Vì sao cầu vồng là một vòng tròn nhưng thường chỉ hiện thành cung?

Một chiếc cầu vồng dường như có hai đầu chạm xuống mặt đất, nhưng đó chỉ là phần chúng ta nhìn thấy. Về mặt hình học, cầu vồng chính là một vòng tròn lấy hướng đối diện Mặt Trời làm tâm. Phần lớn vòng tròn nằm dưới đường chân trời hoặc bị địa hình che khuất, nên từ mặt đất nó thường xuất hiện như một chiếc cung. Muốn hiểu vì sao, cần bỏ ý nghĩ rằng cầu vồng là một vật thể treo cố định trong đám mưa. Nó là hình ảnh quang học chỉ hình thành đối với một người quan sát ở một vị trí cụ thể. [s1] [s2] [s3]

Một giọt nước làm gì với ánh sáng?

Cầu vồng xuất hiện khi ánh sáng Mặt Trời đi vào những giọt nước lơ lửng trong không khí. Tại bề mặt giọt nước, ánh sáng đổi tốc độ và bị bẻ hướng, tức khúc xạ. Một phần ánh sáng sau đó phản xạ ở mặt trong của giọt, quay trở lại và tiếp tục khúc xạ khi thoát ra ngoài. Con đường gồm khúc xạ, phản xạ bên trong rồi khúc xạ lần nữa đưa ánh sáng từ giọt nước về phía mắt người quan sát. [s1] [s2] [s3]

Ánh sáng Mặt Trời nhìn có vẻ trắng nhưng chứa một dải bước sóng. Các bước sóng không bị bẻ cong giống hệt nhau khi đi qua nước: tím bị lệch nhiều hơn đỏ. Vì thế, ánh sáng rời giọt nước được tách thành một dải màu liên tục, dù ta thường gọi tên bằng một số màu quen thuộc. Ở cầu vồng chính, đỏ nằm về phía ngoài của cung, còn tím ở phía trong. [s1] [s2] [s3]

Vì sao hàng triệu giọt tạo thành một vòng?

Một giọt bất kỳ không gửi toàn bộ ánh sáng cầu vồng vào mắt. Người quan sát chỉ nhận được phần ánh sáng rời giọt theo hướng thích hợp. Với cầu vồng chính, vành màu đỏ nằm cách hướng đối diện Mặt Trời một góc xấp xỉ 42 độ khi nhìn từ mắt người quan sát; những màu khác đi theo các góc hơi khác. Do đó, mỗi màu được nhìn thấy từ một nhóm giọt khác nhau, chứ không phải mỗi giọt trước mặt hiện nguyên một dải màu hoàn chỉnh. [s1] [s3]

Hãy hình dung một đường kéo dài từ Mặt Trời, đi qua đầu người quan sát rồi hướng về phía bầu trời đối diện. Mọi giọt nước tạo được tia sáng ở cùng một góc quanh đường này sẽ nằm trên bề mặt của một hình nón tưởng tượng có đỉnh tại mắt. Các hướng nhìn có cùng độ lệch so với trục ấy tạo thành một vòng tròn trong trường nhìn. Đây là cách hình học giải thích hình dáng cầu vồng; sự tròn đều không bắt nguồn từ đường viền của đám mưa hay màn mưa. [s1] [s3]

Mặt đất đã giấu phần nào?

Khi đứng trên mặt đất, mắt người quan sát thường không có các giọt nước thích hợp ở phía dưới đường chân trời. Đất đai, nhà cửa và địa hình cũng chắn hướng nhìn ấy. Vì vậy, chỉ phần trên của vòng tròn còn hiện trên nền trời, tạo thành cung quen thuộc. Nói cách khác, vòng tròn quang học vẫn được xác định bởi góc nhìn, nhưng môi trường không cung cấp hoặc không cho ta thấy đủ giọt nước trên toàn bộ chu vi. [s2] [s3]

Độ cao của Mặt Trời tiếp tục quyết định bao nhiêu phần vòng tròn nhô lên. Khi Mặt Trời ở thấp phía sau lưng, tâm hình học của cầu vồng nằm không xa dưới đường chân trời, nên cung có thể cao và rộng. Khi Mặt Trời lên cao, tâm ấy hạ thấp hơn theo hướng đối diện, khiến phần cung phía trên chân trời nhỏ dần. Theo mô tả của Cơ quan Thời tiết Quốc gia Mỹ, nếu Mặt Trời cao hơn khoảng 42 độ, cầu vồng chính thông thường không còn hiện phía trên đường chân trời. [s2] [s3]

Khi nào có thể thấy cả vòng tròn?

Muốn thấy phần dưới của cầu vồng, người quan sát cần ở đủ cao và có các giọt nước nằm cả bên dưới tầm mắt. Máy bay là vị trí thuận lợi vì mây hoặc màn mưa có thể ở phía dưới, trong khi ánh nắng vẫn chiếu từ phía sau. Các điểm quan sát cao như núi hay tòa nhà cũng có thể để lộ thêm phần vòng tròn, nhưng chỉ khi ánh sáng, giọt nước và tầm nhìn cùng phù hợp. Độ cao tự nó không bảo đảm sẽ xuất hiện một cầu vồng trọn vẹn. [s1] [s2]

Điều này cũng cho thấy cầu vồng không nằm tại một tọa độ cố định để mọi người cùng nhìn giống nhau. Khi người quan sát di chuyển, đường từ Mặt Trời qua mắt và tập hợp giọt nước gửi ánh sáng tới mắt cũng thay đổi. Hai người đứng cách nhau vẫn có thể cùng nói rằng họ thấy một cầu vồng, nhưng ánh sáng đi vào mắt họ đến từ những nhóm giọt khác nhau. Vì thế, ý niệm đi đến “chân cầu vồng” không phù hợp với bản chất của hiện tượng. [s1] [s3]

Đừng nhầm cầu vồng với quầng quanh Mặt Trời

Dấu hiệu định hướng đơn giản nhất là vị trí nguồn sáng. Để thấy cầu vồng do mưa, Mặt Trời phải ở phía sau người quan sát, còn các giọt nước ở phía trước. Vòng tròn cầu vồng vì thế được tổ chức quanh hướng đối diện Mặt Trời, không phải quanh chính đĩa Mặt Trời. Một vành sáng được nhìn thấy bao quanh Mặt Trời nằm ở phía nguồn sáng, nên không thể giải thích bằng bố trí quan sát của cầu vồng mưa đang được nói tới ở đây. [s1] [s2]

Cầu vồng đôi cũng không làm thay đổi hình học cơ bản ấy. Cung phụ hình thành khi ánh sáng phản xạ hai lần bên trong giọt nước thay vì một lần. Nó mờ hơn, nằm phía ngoài cầu vồng chính, xuất hiện quanh góc gần 50 độ và có thứ tự màu đảo ngược. Cả hai cung đều là những phần nhìn thấy của các vòng tròn đồng tâm đối với người quan sát; mặt đất vẫn có thể che phần dưới của cả hai. [s1] [s2] [s3]

Vì vậy, câu trả lời ngắn gọn không phải là “cầu vồng bị uốn thành cung”, mà là mắt ta chỉ nhìn được một đoạn của cấu trúc tròn. Giọt nước quyết định cách ánh sáng bị tách và đổi hướng; vị trí Mặt Trời xác định trục của vòng; vị trí người quan sát xác định những giọt nào gửi ánh sáng tới mắt; còn chân trời quyết định phần nào bị che. Cung màu trên trời là kết quả của cả bốn yếu tố cùng lúc. [s1] [s2] [s3]