Thật kỳ diệu khi mặt trời dường như nhô lên khỏi đường chân trời sớm hơn một chút vào buổi sáng và nán lại lâu hơn một chút vào ban đêm. Hiệu ứng kỳ lạ này không phải là phép thuật - tất cả là nhờ bầu khí quyển tuyệt vời của chúng ta và một thủ thuật quang học thông minh gọi là khúc xạ.

Khi ánh sáng mặt trời đi qua bầu khí quyển của Trái Đất, nó bị bẻ cong, khiến mặt trời trông cao hơn một chút so với vị trí thực tế của nó.

Sự uốn cong này dễ nhận thấy nhất ở gần đường xích đạo. Nếu không có bầu khí quyển, bình minh sẽ xuất hiện muộn hơn khoảng hai phút và hoàng hôn sẽ sớm hơn khoảng hai phút.

Phép thuật của sự khúc xạ

Khúc xạ xảy ra khi ánh sáng đi từ vật liệu này sang vật liệu khác, bị bẻ cong trên đường đi. Hiện tượng đơn giản này tạo ra những cảnh tượng ngoạn mục như cầu vồng, ảo ảnh, hào quang, và thậm chí cả sự lấp lánh của các vì sao. Nó cũng khiến một ống hút trong cốc nước trông cong vênh hoặc một viên kim cương lấp lánh rực rỡ. Khúc xạ cho phép chúng ta nhìn thấy mặt trời ngay trước khi nó mọc và ngay sau khi nó lặn.

Mức độ uốn cong phụ thuộc vào ba yếu tố chính: bước sóng ánh sáng, mật độ vật liệu mà nó đi vào, và góc mà nó đi vào. Ánh sáng di chuyển từ môi trường ít đặc hơn, như không khí, vào môi trường đặc hơn, như nước hoặc tầng khí quyển thấp hơn, sẽ uốn cong về phía đường vuông góc của ranh giới. Nếu nó di chuyển từ môi trường đặc hơn sang môi trường ít đặc hơn, hướng sẽ đảo ngược. Điều thú vị là, nếu ánh sáng chiếu vuông góc, nó không hề bị uốn cong.

Các lớp khí quyển và ánh sáng bẻ cong

Khí quyển của Trái Đất không đồng nhất—nó trở nên mỏng hơn khi độ cao tăng lên. Mật độ không đồng đều này khiến ánh sáng mặt trời bị bẻ cong theo những cách phức tạp khi đi vào từ không gian. Khi nhìn trực tiếp vào các vật thể trên cao, chúng ta thấy chúng gần như chính xác tại vị trí của chúng. Nhưng gần đường chân trời, các thiên thể xuất hiện cao hơn vị trí thực của chúng do sự khúc xạ khí quyển này.

Giải thích về khúc xạ thiên văn

Sự bẻ cong ánh sáng từ các thiên thể đi vào khí quyển của chúng ta được gọi là khúc xạ thiên văn hay khúc xạ khí quyển. Không giống như khúc xạ ánh sáng trên mặt đất, hiện tượng này liên quan đến mặt trời, mặt trăng và các ngôi sao. Về cơ bản, khí quyển hoạt động như một thấu kính, làm thay đổi đôi chút vị trí biểu kiến ​​của các thiên thể trên bầu trời.

Mặt trời, mặt trăng và các ngôi sao bị dịch chuyển

Khi ánh sáng tiếp cận Trái Đất ở một góc nhỏ gần đường chân trời, nó bị bẻ cong nhiều hơn so với ánh sáng chiếu thẳng xuống. Đây là lý do tại sao mặt trời hoặc mặt trăng dường như lơ lửng phía trên đường chân trời ngay cả khi về mặt kỹ thuật, nó đã ở bên dưới đường chân trời. Vào buổi trưa, chúng ta nhìn thấy các vật thể gần như ở đúng vị trí của chúng, nhưng gần bình minh hoặc hoàng hôn, chúng bị dịch chuyển lên trên một cung tròn vài phút. Điều này giải thích tại sao ngày có cảm giác dài hơn một chút vào các ngày xuân phân—về mặt kỹ thuật, Mặt Trời ở bên dưới đường chân trời trong khi chúng ta vẫn nhìn thấy ánh sáng của nó.

Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất

Khúc xạ không chỉ phụ thuộc vào các lớp mật độ; nhiệt độ và áp suất không khí cũng quan trọng. Áp suất cao hơn và nhiệt độ thấp hơn làm tăng khúc xạ, nghĩa là vào những ngày lạnh, áp suất cao, mặt trời có thể xuất hiện trên đường chân trời lâu hơn một chút sau khi thực sự lặn.

Tính toán thời gian mặt trời mọc và lặn

Để giúp chúng ta theo dõi mẹo quang học này, chúng ta có thể sử dụng máy tính khúc xạ mặt trời. Bằng cách nhập một thành phố, máy tính sẽ ước tính thời gian mặt trời mọc và lặn, tính đến áp suất khí quyển tiêu chuẩn (101,325 kPa) và nhiệt độ (15°C / 59°F). Lưu ý, nếu nhiệt độ hoặc áp suất thực tế trong ngày khác với các giá trị tiêu chuẩn này, thời gian mặt trời mọc hoặc lặn thực tế có thể chênh lệch vài giây.

Kỳ quan bầu trời đang chờ đón

Vậy nên lần tới khi chúng ta đón bình minh hay hoàng hôn, chúng ta biết rằng đó không phải là phép thuật mà là khoa học - sự khúc xạ trong bầu khí quyển tạo ra một ảo ảnh quang học tuyệt đẹp. Chúng ta thấy mặt trời sớm hơn một chút, mặt trăng dài hơn một chút, và những vì sao lấp lánh theo cách nhắc nhở chúng ta về sự sống động thực sự của bầu trời. Hãy tiếp tục ngước nhìn lên và chiêm ngưỡng những trò ảo thuật nhỏ bé nhưng đáng kinh ngạc của vũ trụ.