Gió là vô hình. Tuy nhiên, chúng ta có thể cảm nhận chắc chắn về sự tồn tại của gió. Đó là bởi chuyển động của gió có thể được nhìn thấy gián tiếp thông qua những chiếc lá đung đưa, mái tóc bay phấp phới hay một chiếc chong chóng quay.
Sức mạnh vô hình của gió thậm chí đã từng làm thay đổi lịch sử loài người. Vào thế kỷ 16, nước Anh đang dần thua trong một trận chiến lại giành được chiến thắng vô tiền khoáng hậu trước hạm đội bất khả chiến bại (được gọi là Invincible Armada) của Tây Ban Nha. Những luồng gió mạnh và thổi đúng vào thời điểm hoàn hảo đã giúp người Anh hạ gục các tàu Tây Ban Nha. Dù là vô hình nhưng gió lại có ảnh hưởng lớn tới cuộc sống của chúng ta, thậm chí ảnh hưởng đến sự thăng trầm của cả một quốc gia. Vậy, gió là gì?
Gió là sự chuyển động của không khí
Nói một cách đơn giản, gió là luồng không khí được tạo ra bởi sự khác biệt trong nhiệt độ và áp suất khí quyển. Khi không khí nóng ít đặc, nhẹ hơn và bay lên giống như một quả bóng bay bởi trong đó có khí heli nhẹ hơn không khí; rồi không khí lạnh di chuyển đến nơi có không khí nóng để làm lấp đầy khoảng trống, điều này được gọi là gió.
Cũng giống như hiện tượng nước chảy xuống, không khí di chuyển từ áp suất khí quyển cao xuống áp suất khí quyển thấp. Áp suất khí quyển cao là nơi áp suất không khí cao hơn môi trường xung quanh, còn áp suất khí quyển thấp là nơi áp suất không khí thấp hơn môi trường xung quanh. Ở nơi áp suất khí quyển cao, gió thổi ra từ trung tâm, còn ở nơi áp suất khí quyển thấp, gió thổi từ xung quanh vào trung tâm.
Ngay bây giờ, bầu không khí vẫn đang tiếp tục di chuyển. Bạn có thể thấy rõ điều đó khi cơn gió chạm vào làn da, mây trôi lãng đãng hay khi thời tiết thay đổi nhiều lần trong ngày. Tuy nhiên, khi nhìn toàn cảnh trái đất, bạn có thể thấy có dòng chảy nhất quán trong dòng chuyển động của khí quyển. Luồng không khí toàn cầu này được gọi là hoàn lưu khí quyển.
Hoàn lưu khí quyển bắt đầu từ năng lượng mặt trời. Vì bề mặt trái đất hình tròn nên lượng ánh sáng mặt trời chiếu tới bề mặt trái đất sẽ khác nhau tùy thuộc vào vĩ độ. Do đó, càng gần xích đạo thì năng lượng mặt trời chiếu xuống bề mặt càng nhiều. Vậy nên ở vùng gần xích đạo, không khí nóng sẽ bốc lên rồi tạo ra một khoảng trống, và không khí lạnh xung quanh sẽ di chuyển đến không gian đó. Khối không khí tăng lên sẽ nguội đi trong khi bốc hơi, sẽ ngày càng nặng hơn và lại quay trở lại. Không khí đi xuống sẽ tỏa ra mọi hướng và di chuyển đến những khu vực thiếu không khí. Không khí lưu thông qua quá trình này. Cuối cùng, sự mất cân bằng năng lượng bởi khác biệt về vĩ độ sẽ dẫn đến đối lưu quy mô lớn.
Nếu trái đất không tự quay quanh trục, gió sẽ chỉ di chuyển từ các vùng cực có áp suất khí quyển cao đến nơi có áp suất khí quyển thấp là xích đạo. Tuy nhiên, trong vòng quay của trái đất, hướng gió sẽ bị bẻ cong. Ở Bắc bán cầu, gió thổi theo hướng Bắc và theo đường chéo như thể bị ép sang phải theo hướng của nó. Trên trái đất, ba vòng tuần hoàn chính tồn tại giữa xích đạo và các cực chịu ảnh hưởng của chuyển động quay của trái đất, sự phân bố của các đại dương và các vùng đất trên bề mặt trái đất. Những cơn gió thổi trên bề mặt trái đất là kết quả của những cơn gió mậu dịch, gió Tây ôn đới và gió Đông cực.
Gió mậu dịch thổi vào phần dưới của tầng đối lưu giữa xích đạo trái đất và vĩ độ 30°, chúng thổi từ vùng Đông Bắc sang vùng Tây Nam ở Bắc bán cầu. Tên gọi của gió mậu dịch có nguồn gốc từ thời những con tàu như tàu galleon của Tây Ban Nha giao dịch bằng cách sử dụng những luồng gió này trong Thời đại Khám phá. Những cơn gió này rất hữu ích cho việc di chuyển bằng thuyền từ châu Âu đến châu Mỹ. Gió Tây ôn đới thổi ở vĩ độ trung bình là gió thổi từ Tây sang Đông, và có xu hướng thổi từ Tây sang Đông ở các nước nằm trong vùng chịu ảnh hưởng của loại gió này.
Hoàn lưu khí quyển bảo vệ sự sống bằng cách phân bố năng lượng
Dĩ nhiên, nếu trái đất chỉ hấp thụ năng lượng thì tổng nhiệt độ của trái đất sẽ không ngừng tăng lên. Tuy nhiên, điều đó sẽ không xảy ra vì trái đất cũng tỏa ra năng lượng. Lượng năng lượng bức xạ mà trái đất tỏa ra gần như nhất quán mà không phụ thuộc vào vĩ độ. Bởi vậy, ở những vùng vĩ độ thấp, nguồn năng lượng tỏa ra ít hơn nguồn năng lượng được hấp thụ dẫn đến kết quả là dư thừa năng lượng. Ở những vùng vĩ độ cao, nguồn năng lượng tỏa ra cao hơn nguồn năng lượng hấp thụ đã gây ra việc thiếu hụt năng lượng.
Sự khác biệt về lượng ánh sáng mặt trời mà mỗi khu vực nhận được đều lớn hơn so với suy nghĩ của loài người. Vì vậy, nếu luồng nhiệt không di chuyển quanh trái đất thì có lẽ sẽ có rất ít nơi mà con người có thể sinh sống. Những nơi có nhiều luồng nhiệt sẽ tiếp tục nóng lên và tan chảy, còn những nơi ít luồng nhiệt sẽ cứ thế lạnh hơn và mọi thứ sẽ đóng băng.
Vậy thì làm thế nào để năng lượng lưu thông trên trái đất? Nhiệt lan truyền nhờ đối lưu khí quyển làm di chuyển không khí và gió trên bề mặt trái đất. Nếu không khí không tỏa nhiệt khi di chuyển thì sẽ làm mất sự cân bằng năng lượng một cách nghiêm trọng tùy thuộc vào từng khu vực. Khi gió mậu dịch, gió Tây ôn đới và gió Đông cực thổi liên tục và gây ra ma sát với đại dương, chúng sẽ tạo ra các dòng hải lưu trên bề mặt chảy theo những hướng nhất định. Khi khí quyển và nước biển luân chuyển và vận chuyển nhiệt năng quá mức từ vĩ độ thấp đến vĩ độ cao, là những nơi thiếu năng lượng, thì trái đất có thể giữ cân bằng năng lượng.
Ngay lúc này, không khí và nước biển đang chuyển động siêng năng và truyền nhiệt ra khắp trái đất. Hoàn lưu khí quyển trái đất cùng với hoàn lưu đại dương góp phần phân bố năng lượng trên trái đất.
Trái đất cần những cơn bão
Ngoài quá trình tuần hoàn nhiệt chung này, còn có một “bộ phận” phụ trợ duy nhất trong bầu khí quyển của trái đất mà có thể di chuyển một lượng lớn năng lượng cùng một lúc. Đó là bão. Bão là một xoáy thuận nhiệt đới di chuyển đến các vùng vĩ độ cao với gió mạnh và mưa lớn, do không khí nóng ở các vùng vĩ độ thấp nhận được một lượng lớn hơi nước từ biển. Bão được gọi với nhiều tên khác nhau tùy thuộc vào vị trí xuất hiện: được gọi là bão nhiệt đới (typhoon) ở khu vực phía tây Thái Bình Dương, bão có lốc xoáy (hurricane) ở Bắc và Trung Mỹ, và lốc (cyclone) ở Ấn Độ Dương.
Trong quá trình nhận hơi nước, một cơn bão nhận được rất nhiều nhiệt. Khi di chuyển đến vĩ độ cao ở trạng thái này, nó có thể di chuyển phần nhiệt còn lại ở vĩ độ thấp rất nhanh chóng và hiệu quả. Bằng cách này, nhiều luồng không khí liên tục được tạo ra trong bầu khí quyển xung quanh trái đất, và nhiệt cũng luân chuyển theo dòng chuyển động của không khí.
Những cơn bão mạnh diễn ra hàng năm gây ra thiệt hại lớn. Tuy nhiên, đó là hiện tượng thời tiết thiết yếu vì bão giúp hút không khí nóng của vùng nhiệt đới và phân tán nó ở các vĩ độ cao, duy trì nhiệt độ thích hợp và cân bằng nhiệt của trái đất. Bão cũng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nguồn nước giúp loại bỏ các vấn đề thiếu nước cũng như giải quyết hiện tượng thủy triều đỏ của biển bằng cách khuấy động và tuần hoàn nước biển.
Điều gì sẽ xảy ra nếu nhiệt năng nhận được từ mặt trời không lưu thông trên trái đất? Bề mặt trái đất sẽ có sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa ngày và đêm và giữa các vĩ độ khác nhau. May mắn thay, trái đất đang phân tán nhiệt năng thông qua sự đối lưu của khí quyển và đại dương. Sự hoàn lưu khí quyển này cho phép năng lượng trái đất cân bằng trong một thời gian dài để các sinh vật có thể sống trên trái đất như vòng tay ấm áp của mẹ.
- Tham khảo
- 살아있는 과학 교과서1』 (홍준의 외 3명 共著) Hong Jun Eui và 3 người khác, Giáo trình Khoa học Sống 1, Nhân văn, 2011
- 『재미있는 날씨와 기후 변화 이야기』 (김병춘, 박일환 共著) Kim Byeong Chun và Park II Hwan, Câu chuyện thú vị về thời tiết và biến đổi khí hậu, Nhà xuất bản Gana, 2014