bốn của bước sóng. Nói bằng lời: ánh tím có bước sóng ngắn hơn ánh đỏ chưa đến hai lần, nhưng bị tán xạ mạnh hơn gần mười lần. Cũng chính cơ chế này làm bầu trời ban ngày màu xanh; ở đây ta xem nó từ phía ngược lại – thứ bị lấy đi khỏi chùm sáng.

Quãng đường càng dài, màu càng lệch

Khi trăng ở đỉnh đầu, ánh sáng đi qua một lượng khí mà các nhà thiên văn gọi là "1 khối khí". Trăng thấp, ánh sáng đi xiên, lượng khí tăng nhanh. Sát chân trời, con số ấy khoảng 38 lần. Mỗi khối khí lấy bớt một phần ánh xanh; qua mấy chục khối khí liên tiếp, phần xanh gần như bị vét sạch, chỉ còn vàng, cam và đỏ.

Cột "màu thường thấy" chỉ là gợi ý cho một đêm tương đối trong. Bụi, khói và hơi ẩm có thể đẩy màu đỏ lên cao hơn nhiều.

Bụi, khói, hơi nước: phần biến đổi theo từng đêm

Ngoài phân tử khí, không khí sát mặt đất chứa vô số hạt lơ lửng: bụi đất, muối biển, khói, giọt nước li ti. Những hạt cỡ nhỏ trong số đó cũng tán xạ ánh xanh nhiều hơn ánh đỏ, cộng dồn với tán xạ Rayleigh. Hạt lớn hơn thì làm mờ đều mọi màu, khiến trăng vừa đỏ vừa tối. Vì phần lớn hạt bụi và khói nằm trong một hai cây số khí quyển thấp nhất – đúng nơi ánh trăng mọc đi xuyên ngang – nên màu trăng mọc là một thước đo khá nhạy độ sạch của không khí nơi bạn đứng.

Mờ đi bao nhiêu khi ở thấp

Cùng với đổi màu, trăng mới mọc còn tối hơn hẳn. Khi trăng sát chân trời, khí quyển có thể chặn bớt phần lớn ánh sáng của nó. Vì vậy trăng mới mọc có thể nhìn thẳng thoải mái, chói ít hơn nhiều so với lúc lên cao. Các nhà thiên văn gọi hiện tượng mất sáng này là tắt dần khí quyển (extinction), và luôn tính đến nó khi đo độ sáng sao.

Hiện tượng họ hàng và dễ nhầm

• Mặt Trời mọc và lặn đỏ theo đúng cơ chế này. Dù vậy đừng nhìn thẳng vào Mặt Trời, kể cả lúc nó đỏ và có vẻ dịu, và tuyệt đối không nhìn qua ống nhòm; hãy ngắm bầu trời màu quanh nó. Hình dạng dẹt của nó lúc lặn là một hiện tượng khác, do khúc xạ.
• Trăng máu trong nguyệt thực toàn phần cũng đỏ nhưng cơ chế khác: trăng nằm trong bóng Trái Đất, chỉ được chiếu bởi ánh sáng đỏ lọt qua viền khí quyển quanh Trái Đất, như ánh của tất cả bình minh và hoàng hôn trên hành tinh cộng lại. Trăng máu xảy ra cả khi trăng ở cao giữa trời.
• Trăng xanh lam thật sự rất hiếm: đã được ghi nhận sau một số vụ cháy rừng lớn và phun trào núi lửa, khi trong không khí có nhiều hạt đều nhau với cỡ đặc biệt chặn ánh đỏ nhiều hơn ánh xanh. Cụm từ "trăng xanh" trong tiếng Anh ngày nay lại thường chỉ lần trăng tròn thứ hai trong một tháng dương lịch, chẳng liên quan đến màu.
• Trăng trông to khi ở chân trời là một ảo giác của não, không do khí quyển phóng đại – đó là đề tài riêng, không thuộc về màu sắc.

Hiểu lầm thường gặp

• "Trăng vàng vì Mặt Trăng nóng lên." Màu không liên quan nhiệt độ Mặt Trăng. Nó là màu ánh nắng sau khi bị khí quyển Trái Đất lọc.
• "Trăng đỏ là điềm xấu." Đó là cách người xưa diễn giải. Ngày nay ta biết trăng mọc đỏ chỉ cho biết không khí sát mặt đất đang nhiều bụi, khói hoặc hơi ẩm.
• "Trăng mọc đỏ là sắp nguyệt thực." Không. Hầu hết trăng mọc màu cam đều chẳng có nguyệt thực nào. Muốn biết có nguyệt thực, hãy tra lịch thiên văn.

Tự quan sát / tự thử an toàn

Ghi nhật ký màu trăng mọc

1. Tra giờ trăng mọc đêm rằm bằng ứng dụng bản đồ sao.
2. Ra chỗ nhìn được chân trời phía đông 10 phút trước giờ mọc.
3. Chụp ảnh trăng ở các độ cao khác nhau: lúc vừa nhô lên, lúc cao một nắm tay (khoảng 10°), lúc cao hai nắm tay. Đặt cân bằng trắng của máy ở chế độ "ánh nắng" thay vì tự động, để máy không "sửa" mất màu thật.
4. Ghi kèm điều kiện: trời mù hay trong, có gió không, chỉ số bụi mịn hôm đó nếu có. Sau vài tháng, bạn sẽ thấy rõ liên hệ giữa màu trăng và độ sạch không khí.

Hoàng hôn trong cốc nước

Thí nghiệm kinh điển trong bếp: đổ nước vào một cốc thuỷ tinh trong hoặc một hộp nhựa trong dài, nhỏ vào vài giọt sữa và khuấy đều. Trong phòng tối, chiếu đèn pin (loại đèn LED trắng) xuyên ngang qua hộp. Nhìn từ bên hông, nước có màu xanh nhạt – ánh sáng xanh bị tán xạ ra hai bên. Nhìn thẳng từ đầu bên kia vào đèn, đèn trông vàng cam – phần còn lại sau khi xanh bị lấy đi. Thêm sữa từng giọt, màu cam đậm dần. Bạn vừa làm một "khí quyển thu nhỏ" với các hạt sữa li ti đóng vai bụi và khói. Không cần điện lưới, không hoá chất; chỉ lưu ý không chiếu đèn pin thẳng vào mắt người khác.

Nếu muốn đọc sâu, chương về màu sắc của Mặt Trời và Mặt Trăng trong Light and Color in the Outdoors của Minnaert và các bài về tán xạ của Craig Bohren là nguồn dễ đọc mà chính xác.