Ánh sáng huyền bí (hiện tượng quang học)

Ánh sáng huyền bí (từ tiếng Hy Lạp ἅλως, halōs) là một hiện tượng quang học xảy ra khi ánh sáng mặt trời tương tác với các tinh thể băng lơ lửng trong khí quyển. Ánh sáng huyền bí có thể xuất hiện dưới nhiều hình thức khác nhau, từ các vòng tròn trắng hoặc màu sắc cho đến các cung tròn và điểm sáng trên bầu trời. Chúng thường xuất hiện gần Mặt Trời hoặc Mặt Trăng, nhưng cũng có thể xuất hiện ở các vị trí khác hoặc ở phía đối diện của bầu trời. Trong các loại ánh sáng huyền bí, phổ biến nhất là vòng ánh sáng tròn (hay còn gọi là vòng ánh sáng 22°), cột ánh sáng và Mặt Trời giả, cùng với nhiều loại khác; một số rất phổ biến, trong khi một số lại rất hiếm.

Các tinh thể băng, nguyên nhân của các vòng ánh sáng huyền bí, thường nằm trong các đám mây ti hoặc ti tầng ở tầng đối lưu cao (5–10 km), nhưng trong thời tiết lạnh, chúng có thể gần mặt đất, lúc đó gọi là bụi kim cương. Hình dạng và hướng của các tinh thể băng quyết định loại ánh sáng huyền bí quan sát được. Ánh sáng bị phản xạ và khúc xạ bởi các tinh thể băng, và có thể phân tán thành các màu sắc khác nhau do hiện tượng tán sắc. Các tinh thể hoạt động như lăng kính và gương, khúc xạ và phản xạ ánh sáng giữa các mặt của chúng, dẫn dắt ánh sáng theo các hướng cụ thể.

Các hiện tượng quang học khí quyển như ánh sáng huyền bí thường được xem như một phần của dự đoán thời tiết truyền thống, là một kinh nghiệm dự đoán thời tiết trước khi khí tượng học phát triển. Chúng thường báo hiệu rằng mưa có thể xảy ra trong vòng 24 giờ tới, vì các đám mây ti tầng có thể chỉ ra sự xuất hiện của một mặt trận thời tiết sắp đến.

Các hiện tượng quang học phổ biến khác liên quan đến giọt nước thay vì tinh thể băng bao gồm cầu vồng và ánh sáng kỳ diệu.

Những sự kiện lịch sử

Dù Aristotle đã đề cập đến ánh sáng huyền bí và Mặt Trời giả từ thời cổ đại, những mô tả đầu tiên về các hiện tượng tổ hợp này ở châu Âu thuộc về Christoph Scheiner ở Rome (khoảng năm 1630), Hevelius ở Danzig (1661) và Tobias Lowitz ở St Petersburg (1794). Các quan sát viên Trung Hoa đã ghi nhận các hiện tượng này trong nhiều thế kỷ, với dẫn chiếu sớm nhất có thể là một đoạn trong 'Tùy thư' viết năm 637, về 'Thập huy' (十辉, Mười loại ánh sáng), nêu rõ các thuật ngữ cho 26 hiện tượng ánh sáng huyền bí của Mặt Trời.

Cột ánh sáng

Một cột ánh sáng hoặc cột mặt trời xuất hiện như một cột sáng từ đường chân trời gần lúc Mặt Trời lặn hoặc mọc, tuy nhiên, nó cũng có thể xuất hiện dưới Mặt Trời, đặc biệt nếu người quan sát ở vị trí cao. Hiện tượng này do các tinh thể băng hình cột và lục giác gây ra. Các tinh thể dạng tấm thường chỉ tạo ra cột ánh sáng khi Mặt Trời ở dưới 6 độ cao so với đường chân trời; trong khi các tinh thể cột có thể tạo ra cột ánh sáng khi Mặt Trời cao đến 20 độ. Các tinh thể có xu hướng định hướng gần như ngang khi rơi hoặc trôi nổi trong không khí, và kích thước cùng độ rõ của cột Mặt Trời phụ thuộc vào cách sắp xếp của các tinh thể.

Cột sáng cũng có thể xuất hiện quanh Mặt Trăng và các nguồn ánh sáng khác như đèn đường. Các cột sáng từ nguồn ánh sáng mặt đất thường cao hơn nhiều so với cột sáng liên quan đến Mặt Trời hoặc Mặt Trăng. Do người quan sát ở gần nguồn sáng hơn, việc định hướng của các tinh thể ít ảnh hưởng hơn trong việc hình thành cột sáng này.

Vòng hào quang tròn

Một trong những dạng hào quang nổi bật nhất là hào quang 22°, thường được gọi là 'quầng', tạo thành một vòng lớn quanh Mặt Trời hoặc Mặt Trăng với bán kính khoảng 22° (gần bằng chiều rộng của bàn tay dang rộng khi cánh tay duỗi ra). Các tinh thể băng làm cho hào quang 22° được sắp xếp gần như ngẫu nhiên trong khí quyển, khác với các hướng ngang cần thiết cho một số loại hào quang khác như mặt trời giả và cột ánh sáng. Do các tinh thể băng có tính chất quang học đặc biệt, không có ánh sáng nào phản xạ vào bên trong vòng hào quang, khiến bầu trời xung quanh trông tối hơn, tạo cảm giác như có một 'lỗ trên bầu trời'. Hào quang 22° khác với vành nhật hoa, một hiện tượng quang học khác gây ra bởi giọt nước và có hào quang màu sắc hơn.

Các dạng hào quang khác có thể xuất hiện bao gồm hào quang 46°, vòng tròn mặt trời ảo hoặc vòng cung chân trời, và chúng có thể hiện lên dưới dạng vòng cung đầy đủ (vòng tròn) hoặc không đầy đủ.

Hào quang Bottlinger

Hào quang hình elip Bottlinger là một dạng quầng cực kỳ hiếm, có hình dạng elip thay vì tròn. Với đường kính nhỏ, nó thường khó quan sát trong ánh sáng mặt trời chói chang và thường chỉ được phát hiện khi mặt trời mờ nhạt hơn, thường là từ trên đỉnh núi hoặc khi bay bằng máy bay. Hào quang Bottlinger vẫn chưa được giải thích một cách rõ ràng. Một giả thuyết cho rằng chúng hình thành từ các tinh thể băng hình chóp rất phẳng với các mặt nghiêng ở góc thấp, lơ lửng theo chiều ngang trong khí quyển. Điều kiện vật lý cụ thể và phức tạp của hiện tượng này giải thích tại sao nó rất hiếm.

Tên gọi khác

Trong phương ngữ Anglo-Cornish của người Anh, hào quang của mặt trời hoặc mặt trăng được gọi là mắt của một con gà trống, biểu thị sự báo hiệu của thời tiết xấu. Thuật ngữ này liên quan đến từ Breton kog-heol (gà trống mặt trời) có cùng ý nghĩa. Ở Nepal, hào quang mặt trời được gọi là Indrasabha, liên hệ đến vị thần Indra của sấm sét và mưa trong Hindu giáo.

Hào quang nhân tạo

Những hiện tượng tự nhiên này có thể được tái tạo một cách nhân tạo qua nhiều phương pháp. Thứ nhất, thông qua mô phỏng máy tính, hoặc thứ hai, bằng các phương pháp thực nghiệm. Trong phương pháp thực nghiệm, có thể sử dụng một tinh thể đơn và xoay nó quanh một hoặc nhiều trục phù hợp, hoặc áp dụng phương pháp hóa học. Một cách tiếp cận thử nghiệm khác, sâu hơn và gián tiếp hơn, là sử dụng hình học khúc xạ tương tự.

Cách tiếp cận khúc xạ tương tự

Phương pháp này dựa vào việc hình học khúc xạ qua một tinh thể băng có thể được tái tạo hoặc mô phỏng bằng khúc xạ qua một vật thể hình học khác. Bằng cách này, các vòng cung tròn thiên đỉnh, vòng cung tròn chân trời và vòng cung Parry có thể được tái tạo qua các vật thể tĩnh, đối xứng tròn xoay (không phải dạng hình lăng trụ). Một thí nghiệm đơn giản với nước trên bàn có thể tạo ra hiệu ứng vòng cung tròn thiên đỉnh và vòng cung tròn chân trời đầy màu sắc chỉ với một ly nước. Khúc xạ qua khối trụ nước gần như giống với khúc xạ trung bình qua tinh thể hình cầu hoặc hình lục giác đứng, tạo ra các vòng cung tròn với màu sắc sinh động. Thực tế, thí nghiệm nước thường bị nhầm là mô phỏng cầu vồng và đã tồn tại từ ít nhất năm 1920.

Theo lý thuyết của Huygens về cơ chế (sai) của mặt trời giả 22°, bạn cũng có thể chiếu sáng (từ bên cạnh) một ly thủy tinh hình trụ chứa nước với đường kính chắn trung tâm bằng một nửa đường kính ly, để khi chiếu trên màn hình, tạo ra hiệu ứng gần giống mặt trời ảo. Hiệu ứng này xuất hiện như một cạnh màu đỏ bên trong chuyển thành một dải màu trắng ở các góc lớn hơn ở cả hai mặt của hướng truyền trực tiếp. Dù hiệu ứng trực quan gần giống, thí nghiệm này không liên quan đến cơ chế tụ quang giả và do đó không phải là tương tự thực sự.

Phương pháp hóa học

Những pha chế hóa học đầu tiên để tạo ra hào quang nhân tạo được Brewster đề xuất và A. Cornu nghiên cứu thêm vào năm 1889. Ý tưởng là tạo ra tinh thể bằng cách kết tủa dung dịch muối. Các tinh thể cực nhỏ hình thành sẽ tạo ra hào quang khi bị chiếu sáng, tương ứng với hình dạng và định hướng của tinh thể với ánh sáng. Một số phương pháp pha chế khác vẫn được sử dụng và nghiên cứu. Những vòng tròn thường là kết quả của các thí nghiệm như vậy, tuy nhiên, các vòng cung Parry cũng có thể được tạo ra theo cách này.

Phương pháp cơ học

Các nghiên cứu thực nghiệm đầu tiên về hiện tượng hào quang được ghi nhận bởi Bravais vào năm 1847. Ông đã sử dụng một lăng kính thủy tinh tam giác đều và xoay quanh trục đứng của nó. Khi chiếu sáng bằng chùm ánh sáng trắng song song, nó tạo ra vòng tròn Parhelic nhân tạo và nhiều điểm sáng ảo trên đó. Tương tự, A. Wegener đã sử dụng các tinh thể hình lục giác xoay để tạo ra mặt trời phụ ảo. Trong phiên bản thí nghiệm mới hơn, nhiều điểm sáng ảo trên vòng cung được tạo ra bằng các lăng kính thủy tinh BK7 lục giác. Các thí nghiệm đơn giản này hữu ích cho giáo dục và thí nghiệm trình diễn. Tuy nhiên, với lăng trụ thủy tinh, không thể tái tạo vòng cung thiên đỉnh hoặc vòng cung chân trời do phản xạ toàn phần không cho phép các tia sáng truyền cần thiết khi .

Trước Bravais, nhà khoa học người Ý F. Venturi đã thử nghiệm với lăng kính nhọn chứa đầy nước để trình bày vòng cung thiên đỉnh. Tuy nhiên, lời giải thích này đã được thay thế bởi giải thích chính xác hơn của Bravais sau đó.

Tinh thể băng nhân tạo đã được sử dụng để tạo ra các hào quang mà phương pháp cơ học không thể đạt được thông qua việc sử dụng lăng kính thủy tinh, như vòng cung thiên đỉnh và chân trời. Sử dụng tinh thể băng đảm bảo rằng các hào quang tạo ra có cùng góc với hiện tượng tự nhiên. Các tinh thể khác như NaF, với chỉ số khúc xạ gần băng, cũng đã được sử dụng trước đây.

Để tạo ra các hào quang nhân tạo như vòng cung tiếp tuyến hoặc vòng hào quang ngoại tiếp, cần xoay một tinh thể hình lục giác đơn trên hai trục. Tương tự, các vòng cung Lowitz có thể được tạo ra bằng cách xoay một tinh thể đĩa đơn trên hai trục. Các máy tạo hào quang chuyên dụng có thể thực hiện việc này. Máy đầu tiên được chế tạo vào năm 2003, và nhiều máy khác được phát triển sau đó. Đặt các máy này trong màn hình chiếu hình cầu và theo nguyên lý gọi là phép biến đổi bầu trời, sự tương tự gần như hoàn hảo. Các phiên bản vi mô của máy này có thể tạo ra hình chiếu chính xác không bị biến dạng của các hào quang nhân tạo phức tạp. Cuối cùng, việc kết hợp hình ảnh và hình chiếu từ các máy tạo hào quang có thể tạo ra một hình ảnh duy nhất, mô phỏng các hào quang tự nhiên phức tạp với nhiều định hướng lăng kính băng khác nhau.

Việc tái tạo các hào quang tròn trong thí nghiệm là thử thách lớn nhất khi chỉ sử dụng một tinh thể đơn lẻ, loại tinh thể dễ nhất thường được tạo ra qua pha chế hóa học. Để sử dụng một tinh thể đơn, cần phải nắm rõ tất cả các định hướng 3D khả thi của nó. Gần đây, điều này đã được thực hiện bằng hai phương pháp. Phương pháp đầu tiên sử dụng kỹ thuật khí nén và một hệ thống tinh vi; phương pháp thứ hai sử dụng một máy dựa trên Arduino, tự động định hướng một tinh thể gắn trong quả cầu trong suốt có vách mỏng.

Thư viện hình ảnh

• Quang học
• Hiện tượng mặt trời giả
• Mây ti tầng

Các liên kết hữu ích

• Giải thích và hình ảnh về hiện tượng halo tại Atmospheric Optics
• Meteoros AKM – Giải thích và hình ảnh về hiện tượng halo
• Báo cáo về những quan sát halo thú vị trên toàn cầu
• Hiện tượng halo ở bán cầu Nam và các hiện tượng khí quyển khác Lưu trữ ngày 19 tháng 1 năm 2019 tại Wayback Machine
• Halo tại Chisinau, Moldova (ảnh và video)
• Walter Tape & Jarmo Moilanen, Halo khí quyển và tìm kiếm góc x (e-book miễn phí)
• Hiện tượng Halo - Hyperphysics