Tại sao nguyệt thực toàn phần Mặt Trăng lại mang màu đỏ thẫm như máu?

Tại sao nguyệt thực toàn phần Mặt Trăng lại mang màu đỏ thẫm như máu?

Mỗi khi xuất hiện hiện tượng nguyệt thực toàn phần, Mặt Trăng lại mang một màu đỏ thẫm, dân gian ta thường gọi đó là trăng máu, vậy tại sao lại có hiện tượng này? Tại sao nguyệt thực một phần hoặc nguyệt thực nửa tối Mặt Trăng lại không có màu đỏ?

Trước hết xin miêu tả lại quá trình diễn ra hiện tượng nguyệt thực toàn phần như sau:
Ban đầu, lúc Mặt Trăng đang tròn và rất sáng (ngày rằm) thì bỗng nhiên xuất hiện một vệt đen ở phần rìa đĩa Mặt Trăng, vệt đen đó dần dần lấn vào bên trong khiến cho đĩa Mặt Trăng trông như một chiếc bánh bị gặm. Vệt đen “ăn” Mặt Trăng có hình vòng cung có tâm hướng ra ngoài đĩa Mặt Trăng, hình cung này lớn hơn Mặt Trăng (chính điều này làm cho pha khuyết của Mặt Trăng không giống với trăng khuyết ngày thường, hơn nữa hiện tượng này chỉ xảy ra vào đúng ngày rằm).

Phần khuyết bị “ăn” của Mặt Trăng hoàn toàn mang màu tối sẫm, cho đến khi nó bị “ăn” hết hơn một nửa thì phần khuyết ấy lại dần lộ ra màu cam, dần dần tới màu hồng, và khi Mặt Trăng bị chiếm gọn bởi phần khuyết ấy thì toàn bộ Mặt Trăng hiện lên màu đỏ thẫm.

Rồi tiếp đến mọi chuyện lại diễn ra, nhưng theo chiều hướng ngược lại, phần bóng tối đã chiếm gọn Mặt Trăng dần trả lại vùng sang cho nó, màu đỏ thẫm cũng dần biến mất khi vùng sáng quay lại.

Như mọi người ai cũng biết, cái bóng đã che mất phần sáng của Mặt Trăng đó thực ra là bóng của Trái Đất. Vào ngày rằm âm lịch, Mặt Trăng nằm ở vị trí đối diện với Mặt Trời qua Trái Đất khi xét trên mặt phẳng Hoàng Đạo, thỉnh thoảng ba thiên thể lại nằm thẳng hàng với nhau trong không gian và Trái Đất ở giữa thì ánh sáng Mặt Trời chiếu tới Mặt Trăng sẽ bị Trái Đất chắn mất. Kích thước Trái Đất lớn hơn Mặt Trăng nên đó cũng là lý do ta lấy phần bóng đè lên Mặt Trăng là một hình cung có bán kính lớn hơn đĩa Mặt Trăng.

 Tuy nhiên để giải thích tại sao Mặt Trăng lại mang màu đỏ thẫm khi bóng Trái Đất hoàn toàn che mất Mặt Trăng thì ta cần xét tới một hiện tượng vật lý khác nữa. Đó là “Tán xạ Rayleigh”:

Tán xạ Rayleigh là một loại tán xạ ánh sáng bởi các hạt hay các vùng không đồng nhất trong môi trường có kích thước rất nhỏ hơn so với bước sóng của ánh sáng. Kiểu tán xạ này làm lệch hướng mạnh các tia sáng có bước sóng ngắn.

Ta biết rằng Trái Đất còn có một lớp khí quyển bao phủ, các nguyên tử trong lớp khí quyển này có kích thước rất nhỏ so với bước sóng ánh sáng, tuy nhiên bước sóng ánh sáng cũng có nhiều mức độ độ dài khác nhau, bước sóng càng ngắn thì tần số càng cao hay năng lượng càng nhiều, ngược lại bước sóng càng dài thì tần số càng thấp và năng lượng càng ít.

 

Trong vùng ánh sáng khả kiến, các tia sáng màu đỏ, vàng, cam là  các bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn so với các tia sáng xanh, tím. Mà theo lý thuyết tán xạ Rayleigh, bước sóng càng ngắn, tức độ dài bước sóng càng bé gần bằng kích thước các nguyên tử thì càng dễ bị nguyên tử hấp thu, hay nói cách khác là năng lượng của bước sóng đó càng cao nên càng dễ bị các electron trong nguyên tử đó hấp thu. Song các bước sóng dài như màu đỏ, vàng, cam thì lại có năng lượng thấp và dễ dàng xuyên qua đám nguyên tử cản trở phía trước hơn (xác suất bị hấp thu ít hơn), Về phần các bước sóng ngắn, mỗi khi chúng bị hấp thu bởi một nguyên tử, kích thích electron nhảy mức năng lượng cao hơn thì electron lại bức xạ bước sóng đó theo hướng khác, rồi lại bị electron khác hấp thụ, rồi lại bức xạ. Cứ thế các photon mang tần số cao bị ném đi ném lại trong bầu khí quyển Trái Đất. Các bước sóng màu xanh đủ vào sâu bên trong khí quyển nên nhuộm cho bầu trời một màu xanh, các tia sóng ngắn hơn, có hại cho sự sống thì càng khó tiếp cận hơn vào bên trong, điển hình là tia cực tím, tia gama,…vv.

Vậy nên khi nguyên thực toàn phần xảy ra, các tia sáng từ Mặt Trăng xuyên qua Trái Đất và chạm tới Mặt Trăng, các tia năng lượng cao hầu như không xuyên qua được khí quyển, chỉ có tia màu đỏ, là bước sóng dài nhất vượt qua khí quyển để in lên Mặt Trăng.

Nhưng nếu chỉ giải thích tới đây thôi có lẽ chưa đủ, chắc hẳn bạn sẽ đặt nghi vấn rằng, kích thước Trái Đất lớn hơn Mặt Trăng, tại sao ánh sáng đi qua bề mặt Trái Đất lại chạm tới Mặt Trăng? Nếu có tư duy hình học chắc cũng sẽ tự hình dung ra những tia sáng sẽ đi qua Trái Đất như thế này.

Vậy thì chúng ta hãy đề cập tới một hiện tượng vật lý nữa, đó là khúc xạ ánh sáng.

Khúc xạ ánh sáng là hiện tượng ánh sáng đổi hướng khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt có chiết suất khác nhau. Khi ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất thấp hơn vào một trường có chiết suất cao hơn, tia sáng sẽ bị bẽ gãy tại mặt phân cách và góc khúc xạ bẻ tia sáng hướng vào sâu hơn bên trong môi trường có chiết suất cao.

Như vậy chúng ta cũng có thể hình dung rằng, các tia sáng Mặt Trời truyền trong môi trường chân không có chiết suất là 1, khi chúng chạm tới khí quyển Trái Đất có chiết suất lớn hơn 1, các tia sáng sẽ bị khúc xạ như sau (giả sử khí quyển Trái Đất có một bề mặt phân cách rõ ràng với môi trường ngoài vũ trụ)

Vậy là sau khi các tia sáng đi qua bầu khí quyển Trái Đất, đúng với định luật khúc xạ ánh sáng, các tia sáng đó sẽ bị uốn cong đường truyền và hướng vào Mặt Trăng sau khi thoát khỏi khí quyển Trái Đất, nhuộm cho Mặt Trăng một màu đỏ thẫm.

Còn vấn đề cuối cùng, đó là tại sao nguyệt thực một phần, nửa phần hay nửa tối thì Mặt Trăng lại không có màu đỏ? Nói chính xác hơn là tại sao màu đỏ chỉ xuất hiện khi pha nguyệt thực hoàn toàn đạt tới toàn phần hoặc gần toàn phần?

Về câu hỏi này, chúng ta có thể giải thíc như sau:

Lượng ánh sáng không đi qua khí quyển Trái Đất mà đi trực tiếp từ Mặt Trời đến bề mặt Mặt Trăng rồi phản xạ lại phần ban đêm của Trái Đất là rất lớn. Trăng vào ngày rằm rất sáng, nhưng khi bị bóng Trái Đất che, các tia sáng màu đỏ đi qua khí quyển Trái Đất thực ra đã in hằn lên phần bề mặt Mặt Trăng bị che khuất, nhưng lượng ánh sáng đi qua khí quyển này không nhiều bằng lượng ánh sáng đến trực tiếp từ Mặt Trời, do đó chúng ta không thể quan sát được pha bị khuyết của nguyệt thực có màu đỏ, nói cách khác là pha sáng chưa bị khuyết có lượng ánh sáng phản chiếu lại mắt lớn hơn nên lấn át mất pha màu đỏ còn lại, nhưng khi ánh sáng trực tiếp mà Mặt Trăng phản chiếu bị chiếm gần hết, yếu ớt dần thì lúc đó phần bị khuyết, màu đỏ mới dần lộ ra, nghĩa là ngay từ đầu phần này đã mang  màu đỏ chứ không phải tối đen, chẳng qua là phần kia sáng qua nên không nhìn thấy rõ phần màu đỏ mà thôi. Điều này cũng tương tự như ánh sáng Mặt Trời vào ban ngày cản trở sự xuất hiện của những ngôi sao trên bầu trời vậy.

Hết!!!

Trương Xuân Hoàng