Màu của tuyết: từ vật lý ánh sáng đến các chỉ số môi trường

Việc nhận thức tuyết là màu trắng là một trong những sự lừa dối thị giác phổ biến nhất trong tự nhiên. Thực tế, tuyết là achromatic (không màu), và màu nhìn thấy của nó là kết quả phức tạp của tương tác giữa bức xạ mặt trời với cấu trúc vi mô độc đáo của lớp tuyết, và nó có thể là chỉ báo của các quá trình vật lý, hóa học và sinh học.

1. Các nguyên lý vật lý: tại sao tuyết lại trông trắng?

Chlüssel để giải mã nằm ở cấu trúc lớp tuyết và các luật bức xạ ánh sáng (scattering).

Tuyết không phải là nước, mà là một khối thể rắn không màu chứa không khí bị đóng băng. Nó chứa từ 90-95% không khí được đóng băng trong mạng lưới các tinh thể băng và hạt.

Bức xạ nhiều lần. Khi ánh sáng chạm vào tuyết, nó không bị hấp thụ mà chạm vào hàng ngàn ranh giới phân biệt «băng-khí» bên trong và giữa các tinh thể tuyết. Tại mỗi ranh giới như vậy, ánh sáng bị gãy quang và phản xạ. Do các cạnh của tinh thể băng hướng ngẫu nhiên, ánh sáng được phân tán theo mọi hướng.

Giữ谱. Lạnh trong dải tần số nhìn thấy gần như không có sự lựa chọn: nó hấp thụ yếu đều các độ dài 波 (từ đỏ đến tím). Do đó, khác với bầu trời xanh (ở đó ánh sáng ngắn波 chủ yếu bị phân tán — bức xạ Rayleigh), trong tuyết, tất cả dải tần số nhìn thấy đều bị phân tán. Sự trộn lẫn tất cả các 波, quay lại người quan sát, mắt và não con người giải thích như màu trắng — achromatic, sáng nhất.

2. Các hiện tượng màu sắc: khi tuyết không phải màu trắng

Việc偏离白色 cho thấy sự vi phạm sự trong suốt của hệ thống «băng-khí» và việc đưa vào các yếu tố bổ sung.

Tuyết xanh và tím. Điều này không phải là ảo ảnh, mà là hiện thực vật lý. Hiện tượng này xảy ra trong các vết nứt sâu của các sông băng, trong lớp tuyết sâu hoặc trong bóng râm. Khi lớp tuyết rất dày (một vài mét), ánh sáng có thể đi qua một hành trình dài bên trong khối lượng tuyết. Khi đó, băng bắt đầu thể hiện sự hấp thụ chọn lọc yếu: các tia dài波 (đỏ, vàng) bị hấp thụ mạnh hơn so với các tia ngắn波 (tím, xanh). Kết quả là, ánh sáng tím từ sâu trong lớp tuyết xuất hiện ra ngoài. Hiện tượng này được gọi là bức xạ dưới bề mặt, tương tự như hiện tượng làm cho nước trong đại dương có màu tím.

Ví dụ: Các hang đá băng nổi tiếng trong các sông băng (ví dụ, Vatnayökull ở Iceland hoặc sông băng Mer-de-Glas ở Pháp) phát sáng với màu tím sapphire mạnh chính vì lý do này.

Tím, đỏ và «táo đỏ »tuyết. Đây là hiện tượng sinh học. Màu sắc này của tuyết được các vi tảo lạnh yêu thích tạo ra, chủ yếu là các loài Chlamydomonas nivalis. Để bảo vệ khỏi ánh sáng ultra-violet mạnh ở độ cao lớn, các vi tảo này sản xuất các sắc tố carotenoid (astaxanthin), làm cho tuyết có màu từ hồng đến đỏ thẫm. «Nở hoa» của vi tảo tuyết làm giảm độ phản xạ của bề mặt, làm tan chảy nhanh hơn và là một thành phần quan trọng nhưng vẫn còn ít được nghiên cứu trong hệ sinh thái.

Ví dụ: Tuyết đỏ ở núi California (Sierra Nevada), dãy Alps và thậm chí ở Antarktika. Năm 2020, việc biến đỏ của tuyết xung quanh trạm nghiên cứu Antarktika của Ukraine «Akademik Vernadsky» đã thu hút sự chú ý của toàn thế giới.

Đen, vàng và nâu.

Vàng/nâu: Thường là dấu hiệu của sự trộn lẫn của bụi hoặc cát. Nguyên nhân có thể là cơn bão bụi (ví dụ, cát từ Sahara, bay đến dãy Alps và làm cho các dốc núi变色), tro bụi núi lửa hoặc sự xói mòn đất. Tuyết như vậy tan chảy nhanh hơn do hấp thụ nhiệt nhiều hơn.

Đen/đen (kỹ thuật): Là dấu hiệu rõ ràng của sự ô nhiễm môi trường. Các hạt than (carbon đen) từ cháy rừng, khói thải từ động cơ diesel, nhà máy điện than than rơi xuống tuyết. Hiện tượng này làm giảm độ phản xạ của tuyết và là một trong những yếu tố quan trọng gây ra sự tan chảy nhanh chóng của sông băng (ví dụ, ở dãy Himalaya, nơi nó được gọi là «cực thứ ba»).

3. Tuyết như một chỉ báo khoa học và môi trường

Màu sắc của tuyết được các nhà khoa học sử dụng như công cụ chẩn đoán.

Glaciology: Theo màu sắc và đặc điểm tần số của tuyết trên các sông băng, có thể đánh giá mật độ, độ tuổi, lượng tạp chất và tốc độ tan chảy.

Climatology: Theo dõi độ phản xạ của lớp tuyết (màu trắng và khả năng phản xạ) qua vệ tinh là rất quan trọng để xây dựng các mô hình khí hậu. Sự tối màu của tuyết dẫn đến phản ứng ngược: hấp thụ nhiệt nhiều hơn → tan chảy nhanh hơn →露出 đất tối hơn → hấp thụ nhiệt nhiều hơn.

Ecology: Phân tích màu sắc của tuyết cho phép nghiên cứu sự lan rộng của các hệ sinh thái lạnh yêu thích (colder-loving) và ảnh hưởng của các chất thải nhân tạo đối với các khu vực xa xôi.

Những điều thú vị:

Đèn polar trên tuyết: Ở các vĩ độ cao, trong thời gian có ánh sáng polar sáng, tuyết có thể tạm thời có màu xanh lá cây hoặc hồng lá cây, trở thành màn phản xạ khổng lồ.

Tuyết trong nghệ thuật: Các họa sĩ đã chiến đấu hàng thế kỷ để truyền tải màu sắc của tuyết. Các nhà impressionism (ví dụ, Claude Monet) đầu tiên từ chối sử dụng bột trắng tinh khiết, tích cực sử dụng ultramarine, cobalt và màu tím để vẽ bóng trên tuyết, cảm nhận một cách trực giác vật lý của bức xạ ánh sáng.

Tuyết trên Mars: Trên Mars có hai loại tuyết — tuyết nước và tuyết dry ice (tвердый CO₂). Do khí hậu mỏng và thành phần ánh sáng mặt trời khác nhau, màu sắc và hành vi của nó khác với trên Trái Đất. Theo lý thuyết, tuyết nước trên Mars cũng nên trông trắng, nhưng khi bị phủ bởi bụi đỏ, nó có thể có màu hồng.

Kết luận

Màu sắc của tuyết không phải là đặc tính bị động, mà là báo cáo thị giác động về tình trạng môi trường xung quanh. Từ màu trắng tiêu chuẩn, là tiêu chuẩn của sự trong suốt và kết quả của vật lý ánh sáng hoàn hảo, đến các sắc thái đỏ, nâu và đen đáng lo ngại - mỗi màu kể một câu chuyện. Đây là câu chuyện về độ dày và độ tuổi của lớp phủ, về các vi tảo vô hình đang chiến đấu để sống sót, về cơn bão bụi vượt qua lục địa, và về các chất thải công nghiệp đạt đến những góc nhìn không bị xâm phạm nhất của hành tinh. Do đó, việc quan sát màu sắc của tuyết từ hành động đơn giản về mỹ thuật trở thành hành động hiểu biết khoa học và suy ngẫm môi trường, minh họa mối quan hệ sâu sắc giữa vật lý học, cuộc sống và khí hậu trên Trái Đất.

Permanent link to this publication: