Ánh sáng dưới nước giảm theo hàm mũ với độ sâu: mỗi mét nước "nuốt" một tỉ lệ gần như cố định của phần ánh sáng còn lại. Ánh sáng đỏ bị nước hấp thụ mạnh nhất nên ở độ sâu khoảng 10 m gần như không còn; ánh sáng xanh lam đi xa nhất. Ở vùng biển khơi trong nhất, xuống khoảng 200 m chỉ còn chừng 1% ánh sáng mặt trời, và dưới khoảng 1.000 m là bóng tối gần như tuyệt đối.
Định luật Beer – Lambert: mỗi mét mất một phần như nhau
Hãy hình dung nước được cắt thành từng lát dày một mét. Mỗi lát hấp thụ và tán xạ đi, giả sử, 10% ánh sáng đi vào nó. Lát thứ nhất để lọt 90%. Lát thứ hai lấy 10% của 90%, còn 81%. Lát thứ ba còn 72,9%. Không lát nào "ăn" nhiều hơn lát nào về tỉ lệ, nhưng vì phần đi vào nhỏ dần nên lượng mất đi về số tuyệt đối cũng nhỏ dần.
Viết thành công thức: I(z) = I₀ × e^(−K·z), trong đó z là độ sâu, K là hệ số suy giảm (đơn vị: trên mét). Quy luật này mang tên Pierre Bouguer (người Pháp, thế kỷ 18), Johann Heinrich Lambert và August Beer (thế kỷ 19), cũng là quy luật các phòng thí nghiệm hoá học dùng để đo nồng độ dung dịch bằng máy quang phổ.
Phép nhẩm "độ sâu bán rã"
Giống chu kỳ bán rã, có thể nói về độ sâu mà ánh sáng còn một nửa: z½ = 0,693 / K. Với nước biển khơi rất trong, ánh sáng xanh lam có K vào khoảng 0,02–0,03 trên mét, tức cứ khoảng 25–35 m lại mất một nửa. Bảy "độ sâu bán rã" thì còn chưa tới 1%, khớp với con số khoảng 200 m.
Màu đỏ tắt trước, màu xanh tắt sau
Phân tử nước hấp thụ ánh sáng đỏ mạnh hơn ánh sáng lam hàng chục lần. Với nước tinh khiết, hệ số hấp thụ ở bước sóng 700 nm (đỏ) vào khoảng 0,6 trên mét, còn ở khoảng 450 nm (lam) chỉ chừng 0,01 trên mét. Thay vào công thức:
| Độ sâu | Ánh sáng đỏ (700 nm) còn lại, nước tinh khiết | Ánh sáng lam còn lại, biển khơi rất trong (K ≈ 0,02/m) |
|---|---|---|
| 1 m | khoảng 55% | khoảng 98% |
| 5 m | khoảng 5% | khoảng 90% |
| 10 m | khoảng 0,25% | khoảng 82% |
| 50 m | coi như không còn | khoảng 37% |
| 100 m | coi như không còn | khoảng 13% |
| 200 m | coi như không còn | khoảng 2% |
Các con số là ước tính để thấy quy luật; nước biển thật có thêm phù du, phù sa và chất hữu cơ hoà tan nên K lớn hơn. Thứ tự tắt màu thì luôn như nhau: đỏ, cam, vàng, rồi lục, cuối cùng là lam.
Người lặn biển thấy rõ điều này. Ở 10–15 m, bộ đồ lặn đỏ trông nâu xám, san hô đỏ trông tím sẫm, một vết xước chảy máu trông gần như đen hoặc xanh rêu. Không có gì đổi màu cả, chỉ là không còn ánh sáng đỏ để phản chiếu. Bật đèn pin lặn lên, màu đỏ hiện lại ngay. Nhiếp ảnh dưới nước vì thế cần đèn flash hoặc kính lọc đỏ để "trả lại" màu.
Vì sao biển màu xanh
Một phần vì nước phản chiếu bầu trời, nhưng phần lớn là vì chính điều trên: ánh sáng đi vào nước bị lấy dần màu đỏ, phần bị tán xạ ngược lên mắt ta giàu màu lam. Một cốc nước trông trong suốt vì đường đi quá ngắn; một lớp nước sâu vài mét như hồ bơi lớn đã ngả xanh rõ, kể cả khi đáy lát gạch trắng.
Biển trong và nước đục khác nhau gấp trăm lần
Hệ số K phụ thuộc mạnh vào thứ lơ lửng trong nước.
| Loại nước | Độ sâu còn khoảng 1% ánh sáng |
|---|---|
| Biển khơi nhiệt đới rất trong | khoảng 150–200 m |
| Vùng ven đảo nước trong, mùa đẹp | khoảng 30–60 m |
| Vùng ven bờ có phù du dày | khoảng 10–20 m |
| Ao hồ nước xanh tảo | khoảng 1–3 m |
| Sông nhiều phù sa mùa lũ | có thể chỉ vài chục centimet |
Ai từng tắm ở biển đảo miền Trung như Nha Trang, Côn Đảo hay Phú Quốc vào mùa nước trong đều thấy đáy cát rõ mồn một ở độ sâu vài mét, còn thả tay xuống dòng sông Hồng mùa lũ thì ngón tay khuất ngay dưới mặt nước. Cùng là nước, hệ số K khác nhau hàng trăm lần.
Đĩa Secchi: cách đo đơn giản nhất
Năm 1865, linh mục và nhà thiên văn Angelo Secchi thả một chiếc đĩa trắng xuống biển Địa Trung Hải và ghi độ sâu mà đĩa vừa khuất khỏi mắt. Đến nay, đĩa Secchi (thường đường kính 20–30 cm, sơn trắng hoặc trắng đen xen kẽ) vẫn là dụng cụ chuẩn của người nuôi trồng thuỷ sản và các nhà nghiên cứu. Một quy tắc ước lượng hay dùng: vùng còn đủ ánh sáng cho quang hợp sâu khoảng 2,5–3 lần độ sâu Secchi. Người nuôi cá ao đọc độ trong theo cách này để biết tảo nhiều hay ít.
Ba tầng sáng của đại dương
- Tầng có ánh sáng (0 – khoảng 200 m): đủ ánh sáng cho quang hợp. Gần như toàn bộ tảo biển, rạn san hô cạn và phần lớn cá ăn được sống ở đây. Ranh giới dưới thường được định nghĩa là độ sâu còn 1% ánh sáng mặt.
- Tầng chạng vạng (khoảng 200 – 1.000 m): còn chút ánh sáng lam lờ mờ, không đủ cho cây. Nhiều loài cá, mực ở đây có mắt rất to và tự phát sáng.
- Tầng tối (dưới khoảng 1.000 m): không còn ánh sáng mặt trời đáng kể. Ánh sáng duy nhất là ánh sáng sinh học do sinh vật tự tạo.
Lấy 1.000 m chia cho độ sâu bán rã khoảng 30 m, được hơn 33 lần chia đôi, tức còn cỡ một phần mười tỉ. Mắt một số loài cá biển sâu nhạy đến mức còn cảm được vài photon, nhưng với mắt người thì đó là đêm vĩnh viễn.
Hệ quả cho sự sống
San hô tạo rạn sống cộng sinh với tảo đơn bào trong mô của chúng, tảo cần ánh sáng để quang hợp. Vì vậy rạn san hô phát triển mạnh nhất ở vùng nước nông và trong, phần lớn trong khoảng vài chục mét đầu. Nước đục lên vì phù sa hay nước thải là ánh sáng giảm theo hàm mũ nhanh hơn, và san hô ở độ sâu dưới cùng của rạn chịu thiệt trước. Đây là lý do việc nạo vét, đổ thải gần rạn san hô bị quản lý chặt.
Rong biển cũng xếp tầng theo màu: rong lục thường gặp ở chỗ nông, rong nâu và rong đỏ có sắc tố phụ bắt được ánh sáng lục – lam nên xuống sâu hơn được. Đây là quy luật xu hướng chứ không tuyệt đối, nhưng cho thấy sự sống thích nghi với việc màu đỏ tắt trước.
Góc nhìn hôm nay: tự quan sát ánh sáng tắt dần
Có thể thấy định luật Beer – Lambert ngay trong bếp. Rót nước trà vào ba ly trong suốt cao khác nhau, đặt lên tờ giấy trắng dưới đèn, nhìn từ trên xuống: ly càng cao màu càng đậm, và độ đậm không tăng đều mà "bão hoà" dần. Pha loãng trà gấp đôi rồi rót cao gấp đôi, màu gần như y hệt, vì cái quyết định là tích của nồng độ và quãng đường.
Nếu đi lặn ngắm san hô ở các khu bảo tồn biển, hãy để ý màu bộ đồ, vây chân hay chiếc khăn đỏ đổi dần theo từng mét xuống. Đi cùng hướng dẫn viên có chứng chỉ, giữ đúng độ sâu cho phép, và không chạm vào san hô. Tài liệu nhập môn về hải dương học vật lý và Bảo tàng Hải dương học thuộc Viện Hải dương học ở Nha Trang là nơi tốt để xem tiếp.
Câu hỏi thường gặp
Ánh sáng xuống được bao sâu dưới biển?
Ở vùng biển khơi rất trong, khoảng 200 m còn chừng 1% ánh sáng mặt trời, đủ là ranh giới cho quang hợp. Một chút ánh sáng lam lờ mờ còn tới khoảng 1.000 m; sâu hơn nữa thì không còn ánh sáng mặt trời đáng kể.
Vì sao dưới nước sâu không thấy màu đỏ?
Vì nước hấp thụ ánh sáng đỏ mạnh nhất, ở khoảng 10 m gần như không còn. Vật màu đỏ không có ánh sáng đỏ để phản chiếu nên trông nâu, tím hoặc đen. Chiếu đèn vào, màu đỏ hiện lại ngay.
Định luật Beer – Lambert là gì?
Là quy luật nói ánh sáng đi qua một môi trường hấp thụ thì cường độ giảm theo hàm mũ với quãng đường: I = I₀ × e^(−Kz). Mỗi lớp dày như nhau lấy đi một tỉ lệ như nhau của phần ánh sáng còn lại.
Vì sao biển có màu xanh?
Chủ yếu vì nước hấp thụ ánh sáng đỏ và để ánh sáng lam đi xa hơn, phần tán xạ ngược lên mắt ta giàu màu lam. Phản chiếu bầu trời góp một phần, còn phù du và phù sa làm biển ngả xanh lục hay nâu.
Đĩa Secchi dùng để làm gì?
Đĩa Secchi là chiếc đĩa trắng thả xuống nước để đo độ trong: độ sâu đĩa vừa khuất khỏi mắt cho biết nước trong hay đục. Từ đó ước được vùng đủ sáng cho tảo và cây thuỷ sinh, thường sâu khoảng 2,5–3 lần độ sâu Secchi.
