Mặt trời và các hiện tượng hàng ngày

Bầu trời

    Bầu trời, nơi diễn ra những hiện tượng được xem như vòm úp trên mặt đất và là khoảng không gian nhìn thấy được của một phần bầu khí quyển. Ban ngày, bầu trời có màu xanh lơ. Ban đêm, bầu trời có màu đen với các vì sao lấp lánh.

   Trong quan niệm của chúng ta, bầu trời chỉ là một khái niệm chung chung. Khi đề cập đến, chúng ta thường bỏ qua điều hiển nhiên là bầu trời luôn gắn liền với vị trí cụ thể của một nơi nào đó. Khi gắn với một vị trí cụ thể trên trái đất thì bầu trời được xác định một cách rõ ràng.

    Bầu trời là khoảng không gian được xác định bởi mặt phẳng tiếp xúc với trái đất tại một vị trí cụ thể và bầu khí quyển. Khi ở vị trí đó, chúng ta chỉ nhìn thấy các sự vật, hiện tượng trong khoảng không gian này. Hay nói cách khác bầu trời chính là khoảng không gian của tầm nhìn tại một vị trí cụ thể. Mỗi một vị trí lại có một bầu trời khác nhau. Và khi so với bầu khí quyển của trái đất thì bầu trời rất nhỏ bé.

1. Ngày và đêm

     Trong quan niệm của chúng ta, ngày và đêm gắn liền với "quỹ đạo" của mặt trời. Một ngày mới bắt đầu trong khung cảnh bình minh khi mặt trời từ từ nhô lên ở phía đông với sắc đỏ rực rỡ. Mặt trời càng lên cao thì sắc đỏ càng nhạt dần chuyển qua màu cam và trắng xóa khi lên cao. Rồi từ vị trí cao nhất là giữa trưa lại ngả dần về phía tây cho đến khi kết thúc một ngày trong cảnh hoàng hôn với màu đỏ rực.

     Trong khung cảnh bầu trời nơi chúng ta sinh sống, khi so sánh với vị trí mặt trời theo quan sát sẽ khiến chúng ta dễ dàng nhận ra và cho rằng mặt trời đang di chuyển mà mọc lên ở phía đông và lặn xuống ở phía tây. Điều này dẫn đến một nhận định rằng ban ngày là khoảng thời gian mà mặt trời di chuyển trên bầu trời nơi mình sinh sống.

     So với bầu khí quyển thì bầu trời rất nhỏ bé nên mặt trời di chuyển ở vùng còn lại sẽ lâu hơn rất nhiều. Như thế thì ban đêm sẽ rất dài so với ban ngày.

     Bây giờ, ai cũng biết trái đất tự quay quanh mình và quay xung quanh mặt trời. Trái đất quay một vòng quanh trục mất 24 giờ và quanh mặt trời mất khoảng 365 ngày. Hiện tượng mọc và lặn của mặt trời là do việc trái đất tự quay quanh mình gây ra.

    Chùm sáng từ mặt trời chiếu tới chia trái đất thành 2 vùng là sáng và tối.Vùng sáng được xác định bởi những tia sáng là tiếp tuyến chung ngoài cùng giữa mặt trời và trái đất. Do mặt trời có kích thước lớn hơn trái đất nên vùng sáng sẽ lớn hơn vùng tối.

    Khi sự khác biệt về vị trí của trái đất trên quỹ đạo của nó là không nhiều thì có thể coi hai vùng này trong khoảng thời gian ngắn là không đổi. Lúc này, sáng và tối là hiện tượng luân phiên của bầu trời theo tốc độ tự quay quanh trục của trái đất.

     Ban ngày của một nơi đến là khi bầu trời tại đó bắt đầu đi vào vùng chiếu sáng của mặt trời và kéo dài cho đến khi kết thúc là lúc đi qua vùng chiếu sáng vào vùng tối mà trở thành ban đêm.

     Hàng ngày, trên bầu trời tại một nơi cụ thể, chúng ta luôn thấy mặt trời mọc phía đông và lặn ở phía tây. Đây là sự dịch chuyển tương đối của mặt trời so với một vị trí trên trái đất do hiện tượng tự quay quanh mình của trái đất gây ra.

     Mặt trời mọc và lặn theo quan niệm của chúng ta ứng với việc bắt đầu và kết thúc của khoảng thời gian mà bầu trời quay trong vùng chiếu sáng. Mặt trời mọc ở phía đông có nghĩa là bầu trời tại một vị trí bắt đầu đi vào vùng sáng ở phía tây của vùng sáng. Mặt trời lặn ở phía tây bầu trời có nghĩa là ra khỏi vùng sáng ở phía đông.

     Chiều di chuyển từ đông qua tây trên bầu trời là sự di chuyển tương đối của mặt trời do việc tự quay từ tây qua đông của trái đất gây ra.

    Nếu trái đất không nghiêng thì ban ngày luôn luôn dài hơn ban đêm và các vùng cực luôn là ban ngày. Do trái đất quay nghiêng trục quanh mặt trời nên ở 2 cực luôn trái ngược nhau, tùy theo vị trí của trái đất trên quỹ đạo quanh mặt trời mà chia ra một sáng, một tối. Ứng với sự luân phiên này là việc mặt trời mọc và lặn trên 2 cực chỉ diễn ra 1 lần trên quỹ đạo và có chu kỳ là 6 tháng (1/2 chu kỳ của trái đất quanh mặt trời). Hiện tượng này được gọi là ban ngày vùng cực và ban đêm vùng cực.

Ban ngày vùng cực và ban đêm vùng cực.

    "Ban ngày vùng cực hay mặt trời lúc nửa đêm là một hiện tượng tự nhiên diễn ra tại các địa điểm có vĩ độ nằm ở phía bắc của vòng Bắc Cực cũng như ở các địa điểm có vĩ độ ở phía nam của vòng Nam Cực khi Mặt Trời vẫn còn được nhìn thấy vào thời gian ban đêm tại các địa điểm đó.

    Ban đêm vùng cực hay đêm vùng cực là thời gian mà đêm kéo dài trên 24 giờ, thông thường diễn ra bên trong các vòng cực trong mùa đông tại bán cầu đó.

    Hiện tượng này được ghi nhận ở cả hai vùng cực (Bắc và Nam), nhưng tại các khoảng thời gian chênh lệch nhau ở hai vùng này khoảng 6 tháng.

    Số lượng ngày với mặt trời lúc nửa đêm trong mỗi năm tăng dần lên khi người ta tiến sát lại gần hơn về phía cực của trái đất. Tại các điểm gần sát với hai cực thì Mặt Trời có thể được nhìn thấy liên tục trong khoảng nửa năm."

2. Bình minh và hoàng hôn

    Bình minh của một nơi đến là khi bầu trời tại đó bắt đầu xuất hiện những tia sáng đầu tiên kéo dài cho đến khi rìa trên của mặt trời xuất hiện ở đường chân trời. Còn hoàng hôn thì ngược lại, bắt đầu từ khi mặt trời lặn chỉ còn rìa trên của mình ở đường chân trời cho tới khi tia sáng cuối cùng tắt hẳn làm bầu trời chuyển sang tối hoàn toàn.

   Mặt trời đứng im, vùng chiếu sáng không đổi, các hiện tượng diễn ra đều do việc trái đất tự quay quanh mình mà lặp lại theo chu kỳ. Trong vùng chiếu sáng này, mọi thứ đều không đổi, bình minh và hoàng hôn của một nơi là khi bầu trời tại đó đi vào vùng chiếu sáng nhưng lại không nhìn thấy mặt trời từ mặt đất. Đây là hiện tượng mà khung cảnh chỉ có những tia sáng khi bầu trời đi vào một vùng ở ngoài rìa vùng chiếu sáng. Vùng này có đặc điểm là các tia sáng chỉ chiếu trên bầu trời mà chưa chiếu xuống mặt đất khiến cho khi đứng trên mặt đất không nhìn thấy mặt trời tại đó.

    Do sự khúc xạ ánh sáng của bầu khí quyển nên đường đi của các tia sáng từ mặt trời bị lệch về phía đường chân trời làm cho vị trí của mặt trời theo hướng nhìn từ trái đất sẽ cao hơn so với vị trí thực của nó. Hay nói cách khác, mặt trời mọc ở vị trí sớm hơn và lặn ở vị trí muộn hơn chúng ta vẫn nhìn thấy (tức là ở vị trí phía dưới đường chân trời).

    Bình minh và hoàng hôn là khoảng thời gian mà một vị trí trên trái đất đi vào vùng chiếu sáng có cùng tính chất. Thời gian kéo dài là như nhau, do chiều quay của trái đất so với vùng sáng, tối khác nhau mà có biểu hiện trái ngược.

    Thời gian của bình minh và hoàng hôn ở các vị trí trên trái đất là khác nhau. Càng tiến về các cực của trái đất hay rìa trên và dưới của vùng sáng thì bình minh và hoàng hôn ở vị trí đó càng kéo dài.

    "Một sai lầm phổ biến là cho rằng tại mỗi điểm bên trong vòng cực, hoặc ở điểm nơi có sự xuất hiện của mặt trời giữa đêm thì ngày có thời gian ban ngày ngắn nhấn là hoàn toàn tối tăm. Do tranh tối tranh sáng nên nó không tuyệt đối đúng. Tại các nơi rất gần với hai cực thì điều này đúng, nhưng tại các khu vực rất gần với vòng Bắc Cực và vòng Nam Cực thì ban ngày vùng cực là có, nhưng ban đêm vùng cực thì không (do khúc xạ nên ánh sáng vẫn còn ngay cả khi Mặt Trời đã lặn dưới đường chân trời trong khoảng các góc của hoàng hôn hay rạng đông dân dụng). Trên thực tế, các khu vực vùng cực có thời gian tranh tối tranh sáng trong suốt cả năm nhiều hơn so với các khu vực nằm gần xích đạo."

3. Màu sắc của mặt trời

      Sự thay đổi về màu sắc

      Một ngày mới bắt đầu trong cảnh bình minh với mặt trời từ từ nhô lên với sắc đỏ rực rỡ. Mặt trời càng lên cao thì sắc đỏ càng nhạt dần. Màu nhạt dần từ đỏ chuyển qua cam rồi là màu trắng xóa khi lên cao. Từ vị trí cao nhất là giữa trưa lại ngả dần về phía tây cho đến khi kết thúc một ngày trong cảnh hoàng hôn với sắc đỏ rực.

     Khi ánh sáng dịu đi, nhất là trong cảnh sáng sớm hoặc chiều muộn, bằng mắt thường cũng có thể nhận ra mặt trời là hình tròn với màu sắc dưới đậm trên nhạt.

     Khi lấy vị trí cao nhất trong quỹ đạo của mặt trời trên bầu trời làm chuẩn thì ở vị trí đối xứng qua đó bất luận là đang đậm lên hay nhạt đi đều có hình dạng giống nhau.

     Hiện tượng này dựa trên những cơ sở mà vô tình chúng ta không để ý. Đó là chúng ta đứng im mà trong khi cả trái đất lại chuyển động và quay xung quanh mặt trời.

     Sự thật về hiện tượng

     Kết quả quan sát của chúng ta về mặt trời chỉ ứng với một đường kẻ ngang theo chiều quay của trái đất trong vùng chiếu sáng mà thôi. Thay vì cho rằng mặt trời thay đổi màu sắc theo thời gian trong ngày bằng sự thật là chúng ta quay trong vùng được chiếu sáng sẽ thấy vùng được chiếu sáng này có nhiều màu sắc. Đó là một vòng tròn mà ở giữa màu trắng và đậm dần lên cho tới khi đỏ rực ở ngoài cùng. Có thể hình dung bằng việc xoay đường hiển thị màu sắc quan sát được khi giữ vị trí cao nhất làm tâm. Tùy vào vị trí của mình đang ở trong vùng màu gì sẽ thấy mặt trời có màu đó.

Tác động của bầu khí quyển

     Ánh sáng từ mặt trời chiếu tới trái đất qua môi trường chân không và bầu khí quyển. Ánh sáng là không đổi trong môi trường chân không nên sự khác biệt là do bầu khí quyển gây ra.

     Do vòng tròn màu sắc của vùng chiếu sáng là không đổi nên tính chất quang học của bầu khí quyển có thể coi là ổn định.

     Tuy được chia thành nhiều tầng với nhiều thành phần khác nhau nhưng khi xem xét hiện tượng này thì có thể không cần để ý xem sự biến đổi của ánh sáng diễn ra tại từng vị trí mà có thể coi đó là tính chất chung của cả bầu khí quyển. Và có thể coi bầu khí quyển là một dụng cụ quang học hình cầu có tính chất trung bình của tất cả các thành phần tạo ra nó.

     Lúc này, một tia sáng chiếu tới bầu khí quyển sẽ xảy ra hiện tượng tán sắc tùy theo góc mà nó tiếp xúc. Đồng thời, do mặt trời chiếu đến là nhiều chùm sáng nên sau khi mỗi tia sáng tán sắc ở bầu khí quyển lại kết hợp với những tia tán sắc khác mà tạo ra tia sáng mới và chiếu xuống trái đất.

Màu của ánh sáng

     Nhà bác học Issac Newton đã chứng minh ánh sáng trắng trong bầu khí quyển là tổng hợp của các loại ánh sáng màu.

     Nhưng thực ra, ánh sáng mặt trời trước khi đi vào bầu khí quyển đã là ánh sáng trắng rồi. Còn ánh sáng trắng trong bầu khí quyển lại được tạo thành từ sự tổng hợp của nhiều tia tán sắc. Hay nói cách khác, ánh sáng mặt trời chiếu qua chân không và tán sắc do bầu khí quyển rồi các tia tán sắc này lại kết hợp với nhau thành ánh sáng trắng mà ta nhìn thấy.

    Như đã biết, ánh sáng trắng là tổng hợp của những ánh sáng trong dải màu quang phổ. Khi một phần quang phổ bị mất đi, ánh sáng tổng hợp lại không phải là ánh sáng trắng mà là một ánh sáng mầu. Và ánh sáng mầu này không phải là ánh sáng đơn sắc.

    Trong vùng chiếu sáng của mặt trời, tùy vào vị trí trên vùng sáng mà nơi đó có những tia sáng khác nhau và sự kết hợp này tạo ra những tia sáng khác nhau. Những tia sáng khác nhau lại có màu sắc khác nhau và ứng với đó là màu sắc của mặt trời do tia sáng đó truyền tới.

    Việc màu của mặt trời trắng dần khi lên cao và đỏ dần khi xuống thấp là do ánh sáng tổng hợp lại bị mất dần đi tia sáng màu trong dải quang phổ gây ra. Càng ở ngoài rìa thì góc của các tia sáng chiếu tới bầu khí quyển càng nhỏ. Màu vàng cam và đỏ của mặt trời trong cảnh sáng sớm hay chiều muộn là màu của ánh sáng tổng hợp chiếu tới chúng ta.

Màu của bình minh và hoàng hôn

    Ở vùng bình minh và hoàng hôn, góc của tia sáng lại càng nhỏ. Cộng với các chùm sáng từ mặt trời chiếu tới ít khiến cho những tia sáng tán sắc kết hợp được với nhau cũng ít hơn. Điều này làm cho màu sắc càng rõ ràng hơn.

     Việc thấy tia sáng tím khi bắt đầu bình minh hoặc khi kết thúc hoàng hôn cùng với việc thấy tia sáng màu đỏ khi mặt trời vừa lặn hay chuẩn bị mọc lên có thể khiến cho ta thấy việc phân bổ màu ngược với hiện tượng tán sắc. Nhưng thật ra, các màu này vẫn có nguyên nhân và phân bố như hiện tượng tán sắc.

     Tia sáng màu tím được thấy đầu tiên trong cảnh bình minh hay cuối cùng trong cảnh hoàng hôn chính là màu dưới cùng trong dải quang phổ của tia sáng đầu tiên hoặc cuối cùng chiếu tới bầu trời bị tán sắc. Còn tia sáng màu đỏ nhìn thấy được trước khi mặt trời mọc hay ngay sau khi mặt trời lặn là dải màu trên cùng của tia sáng đầu tiên hoặc cuối cùng chiếu tới mặt đất. Tùy vào số lượng các tia tán sắc kết hợp với nhau mà tạo ra màu sắc của khung cảnh bình minh và hoàng hôn như chúng ta vẫn thấy.

    Màu sắc xung quanh ranh giới của vùng bình minh và hoàng hôn với vùng có hình mặt trời tương tự nhau. Nhưng đây thực ra đều không phải là màu đơn sắc. Trong vùng bình minh và hoàng hôn với sự kết hợp ít nên có thể dễ dàng thấy được nhiều dải màu chủ đạo. Còn trong vùng có hình mặt trời lại là màu tổng hợp của nhiều tia sáng khác nhau nên chỉ thấy được màu đỏ và cam.

4. Sự thay đổi về kích thước của mặt trời

      Sự thay đổi về kích thước

      Cùng với hiện tượng thay đổi màu sắc được nhìn thấy một cách rõ ràng, kích thước mặt trời cũng tạo cho chúng ta cảm giác về sự khác biệt theo thời gian trong ngày. Cụ thể là khi mặt trời mọc cũng như khi mặt trời lặn ứng với lúc ở sát đường chân trời cho chúng ta cảm giác mặt trời to hơn khi ở vị trí giữa trưa. Hay nói cách khác, khi lấy vị trí cao nhất trong quỹ đạo của mặt trời trên bầu trời là giữa trưa làm mốc thì kích thước mặt trời sẽ to dần lên khi thay đổi vị trí về hai đầu của quỹ đạo.

Sự thật về hiện tượng

    Với việc tự quay quanh trục của trái đất thì quỹ đạo của mặt trời trên bầu trời có thể coi là một lát cắt trong vùng có hình mặt trời. Vị trí mặt trời mọc là đầu mút phía tây và vị trí mặt trời lặn là đầu mút phía đông của lát cắt đó. Kích thước mặt trời thay đổi là do nơi quan sát trên trái đất đi vào những vị trí khác nhau trong vùng có hình mặt trời.

     Với hiện tượng trên có thể thấy trong vùng có hình mặt trời, kích thước của mặt trời sẽ to dần theo khoảng cách giữa tâm điểm với nơi quan sát và to nhất khi ở ngoài rìa. Ứng với đó là lúc mặt trời mọc và lặn. Hay nói cách khác, trong vùng có hình mặt trời thì kích thước của mặt trời tăng dần đều từ tâm cho đến ngoài rìa.

     Tâm của vùng có hình mặt trời là tiếp điểm của mặt phẳng tiếp xúc với trái đất vuông góc với trục xuyên tâm của trái đất và mặt trời. Khi so sánh về khoảng cách với mặt trời của các vị trí trong vùng có hình mặt trời thì càng xa tâm của vùng thì khoảng cách lại càng lớn. Hay nói cách khác, lúc mặt trời có kích thước nhỏ nhất lại có vị trí gần nhất và khi mặt trời có kích thước lớn nhất lại có khoảng cách xa nhất.

Tác động của bầu khí quyển

    Cũng như chú cá nhỏ, tùy vị trí nhìn lại có hình dáng khác nhau qua chiếc bình tròn. Khi ở vị trí chính giữa thì có hình dáng nhỏ nhất và to dần khi ở sát thành bình. Sự khác biệt này không nằm ở chỗ lượng nước nhiều hay ít theo chiều mắt nhìn mà phụ thuộc vào độ cong của chiếc bình. Cũng như khi nhìn qua bể thủy tinh hình hộp thì cho dù có rộng bao nhiêu thì kích thước cũng không thay đổi theo vị trí.

    Mặt trời cũng vậy, cảm giác sự thay đổi về kích thước là thực, nó không phải là ảo giác. Đó là ảnh của mặt trời qua một dụng cụ quang học đặc biệt.

    Cũng như chiếc bình thủy tinh, bầu khí quyển của trái đất như một dụng cụ quang học hình cầu. Các tầng và thành phần của bầu khí quyển chỉ ảnh hưởng tới mức độ của hiện tượng xảy ra. Trong vùng có hình mặt trời, do tác động của bầu khí quyển đã làm cho các vị trí trên đường tròn đồng tâm có trục xuyên tâm với mặt trời sẽ thấy mặt trời có kích thước giống nhau.

    Ở những vòng tròn khác nhau sẽ khác nhau. Càng xa trung tâm thì mặt trời càng to, ở vị trí ngoài rìa là to nhất. Ứng với đó là lúc mặt trời mọc và lặn.

     Những hiện tượng vẫn thấy hàng ngày này là do bầu khí quyển hình cầu và sự tự quay quanh trục của trái đất trên quỹ đạo quanh mặt trời gây ra.

      Sự thay đổi về màu sắc và kích thước của mặt trời là do bầu khí quyển gây ra. Sự khác biệt giữa lúc mặt trời mọc và lặn cũng như bình minh và hoàng hôn là do sự trái ngược trong chu kỳ cuộc sống hàng ngày của chúng ta và sự chuyển tiếp giữa hai vùng đối lập là sáng và tối. Sự khác biệt giữa quan sát và thực tế là do sự di chuyển tương đối của một vị trí trên trái đất so với mặt trời.