Khi mưa tạnh và ánh nắng ló dạng, bầu trời đôi khi bừng sáng với hai dải màu rực rỡ – một hiện tượng được gọi là cầu vồng kép. Dải màu chính rực rỡ, bên trên là dải màu mờ nhạt hơn, tạo nên một khung cảnh đẹp mê hồn khiến ai cũng phải ngước nhìn. Vậy điều gì làm nên hiện tượng đặc biệt này, và tại sao lại có hai vòng cầu vồng?
Cầu vồng kép là gì?
Cầu vồng kép là hiện tượng quang học đặc biệt, bao gồm hai dải màu sắc xuất hiện đồng thời trên bầu trời. Cầu vồng sơ cấp, hay còn gọi là cầu vồng chính, là dải màu sáng rực với thứ tự quen thuộc: đỏ ở ngoài cùng, tiếp theo là cam, vàng, lục, lam, chàm, và tím ở trong. Cầu vồng thứ cấp nằm phía trên, mờ hơn và có thứ tự màu đảo ngược: tím ở ngoài, đỏ ở trong. Giữa hai dải màu này thường có một vùng tối, gọi là dải Alexander, tạo nên sự tương phản độc đáo, làm nổi bật vẻ đẹp của hiện tượng này.
Cầu vồng kép không chỉ là một cảnh tượng thiên nhiên tuyệt đẹp mà còn là minh chứng cho sự phức tạp của ánh sáng khi tương tác với các giọt nước trong không khí. Để hiểu rõ hơn, hãy cùng khám phá các yếu tố và quá trình tạo nên hiện tượng này.
Các yếu tố tạo nên cầu vồng kép
Để cầu vồng kép xuất hiện, cần có sự kết hợp hoàn hảo của ba yếu tố chính, giống như một màn trình diễn được thiên nhiên dàn dựng tỉ mỉ:
- Ánh sáng mặt trời mạnh mẽ: Ánh sáng trắng từ mặt trời, chứa tất cả các màu trong phổ quang học, là nguồn năng lượng chính. Cầu vồng thứ cấp cần ánh sáng mạnh hơn để vượt qua các lần phản xạ mà không mất quá nhiều cường độ.
- Giọt nước trong khí quyển: Những giọt nước nhỏ lơ lửng sau mưa, hoặc từ sương mù, thác nước, đóng vai trò như hàng triệu lăng kính tí hon. Để tạo cầu vồng thứ cấp, các giọt nước cần đủ lớn để ánh sáng có thể phản xạ nhiều lần bên trong.
- Góc quan sát lý tưởng: Người quan sát cần đứng sao cho mặt trời ở phía sau lưng, với góc khoảng 40-42 độ cho cầu vồng sơ cấp và 50-53 độ cho cầu vồng thứ cấp. Điều này giải thích tại sao cầu vồng kép thường xuất hiện vào sáng sớm hoặc chiều muộn, khi mặt trời ở vị trí thấp.
Nếu thiếu một trong các yếu tố này, bạn có thể chỉ thấy cầu vồng đơn hoặc chẳng thấy gì cả. Điều kiện lý tưởng này làm cho cầu vồng kép trở thành một hiện tượng đặc biệt, không phải lúc nào cũng dễ bắt gặp.
Vì sao lại có hai vòng cầu vồng?
Cầu vồng kép xuất hiện do ánh sáng mặt trời trải qua các lần phản xạ khác nhau bên trong giọt nước: một lần cho cầu vồng sơ cấp và hai lần cho cầu vồng thứ cấp. Hãy tưởng tượng mỗi giọt nước như một quả cầu kính nhỏ, nơi ánh sáng “nảy” bên trong trước khi thoát ra và đến mắt chúng ta. Quá trình này liên quan đến khúc xạ, tán sắc và phản xạ, tạo nên hai dải màu riêng biệt.
Quá trình hình thành cầu vồng sơ cấp
Cầu vồng sơ cấp, dải màu sáng hơn, được tạo ra khi ánh sáng phản xạ một lần bên trong giọt nước. Hãy cùng đi qua các bước chi tiết:
- Khúc xạ lần đầu: Ánh sáng trắng từ mặt trời đi vào giọt nước, chậm lại và bị bẻ cong do sự thay đổi từ không khí sang nước. Lúc này, ánh sáng bị tán sắc, phân tách thành các màu vì mỗi màu có bước sóng khác nhau: màu đỏ (bước sóng dài) bị bẻ ít hơn, trong khi màu tím (bước sóng ngắn) bị bẻ nhiều hơn.
- Phản xạ nội bộ: Ánh sáng chạm vào mặt trong của giọt nước và phản xạ một lần, đổi hướng trở lại phía trước.
- Khúc xạ lần thứ hai: Khi thoát ra khỏi giọt nước, ánh sáng lại bị bẻ cong, tăng cường sự phân tách màu sắc. Kết quả là dải màu với đỏ ở ngoài (góc khoảng 42 độ) và tím ở trong (góc khoảng 40 độ).
Hàng triệu giọt nước thực hiện quá trình này đồng thời, tạo nên cung màu rực rỡ mà chúng ta gọi là cầu vồng sơ cấp.
Quá trình hình thành cầu vồng thứ cấp
Cầu vồng thứ cấp, dải màu mờ hơn ở phía trên, được tạo ra khi ánh sáng phản xạ hai lần bên trong giọt nước – một quá trình phức tạp hơn, đòi hỏi năng lượng ánh sáng lớn hơn:
- Khúc xạ lần đầu: Tương tự cầu vồng sơ cấp, ánh sáng đi vào và bị tán sắc thành các màu.
- Phản xạ nội bộ hai lần: Ánh sáng “nảy” hai lần bên trong giọt nước trước khi thoát ra. Lần phản xạ thứ hai này đảo ngược thứ tự màu sắc (tím ở ngoài, đỏ ở trong) và làm mất đi khoảng 10-15% cường độ ánh sáng mỗi lần phản xạ, khiến cầu vồng thứ cấp mờ hơn khoảng 40-50% so với sơ cấp.
- Khúc xạ lần thứ hai: Ánh sáng thoát ra với góc lớn hơn, khoảng 50-53 độ, nên cầu vồng thứ cấp nằm cao hơn trên bầu trời.
Vì phản xạ hai lần, ánh sáng phải đi qua nhiều lớp nước hơn, dẫn đến sự hấp thụ và tán xạ lớn hơn, giải thích tại sao cầu vồng thứ cấp luôn mờ nhạt và không phải lúc nào cũng xuất hiện.
Dải Alexander – vùng tối bí ẩn
Giữa hai cầu vồng, bạn sẽ nhận thấy một vùng tối hơn, gọi là dải Alexander, đặt theo tên nhà triết gia Hy Lạp Alexander of Aphrodisias, người đầu tiên mô tả hiện tượng này vào thế kỷ thứ 2. Vùng tối này xuất hiện vì ánh sáng không được phân tán hiệu quả ở các góc giữa 42 độ (cầu vồng sơ cấp) và 50 độ (cầu vồng thứ cấp). Ánh sáng từ phản xạ một lần tập trung ở góc dưới 42 độ, trong khi phản xạ hai lần ở trên 50 độ, để lại khoảng trống ở giữa nơi ít ánh sáng đến được.
Những điều thú vị về cầu vồng kép
Cầu vồng kép không dễ bắt gặp
Cầu vồng thứ cấp mờ hơn do mất năng lượng qua hai lần phản xạ, nên cần ánh sáng mặt trời mạnh và lượng giọt nước đủ lớn để hiện rõ. Điều kiện lý tưởng thường là sau những cơn mưa rào ngắn, khi không khí còn ẩm ướt và ánh nắng xuyên qua mây. Đây là lý do bạn không phải lúc nào cũng thấy cầu vồng kép, ngay cả khi có cầu vồng sơ cấp.
Các biến thể độc đáo
Cầu vồng kép không phải là hiện tượng duy nhất liên quan đến ánh sáng và giọt nước. Một số biến thể thú vị khác bao gồm:
- Cầu vồng siêu số: Những dải màu mờ, hẹp xuất hiện bên trong cầu vồng sơ cấp, do hiện tượng giao thoa ánh sáng trong các giọt nước nhỏ và đồng đều. Chúng thường có màu hồng hoặc tím nhạt, tạo nên hiệu ứng tinh tế.
- Cầu vồng ánh trăng kép: Hiếm hơn nhiều, cầu vồng kép có thể xuất hiện vào ban đêm khi ánh sáng mặt trăng (thực chất là ánh sáng mặt trời phản xạ) tương tác với giọt nước. Tuy nhiên, do ánh sáng yếu, chúng thường chỉ thấy rõ qua máy ảnh hoặc trong điều kiện trăng tròn sáng rực.
- Cầu vồng cấp cao hơn: Theo lý thuyết, ánh sáng có thể phản xạ ba, bốn lần hoặc hơn trong giọt nước, tạo ra cầu vồng cấp ba, cấp bốn. Tuy nhiên, chúng quá mờ và chỉ được ghi nhận qua thiết bị quan sát chuyên dụng.
Ý nghĩa văn hóa và biểu tượng
Cầu vồng kép từ lâu đã mang ý nghĩa đặc biệt trong nhiều nền văn hóa. Ở Việt Nam, người ta thường xem nó như dấu hiệu của may mắn nhân đôi, một món quà từ thiên nhiên sau cơn mưa. Trong thần thoại Bắc Âu, cầu vồng là cây cầu Bifröst, nối thế giới con người với các vị thần, và cầu vồng kép có thể được xem như một dấu hiệu thần thánh mạnh mẽ hơn. Trong văn hóa hiện đại, cầu vồng kép đôi khi được liên tưởng đến niềm vui, sự đoàn kết, và những điều tốt đẹp nhân đôi sau khó khăn.
Các câu hỏi thường gặp về cầu vồng kép
Tại sao cầu vồng thứ cấp mờ hơn cầu vồng chính?
Cầu vồng thứ cấp mờ hơn vì ánh sáng mất năng lượng qua hai lần phản xạ bên trong giọt nước, trong khi cầu vồng sơ cấp chỉ phản xạ một lần. Mỗi lần phản xạ làm giảm khoảng 10-15% cường độ ánh sáng, khiến cầu vồng thứ cấp kém rực rỡ hơn.
Tại sao thứ tự màu của cầu vồng thứ cấp bị đảo ngược?
Phản xạ hai lần trong giọt nước làm ánh sáng đổi hướng thêm, dẫn đến thứ tự màu bị đảo ngược: tím (bước sóng ngắn) ở ngoài và đỏ (bước sóng dài) ở trong, khác với cầu vồng sơ cấp.
Có thể thấy cầu vồng kép vào ban đêm không?
Có, nhưng rất hiếm. Cầu vồng ánh trăng kép xảy ra khi ánh sáng mặt trăng tương tác với giọt nước trong điều kiện lý tưởng, như trăng tròn sáng. Tuy nhiên, chúng thường quá mờ để thấy rõ bằng mắt thường.
Vùng tối giữa hai cầu vồng là gì?
Đó là dải Alexander, nơi ánh sáng không được phân tán mạnh ở các góc giữa 42 độ (cầu vồng sơ cấp) và 50 độ (cầu vồng thứ cấp), tạo ra một vùng tương đối tối làm nổi bật hai dải màu.
Có thể có ba cầu vồng trở lên không?
Theo lý thuyết, ánh sáng có thể phản xạ nhiều hơn hai lần, tạo ra cầu vồng cấp ba hoặc cao hơn. Tuy nhiên, chúng quá mờ và chỉ được ghi nhận qua thiết bị chuyên dụng, gần như không thể thấy bằng mắt thường.
Kết luận
Cầu vồng kép là một kiệt tác của thiên nhiên, kết hợp ánh sáng, nước và góc nhìn để tạo nên hai dải màu sắc rực rỡ với dải Alexander bí ẩn ở giữa. Hiểu được khoa học đằng sau hiện tượng này không chỉ giúp ta trân trọng vẻ đẹp của nó mà còn khơi dậy sự tò mò về những quy luật kỳ diệu của vũ trụ. Lần tới khi thấy cầu vồng kép sau cơn mưa, hãy dừng lại một chút, ngắm nhìn và cảm nhận món quà đặc biệt từ bầu trời!
Xem thêm:
