Hãy tưởng tượng một buổi sáng thứ Ba bình thường. Bạn đang ở Nam Cực. Nhìn lên, bầu trời trong xanh đến mức gần như có tia chớp lóe ngang qua, trong trẻo đến mức bạn có thể “nếm” được. Sau đó hãy tưởng tượng một cơn bão cát bao phủ dãy Himalaya. Bạn nheo mắt, cố gắng tìm kiếm một chút màu xanh trong trẻo tương tự trên bầu trời, nhưng bạn chỉ nhìn thấy một vệt mờ màu trắng sữa. Tại sao bầu trời ở một số nơi trên thế giới có màu xanh đặc biệt, trong khi những nơi khác luôn có màu xám và sương mù?
Trong một thời gian dài, chúng ta đã say mê màu sắc của bầu trời, hoặc coi đó là điều đương nhiên, hoặc thậm chí đơn giản là phớt lờ nó; tuy nhiên, các nhà khoa học đang phát hiện ra rằng màu sắc của bầu trời không chỉ là vấn đề thẩm mỹ mà còn là một "sổ ghi chép không khí có thể nhìn thấy khi bạn nhìn lên" phản ánh trung thực những gì đang trôi nổi trong không khí xung quanh chúng ta.
Bầu trời xanh đến từ một hiện tượng vật lý gọi là "Tán xạ Rayleigh": khi ánh sáng mặt trời xuyên qua khí quyển, các phân tử nitơ và oxy trong không khí bị "lắc lư" dưới tác động của điện trường dao động của ánh sáng. Các electron trong phân tử dao động và phát lại ánh sáng theo mọi hướng. Dao động càng mạnh thì ánh sáng bức xạ càng mạnh. Trong ánh sáng khả kiến, ánh sáng có bước sóng ngắn hơn và tần số cao hơn làm gia tốc các electron mạnh hơn, do đó ánh sáng xanh lam và tím bị phân tán rõ ràng hơn.
Về mặt vật lý, bầu trời thực sự có màu "tím" vì ánh sáng tím có bước sóng ngắn hơn và tán xạ mạnh hơn. Tuy nhiên, một phần ánh sáng tím bị hấp thụ ở tầng khí quyển phía trên và mắt người nhạy cảm hơn với màu xanh lam. Trong nhận thức trực quan của chúng ta, bầu trời có vẻ xanh như chúng ta đã quen thuộc.
Tuy nhiên, câu chuyện thay đổi khi không khí chứa đầy các hạt lớn hơn (tức là sol khí) như hơi nước, bụi, bồ hóng và carbon đen. Lúc này, một loại cơ chế tán xạ khác chiếm ưu thế - "Tán xạ Mie": khi ánh sáng gặp những hạt có kích thước lớn hơn nhiều so với quy mô phân tử, các hạt không còn phản ứng đồng nhất như một "điểm", mà các phần khác nhau tạo ra phản ứng phức tạp, đa hướng đối với cùng một ánh sáng tới và ánh sáng tán xạ trở nên đồng đều hơn ở mỗi bước sóng. Kết quả là ánh sáng mặt trời có các màu khác nhau như xanh lam và đỏ bị phân tán ở mức độ tương tự nhau, và bầu trời chuyển từ một màu xanh duy nhất sang một "màu sữa" màu trắng. Lý do tại sao các đám mây (gồm những giọt nước nhỏ) có màu trắng về cơ bản là cùng một cơ chế.
Một nghiên cứu mới, chưa được bình duyệt, ghi lại trực tiếp quá trình thay đổi này. Các nhà khoa học đã theo dõi và phân tích đặc tính quang học của đám mây bụi trong cơn bão bụi băng qua dãy Tây Himalaya, đo lường sự tiến hóa của nó theo thời gian và dọc theo đường đi của nó. Khi bụi di chuyển trong không khí, nó tiếp tục trộn lẫn với các hạt ô nhiễm do hoạt động của con người thải ra; bằng cách đo mức độ mà các hạt hỗn hợp này tán xạ, hấp thụ và làm lệch hướng ánh sáng, nhóm nghiên cứu đã rút ra được “chiết suất phức tạp” của chúng—một đại lượng vật lý quan trọng mô tả cường độ và cách thức mà các hạt tương tác với ánh sáng. Họ phát hiện ra rằng khi bụi sa mạc trộn lẫn với carbon đen, sunfat và các chất ô nhiễm khác, những "bụi ô nhiễm" này sẽ tán xạ ánh sáng ở phạm vi bước sóng rộng hơn và tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng, khiến bầu trời có màu trắng mờ hoặc thậm chí trắng xám.
Amit Singh Chandel, tác giả đầu tiên của bài báo, giải thích với Refractor rằng ở phía Tây dãy Himalaya, người ta hiếm khi nhìn thấy bụi khoáng "tinh khiết", mà giống một loại "bụi ô nhiễm" phức tạp hơn: các hạt khoáng chất tự nhiên như "bazơ" có carbon đen, sunfat và các chất ô nhiễm khác do hoạt động của con người tạo ra gắn trên bề mặt của chúng. Trạng thái hỗn hợp này làm thay đổi tiết diện tán xạ và hấp thụ ánh sáng của các hạt, cho phép chúng vừa tán xạ nhiều bước sóng ánh sáng hơn, vừa “ăn” ánh sáng mặt trời mạnh hơn. Càng bám nhiều chất ô nhiễm thì khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời của các hạt hỗn hợp càng mạnh, mắt người càng ít thấy bầu trời trong xanh và toàn bộ bầu trời trông có vẻ nhiều mây hơn.
Thoạt nhìn, đây có vẻ chỉ là một sự thay đổi tinh tế trong màu sắc bầu trời nhưng ý nghĩa của nó vượt xa mức độ trực quan. Frank Robinson, phó giáo sư vật lý tại Đại học Sacred Heart ở Hoa Kỳ, chỉ ra rằng chính những hạt sol khí này cũng đóng vai trò là hạt nhân ngưng tụ đám mây và có tác động quan trọng đến mây và thời tiết. Đây chính xác là một trong những điều không chắc chắn lớn nhất trong mô hình khí hậu toàn cầu hiện nay. Ở tầng khí quyển thấp hơn, các đám mây tích được hình thành bằng cách “hỗ trợ” sự ngưng tụ của các hạt ô nhiễm phản chiếu một lượng lớn ánh sáng mặt trời trở lại không gian, làm mát bề mặt trái đất. Ngược lại, các đám mây ti ở các lớp phía trên hoạt động giống như một tấm chăn nhiệt hơn, tăng cường hiệu ứng làm ấm.
Hiệu ứng này thường được gọi là "làm mát mặt nạ": Một mặt, các chất ô nhiễm trong không khí gây nguy hiểm cho sức khỏe, mặt khác, chúng hoạt động giống như một "tấm che nắng", che giấu mức độ ấm lên thực sự một phần do khí nhà kính gây ra trong thời gian ngắn. Nếu con người đột nhiên được "khai sáng" và loại bỏ triệt để những hạt ô nhiễm này khỏi không khí trong một khoảng thời gian ngắn - và có những lý do chính đáng để làm điều đó từ góc độ y tế công cộng - thì "chiếc ô" này sẽ tiêu tan trong vòng vài thập kỷ, trong khi các khí nhà kính như carbon dioxide sẽ tồn tại trong khí quyển hàng trăm năm. Kết quả có thể là trong thời gian ngắn, tốc độ nóng lên toàn cầu sẽ tăng tốc đáng kể, bởi vì hiệu ứng nóng lên vốn bị che khuất ban đầu sẽ "ngay lập tức được thể hiện".
Do đó, màu xanh lam bạn nhìn thấy khi nhìn lên không chỉ là “thời tiết tốt” về mặt thẩm mỹ mà thường là tín hiệu trực quan về độ trong lành của không khí, là kết quả của sự nỗ lực tổng hợp của các hạt vô hình. Tại sao bầu trời đôi khi xanh và trắng vào những thời điểm khác là một câu chuyện phức tạp đan xen với ô nhiễm, mây, sol khí và biến đổi khí hậu. Mỗi sự thay đổi về màu sắc đều nhắc nhở chúng ta rằng trò chơi giữa con người và bầu khí quyển đang âm thầm viết lại nền trời phía trên chúng ta.