Thời tiết và khí hậu - Phần 4 Các nhiễu động - Chương 11 potx

Tia chớp từ mây tới mây ny xuất hiện khi građien điện thế trong phạm vi một đám mây, hoặc giữa các đám mây, v‡ợt quá điện trở của không khí.. Giai đoạn dẫn xuống, va đập v † lóe sáng T

Ch€ơng 11 sét, sấm vˆ vòi rồng

Khó t‡ởng t‡ợng một ai đó lại không có ấn t‡ợng gì về vẻ đẹp cũng nh‡ sự nguy hiểm m một cơn dông tố mang lại Mặc dù rất ngoạn mục, nh‡ng những cơn dông tố không phải l hiếm xảy ra Thực tế, chúng rất phổ biến trên khắp thế giới

v diễn ra khoảng 40000 lần mỗi ngy Mặc dù tần suất xuất hiện của chúng biến

đổi đáng kể từ nơi ny đến nơi khác, thực tế l từng địa ph‡ơng trên Trái Đất đều

bị tổn th‡ơng bởi sấm sét trong một thời gian no đó

Sét có thể gây nên những bất tiện - nh‡ lm hỏng những dụng cụ điện trong nh Nó cũng có thể gây tác hại đáng kể, nh‡ lm mồi cho những vụ cháy rừng V

dĩ nhiên, nó có thể gây chết ng‡ời; trung bình mỗi năm khoảng 200 ng‡ời bị chết do sét ở Mỹ v Canađa Nh‡ng nếu xét rằng dân số của hai đất n‡ớc lớn ny tới 300 triệu ng‡ời, thì dễ dng thấy rằng khả năng để bạn bị sét đánh l rất xa vời

Hình 11.1 Sean v † Michael McQuilken ở trong một điện tr ~ờng mạnh ngay tr~ớc lúc sét đánh

Song ng‡ời ta vẫn bị sét tấn công Xét tr‡ờng hợp xảy ra với gia đình McQuilken trong cuộc dạo chơi của họ tới Công viên Quốc gia Sequoia, California tháng 8 năm 1975 Khi bầu trời bắt đầu tối sầm lại, Sean, Michael v em gái Mary thấy tóc họ dựng đứng lên Nhận ra sự buồn c‡ời vẻ ngoi của tình huống ny, các cậu bé đã chụp một tấm ảnh nh‡ trên hình 11.1 M‡a đá tức thời rơi Rồi tia chớp giáng xuống ngay sau đó - Sean bị quật ngã bất tỉnh Michael nhanh chóng lm hô hấp nhân tạo, có lẽ chính vì thế m Sean đ‡ợc cứu vớt Nh‡ng một nạn nhân khác thì ít may mắn hơn Tia chớp có vẻ rẽ thnh nhiều nhánh, một nhánh khác chiếu vo hai ng‡ời bên cạnh v một trong hai đã bị giết

Nh‡ng những tác động của sét v sấm chớp còn ch‡a l gì so với một mối nguy

hiểm thậm chí lớn hơn - vòi rồng Bây giờ chúng ta sẽ xem nh‡ thế no, ở đâu vtại sao thời tiết dữ tợn xuất hiện, v chúng ta sẽ xét những tình huống lm cho một

số cơn gió lốc thì yếu, còn một số cơn khác lại trở thnh tác hại v gây chết ng‡ời

Những quá trình hình th†nh sấm sét

Khoảng 80 phần trăm tất cả những tia chớp l do tích điện trong phạm vi các

đám mây, ng‡ợc lại với sự tích điện từ mây tới bề mặt Tia chớp từ mây tới mây ny

xuất hiện khi građien điện thế trong phạm vi một đám mây, hoặc giữa các đám mây, v‡ợt quá điện trở của không khí Kết quả l một tia sáng lóe lên rất lớn vmạnh, một phần t‡ơng đ‡ơng với sự chia tách điện tích Tia chớp từ mây tới mây lm cho bầu trời sáng lên một cách ít nhiều không đều nhau Bởi vì tia sáng lóe bị che chắn bởi chính đám mây, nên nó th‡ờng hay đ‡ợc gọi l chớp xa

20 phần trăm còn lại của các tia chớp l những sự kiện kịch tính hơn, trong đó

điện tích truyền giữa chân mây v bề mặt Phần lớn sét từ mây tới đất xuất hiện khi điện tích âm tích tụ ở trong những phần d‡ới thấp của đám mây Các điện tích d‡ơng bị hút tới một khu vực t‡ơng đối nhỏ trên mặt đất ở ngay bên d‡ới đám mây

Điều đó tạo thnh một hiệu điện thế lớn giữa mặt đất v chân mây Điện tích d‡ơng tại bề mặt l một hiện t‡ợng cục bộ; nó tạo ra bởi vì điện tích âm tại chân mây đẩy các điện tử trên đất phía d‡ới ở cách xa chỗ đó thì bề mặt duy trì điện tích âm bình th‡ờng của nó so với khí quyển Mặc dù thuật ngữ từ mây tới đất đ‡ợc

dùng, song một hiệu ứng đúng nh‡ vậy diễn ra trong n‡ớc - v tia sét th‡ờng hay

đánh xuống các hồ, sông v đại d‡ơng

Mặc dù một cú sét có thể xuất hiện v tiếp diễn chỉ trong vi tích tắc, song tr‡ớc đó phải có một chuỗi những sự kiện bình th‡ờng đã diễn ra Sự tạo ra điện của một đám mây l giai đoạn khởi đầu trong tất cả các tia chớp sét Sau đó, phải

có một con đ‡ờng để các điện tử có thể truyền qua Chỉ sau đó điện mới thực sự

đ‡ợc tích để tạo ra một cú sét

Sự chia tách điện tích

Tất cả các tia chớp đòi hỏi lúc đầu các điện tích d‡ơng v âm phải chia tách vonhững vùng khác nhau của một đám mây Th‡ờng hay xảy ra nhất l các điện tích d‡ơng tích tụ ở các chóp phía trên của một đám mây, các điện tích âm ở các phần phía d‡ới Những túi điện tích d‡ơng nhỏ có thể cũng tập trung ở gần chân mây (hình 11.2a) Vậy bây giờ câu hỏi l: sự chia tách điện tích xảy ra nh‡ thế no ở

vị trí thứ nhất? Không ai biết chắc chắn, bởi vì những đám mây m tạo ra sét vsấm tỏ ra l những phòng thí nghiệm không mấy mến khách Nh‡ng chúng ta biết một số thực tế quan trọng, từ đó chúng ta có thể có ý niệm no đó về các điện tích chia tách ra nh‡ thế no Tr‡ớc hết, tia chớp chỉ xuất hiện trong những đám mây

mở rộng tới trên mực kết băng v cũng bị giới hạn ở những đám mây gây m‡a Nh‡vậy, các quá trình tinh thể băng l nguyên nhân gây m‡a cũng đồng thời phải tác

động đến sự chia tách điện tích Trong nhiều năm, nhiều lý thuyết đã đ‡ợc đề xuất v bị tranh cãi gay gắt Không có một đáp án cuối cùng no đ‡ợc đ‡a ra cho đến khi

một phát hiện lớn vo năm 1998, khi một mô hình đề cập tới sự truyền điện tích qua những lớp n‡ớc mỏng ở trên các tinh thể băng v hạt m‡a đá đã đ‡ợc khẳng

định bằng thực nghiệm

Hình 11.2 Sau khi sự chia tách điện tích diễn ra bên trong một đám mây (a) thì một đầu dẫn từng b ~ớc di chuyển xuống phía d ~ới (b) v† (c) tr~ớc khi tiếp xúc với đối t~ợng tại mặt đất Dòng điện tạo ra sóng va đập của tia sét (d)

Mặc dù chúng ta không nhận ra, nh‡ng các vật rắn th‡ờng hay bị bao bọc bởi một lớp bề mặt lỏng với độ dy chỉ vi phân tử Lớp ny cấu tạo từ những phân tử chỉ liên kết yếu ớt với chất rắn ở phía trong v nó hiện diện thậm chí tại những nhiệt độ khá thấp hơn so với điểm đóng băng (Ngoi những lý do khác, sự hiện diện của lớp ny giải thích tại sao băng lại trơn nh‡ vậy tại các nhiệt độ khá thấp

d‡ới không độ bách phân) * Trong một đám mây, khi một tinh thể băng v một hạt m‡a đá va chạm với nhau, một số phân tử n‡ớc lỏng ở trên bề mặt hạt m‡a đá di c‡sang băng Thực tế, có bằng chứng để cho rằng sự va chạm thực sự lm tăng xu thế chất lỏng hóa v nhờ đó lm tăng sự vận chuyển khối l‡ợng Cùng với các phân tử

n‡ớc, còn có sự vận chuyển điện tích d‡ơng từ hạt m‡a đá tới tinh thể băng hay, một cách t‡ơng đ‡ơng, vận chuyển điện tích âm từ tinh thể tới hạt m‡a đá Bằng

*

Cú thӇ bҥn tӯng nghe núi rҵng ỏp suҩt tӯ mӝt lѭӥi dao dày trѭӧt băng làm tan ÿӫ băng ÿӇ tҥo ra mӝt lӟpmàng nѭӟc trѫn, nhѭng ÿiӅu ÿú khụng ÿỳng Băng tӵ nú ÿó trѫn bҩt chҩp bҥn cú nộn mҥnh nú hay khụng

cách ny m các tinh thể băng nh‡ờng những iôn âm cho phần lớn những hạt m‡a

đá lớn, sau đó những hạt ny rơi xuống d‡ới tới phía chân mây

Giai đoạn dẫn xuống, va đập v † lóe sáng

Trong tia chớp từ mây tới đất, sự kiện chớp thực thụ đ‡ợc dẫn tr‡ớc bởi một sự tiến về phía d‡ới rất nhanh v va chạm của một nhánh chớp gồm không khí tích

điện âm, gọi l một đầu dẫn từng b€ớc (hình 11.2b), từ chân của đám mây Đầu

dẫn không phải l một cột đơn của không khí bị iôn hóa; nó rẽ thnh các nhánh từ một nhánh chính ở một số chỗ Với đ‡ờng kính chỉ bằng khoảng 10 cm, từng nhánh chớp lúc đầu từ chân mây bổ nho kiểu sóng xuống phía d‡ới khoảng 50 m trong vòng khoảng một phần triệu giây Đầu dẫn không nhìn thấy ny dừng lại trong khoảng 50 μm, sau đó ln sóng nho xuống phía d‡ới 50 m nữa hoặc đại loại nh‡vậy Chính vì chuyển động h‡ớng xuống d‡ới thnh một chuỗi rất nhanh các b‡ớcriêng lẻ m ng‡ời ta gọi l đầu dẫn từng b‡ớc

Khi đầu dẫn tiếp cận mặt đất (hình 11.2c), một chớp sáng từ mặt đất phóng lên trên tới phía đầu dẫn Khi đầu dẫn v chớp sáng gặp nhau, chúng tạo ra một đ‡ờngdẫn cho dòng điện tử phát sinh lúc đầu thnh một chuỗi các sóng xung phát sáng chói lòa, hay các sóng xung đập trả lại Dòng điện với c‡ờng độ khoảng 20000

ampe có đ‡ờng dẫn xuống phía d‡ới từ chân của đám mây, nh‡ng sóng xung đập thực sự truyền lên phía trên (hình 11.2d) Їờng dẫn điện kết thúc tại bề mặt m

từ đó có một sóng xung đập của điện tích d‡ơng phóng lên trên về phía mây Dòng

điện đốt nóng không khí trong kênh dẫn đến các nhiệt độ cao tới 30000 K, hay bằng năm lần nhiệt độ của bề mặt Mặt Trời! (xem hình 11.3)

Hình 11.3 Chớp

Sự phóng điện của sóng xung đập thứ nhất lm trung hòa một số, nh‡ngkhông phải l tất cả các iôn tích điện âm ở gần chân mây Kết quả l, một đầu dẫn khác (gọi l đầu dẫn liên tục) hình thnh trong phạm vi khoảng một phần m‡ờigiây v từ nó có một sóng xung đập tiếp theo xuất hiện Chuỗi các đầu dẫn liên tục

v các sóng xung đập ny có thể lặp lại bốn hay năm lần Bởi vì các sóng xung đập riêng rẽ diễn ra rất nhanh nối tiếp nhau, nên chúng tỏ ra nh‡ một sóng xung đập

đơn nhấp nháy v nhảy xung quanh Chúng ta gọi tập hợp các sóng xung đập lmột tia chớp, hiệu ứng ròng của nó l vận chuyển các điện tử từ mây xuống đất Vận chuyển tổng cộng các điện tử không lớn, chỉ nhiều bằng khoảng chúng ta

sử dụng để lm sáng một bóng đèn 100 W trong một phút hoặc khoảng đó Vậy lmthế no tia chớp có thể cắt xẻ các cây v thực hiện những việc kịch tính khác? Vì một lý do l trong tia chớp sự truyền điện tích rất nhanh, cho nên dòng điện bằng khoảng 100 lần dòng điện dùng trong nh Để hiểu vì sao, hãy suy nghĩ về ví dụ bóng đèn có dòng điện thấp chạy trong một thời gian t‡ơng đối lâu Điện tích tổng cộng bị vận chuyển bằng đúng nh‡ trong tia chớp khi một dòng điện lớn chạy qua chỉ trong một thoáng Nhân tố khác, đó l građien điện thế lớn hơn nhiều so với trong một dòng điện sinh hoạt, cho nên năng l‡ợng giải phóng lớn hơn nhiều do mỗi

điện tử đ‡ợc vận chuyển Tất cả những thực tế đó có nghĩa rằng một l‡ợng lớn năng

l‡ợng đ‡ợc giải phóng trong một thời khoảng rất ngắn, lm cho mỗi sóng xung đập cực kỳ mạnh hơn so với bóng đèn 100 W

đập âm thanh tiếp sau Dạng chớp d‡ơng ny do đó đặc biệt nguy hiểm Nó có thể xuất hiện cách xa bão một số dặm, nơi m ng‡ời ta không cảm thấy bị đe dọa; nó có dòng điện tử đỉnh điểm lớn hơn v nó th‡ờng kéo di hơn, dễ gây những vụ cháy

Các loại chớp

Rất ít phổ biến hơn so với những tia chớp xung đập v đầu dẫn đó l kiểu sinh

điện lạ gọi l sét hòn Sét hòn xuất hiện thnh một khối tròn, sáng nóng của không

* Cú khi mӝt chӟp cú thӇ gӗm hѫn 30 súng xung ÿұp riờng rӁ

khí nhiễm điện, kích th‡ớc bằng tới một quả bóng chuyền, nó có vẻ chạy đu đ‡atrong không khí hoặc dọc theo bề mặt trong khoảng 15 giây hoặc đại loại nh‡ vậy tr‡ớc khi tan biến hoặc nổ tung Có một dạng sét hòn l một khối mu đỏ xẫm, trôi

tự do, nó có xu h‡ớng tránh những dây dẫn điện v trôi vo những khoảng không gian khép kín hoặc qua các cửa ra vo v cửa sổ Dạng khác thì sáng chói hơn nhiều

v bị thu hút bởi những vật dẫn điện (kể cả ng‡ời) Nhiều cách giải thích về sét hòn

đã đ‡ợc đ‡a ra trong ít nhất một trăm năm m‡ơi năm qua, nh‡ng cho tới gần đây không cách giải thích no thâu tóm đ‡ợc tất cả những khía cạnh của hiện t‡ợng vphần lớn cách giải thích có nh‡ợc điểm rất thô sơ Tình hình mới đ‡ợc cải thiện

đáng kể vo đầu năm 2000 với một thông báo về những cuộc thí nghiệm liên quan tới sét nhân tạo trên đất Ng‡ời ta thấy rằng sét lm suy giảm các hợp chất của silic trong đất tới những phần tử kích th‡ớc nano nhỏ bé của silicon carbibe (SiC) v silic ôxit đơn (SiO) v silic kim loại (Si) Khác với các hợp chất silic nguyên thủy, những hợp chất ny chứa hóa năng lớn đáng kể v không bền vững trong môi tr‡ờng ôxy Chúng thoát vo trong không khí, ở đó chúng bị lạnh đi nhanh v

ng‡ng tụ thnh các chuỗi xích v mạng l‡ới rất mỏng Các mạng l‡ới rất nhẹ, cho nên chúng trôi dễ dng trong khí quyển V điều quan trọng l chúng cháy sáng khi bị ôxy hóa, giải phóng năng l‡ợng dự trữ d‡ới dạng ánh sáng nhìn thấy

Vầng lửa thánh Elmo cũng l một dạng hiện t‡ợng điện hiếm v lạ th‡ờngkhác Sự iôn hóa trong không khí - th‡ờng l ngay tr‡ớc khi hình thnh chớp từ mây tới đất - có thể lm cho những đối t‡ợng cao nh‡ các tháp chuông nh thờ hoặc các cột buồm của tầu thủy nóng sáng lên khi chúng phát ra một loạt lóe sáng liên tục Hiện t‡ợng ny tạo ra một sắc mu xanh lam - xanh lá cây cho không khí, kèm theo một âm thanh rít lên

Hình 11.5 ảnh một bóng ma

Những quan trắc v ảnh chụp gần đây từ không gian đã phát hiện ra hiện t‡ợng điện ch‡a từng đ‡ợc biết ở trên đỉnh của cơn dông lốc Các bóng ma (hình 11.5) l những loạt chùm sáng điện rất lớn nh‡ng ngắn ngủi nâng lên từ các đỉnh mây khi chớp xuất hiện ở phía d‡ới Một bóng ma trông giống nh‡ một con sứa mu

đỏ khổng lồ, mở rộng tới 95 km bên trên các đám mây, có các vòi mu xanh lơ hoặc xanh thẫm treo lơ lửng ở d‡ới thân Những vụ bóng ma chỉ xảy ra khoảng một

phần trăm của tất cả những hiện t‡ợng chớp (Điều thú vị l, các phi công quân sự

v dân sự bây giờ thừa nhận l họ đã từng nhìn thấy những bóng ma tr‡ớc khi hiện t‡ợng ny đ‡ợc quan sát từ các chuyến bay đặc nhiệm trong không gian, nh‡ng

tr‡ớc đây họ th‡ờng không thông báo về chúng, sợ rằng họ bị quy kết có chứng hoang t‡ởng)

Những tia sáng xanh (hình 11.6) l những

vụ phóng điện h‡ớng lên phía trên từ các phần

đỉnh cao của các bộ phận dông tố hoạt động mạnh

nhất Chúng phóng vọt lên trên với tốc độ khoảng

chớp lm cho không khí nở ra rất nhanh v tạo

thnh âm thanh quen thuộc của sấm Mặc dù âm

truyền đi rất nhanh - khoảng 0,3 km/s - song nó

chậm hơn tốc độ của ánh sáng (300000 km/s) rất

nhiều Chênh lệch ny tạo ra một khoảng trễ giữa

tia chớp v tiếng sấm; chớp cng ở xa thì thời gian

trễ cng lâu Bạn có lẽ đã biết một quy tắc kinh

Hình 11.6 Một tia sáng xanh

nghiệm để ‡ớc l‡ợng khoảng cách của một tia chớp: đơn giản l đếm số giây giữa chớp v sấm v đem chia cho ba để xác định khoảng cách bằng kilômét (chia cho năm để có khoảng cách bằng dặm)

Ph‡ơng pháp ny có thể sai đối với những sóng xung đập rất xa, xa hơn khoảng

20 km Sự giảm mật độ không khí theo độ cao lm cho sóng âm bị lệch h‡ớng lên trên Tại những khoảng cách ngắn, l‡ợng lệch h‡ớng có thể bỏ qua Nh‡ng với khoảng cách 20 km, thì nó đủ lm dịch chuyển các sóng âm để không thể nghe thấy tại mực bề mặt Tia chớp t‡ởng nh‡ xuất hiện không có sấm đôi khi đ‡ợc gọi l

chớp nhiệt, mặc dù chuyên từ ny gây nhầm lẫn ở chỗ nó hm ý có một cái gì đó không bình th‡ờng ở loại chớp ny Sự bất th‡ờng duy nhất chỉ l âm thanh của sấm không đạt tới ng‡ời nghe m thôi

Bạn có lẽ đã để ý thấy rằng ở gần thì sấm nghe nh‡ một tiếng nổ lớn, đanh ròn ngắn, còn sấm ở xa th‡ờng hay xuất hiện thnh một tiếng rì rầm kéo di Một sóng xung của chớp tạo ra sấm có thể di một số km, nên một phần của nó có thể khá xa

đối với ng‡ời nghe so với các phần kia Do đó, tiếng sấm tạo thnh một âm thanh kéo di vì các âm thanh của phần ở xa của sóng xung đập cần thời gian lâu hơn để

đạt tới ng‡ời nghe Tại những khoảng cách lớn hơn, tiếng vọng của sóng âm từ các tòa nh v đồi núi có thể lm cho sấm thnh một âm thanh rì rầm

điện) có nhiều nhất ở trên cao của khí

quyển, đó l quyển iôn, ở khoảng từ 90

đến 480 km Khí quyển tầng cao có điện

tích d‡ơng, giống nh‡ chúng ta thấy ở

gần cực d‡ơng của một bình ác quy Theo

đúng nh‡ kiểu m một bình ác quy tích

trữ năng l‡ợng, các điện tích trong khí

quyển thể hiện năng l‡ợng tích lũy v có

tiềm năng thực hiện công Đối với cả các

ác quy lẫn khí quyển, tiềm năng điện

đ‡ợc biểu diễn băng điện thế, tức năng

l‡ợng trong một đơn vị điện tích Chẳng

hạn, nếu một ác quy có điện thế 1,5 V, có

nghĩa rằng 1,5 J hiện có cho một culông

điện tích (1,5 J/C) Một C t‡ơng đ‡ơng với

điện tích m 6 ì 1019 điện tử mang theo

Điện thế cng cao, năng l‡ợng giải phóng

từ mỗi culông vận chuyển cng lớn

Trong tr‡ờng hợp Trái Đất, hiệu

điện thế khổng lồ tồn tại giữa bề mặt v

iôn quyển - khoảng 400000 V! Građien

điện thế ny hình thnh nên cái m

chúng ta gọi l điện tr€ờng thời tiết

đẹp Điện tr‡ờng thời tiết đẹp luôn luôn

hiện diện, thậm chí trong thời tiết xấu,

cho nên tên đúng hơn lẽ ra phải l điện

tr‡ờng trung bình Điện tr‡ờng thời tiết

đẹp có thể xem nh‡ trạng thái nền, ở trên

đó các sự kiện cực đoan nh‡ chớp đ‡ợcxếp chồng lên

Điện có bị truyền đi một cách thích ứng với građien điện thế của điện tr‡ờng thời tiết đẹp hay không? Có, nh‡ng bởi vì không khí l một vật cách điện tốt, nên dòng điện yếu, khoảng 2000 culông một giây đối với ton hnh tinh (2000 A) ởBắc Mỹ, trong mỗi tòa nh điển hình

đ‡ợc mắc dây để si 200 A, nên chúng ta thấy rằng dòng điện khí quyển thực sự rất nhỏ nhoi Tuy nhiên, điện liên tục bị thất thoát, bởi vì các điện tử vận chuyển

từ bề mặt, hay (một cách t‡ơng đ‡ơng) các điện tích d‡ơng đ‡ợc vận chuyển khỏi khí quyển Từ đây suy ra rằng để cho tr‡ờng điện trung bình đ‡ợc duy trì, thì

nó phải liên tục đ‡ợc bù lại Thực tế lnhiễm điện chớp đ‡ợc xem l cơ chế tái tích điện chủ yếu Nói khác đi, sự tích

điện trong chớp từ mây tới đất đã truyền các điện tử cho bề mặt, duy trì hiệu điện thế v phát sinh tr‡ờng điện

Trong khí quyển tầng thấp, građien của điện tr‡ờng thời tiết đẹp bằng cỡ 100 V/m (Mặc dù điều ny có vẻ rất ấn t‡ợng, hãy nhớ lại rằng chỉ có ít iôn có mặt, thnh thử tổng năng l‡ợng hiện có l rất thấp) Để cho chớp xuất hiện, độ lớn của tr‡ờng phải đ‡ợc c‡ờng hóa nhiều so với giá trị nền Chỉ khi građien điện thế đạt tới hng triệu vôn trên một mét thì điện trở của khí quyển sẽ bị sụt giảm, dẫn đến

“lóe sáng” m chúng ta gọi l chớp vtiếng rền của sấm đi kèm

Do đó, câu hỏi chớp hình thnh nh‡thế no l câu hỏi dông tố có tích điện đủ không Ngay cả ngy nay mới chỉ có một phần đáp án, nh‡ ch‡ơng ny đã mô tả

An to †n sét

Mặc dù rất lộng lẫy, chúng ta không đ‡ợc quên rằng sét có thể dữ tợn chết

ng‡ời, nó giết hại trung bình 69 ng‡ời ở Mỹ một năm v 7 ng‡ời - ở Canađa May thay, hiểu biết ngy nay của chúng ta về sét mách bảo cho chúng ta một số quy tắc

an ton quan trọng

Thứ nhất v cơ bản nhất, đó l khi có sét, hãy luôn ẩn náu trong một tòa nh,

không tiếp xúc với bất kỳ dụng cụ điện no hoặc máy điện thoại V dĩ nhiên, không quan sát cơn giông bão có sét từ một hồ n‡ớc hoặc một bồn n‡ớc nóng Các xe

ô tô (không phải loại mui trần) l t‡ơng đối an ton, nh‡ng không phải vì các bánh

xe bằng cao su đảm bảo cách điện với mặt đất (nh‡ nhiều ng‡ời vẫn nghĩ) Nguyên nhân thực sự l nếu nh‡ xe ô tô bị dính sét, điện sẽ truyền xung quanh thân xe chứ không truyền vo phía bên trong nội thất (hoặc những ng‡ời trong đó) Chính thực

tế ny giải thích tại sao sét hiếm khi lm rơi các máy bay, thậm chí mặc dù một chiếc máy bay dân dụng cụ thể đều bị dính sét trung bình một lần mỗi năm

11-2 Chuyên đề:

Một ng ‡ời thấy sét hòn *

Tôi thấy sét hòn trong một trận

dông bão vo mùa hè năm 1960 Bấy giờ

tôi 16 tuổi Lúc đó vo khoảng 9g00ph

tối, trời rất tối, còn tôi đang ngồi với bạn

gái của mình bên một chiếc bn dã ngoại

trong một chiếc lều tại công viên ở phía

bắc bang New York Chiếc lều có thiết kế

mở thông ở ba mặt v chúng tôi đang

ngồi quay l‡ng về phía khép kín Trời

m‡a rất nặng Một quả cầu mu trắng

nhờ - vng nhạt, kích th‡ớc cỡ quả bóng

bn, xuất hiện ở bên trái chúng tôi, cách

khoảng 30 m, v vẻ ngoi của nó không

hề gắn liền với một tia chớp Gió nhẹ

Quả cầu ở cao 2,5 m bên trên mặt đất v

đang trôi chầm chậm về phía lều Khi vo

tới, nó l‡ớt gần đầu chúng tôi ở khoảng

cách 1 mét, rồi đột ngột rơi xuống sn gỗ

ẩm Nó lăn long lóc theo sn ra ngoi lều

ở phía bên phải, nâng lên độ cao gần 2 m, trôi tiếp khoảng 9 m, rơi xuống đất v tắt ngấm Khi nó đi qua đầu mình, tôi không cảm thấy nóng âm thanh của nó, tôi thấy giống nh‡ ng‡ời ta quẹt mạnh một que diêm Khi nó lăn trên sn, nó biểu lộ những tính chất đn hồi (một nh vật lý chắc sẽ gọi chúng l những dao động rung cộng h‡ởng) Độ rọi sáng của nó nh‡thể nó không sáng lóa lắm Tôi ‡ớc l‡ợng

nó giống nh‡ ánh sáng của một bóng đèn nhỏ hơn 10 W Tất cả mọi chuyện kéo dikhoảng 15 giây Ngay cả bây giờ tôi vẫn nhớ nh‡ in về nó, nh‡ tất cả những ng‡ời chứng kiến, bởi vì nó quá bất th‡ờng Chỉ sau đó m‡ời năm, tại một buổi hội thảo

về sét hòn, tôi mới nhận ra cái gì tôi đã

lẻ giết chết sáu ng‡ời gần thnh phố Gokwe Những vụ chết do sét đang trở thnh

th‡ờng xuyên hơn bao giờ hết ở vùng khi rừng bị thu hẹp, lng mạc sinh sống bị lộ

ra tr‡ớc những diện tích trống trải Vấn đề trở nên rất căng thẳng do sử dụng rơm rạ hoặc lá cọ lm vật liệu lợp mái nh Muội khói từ lửa bếp thấm vo rơm rạ với chất cacbon lm cho mái nh dẫn điện tốt v hấp dẫn đối với sét

Trong khi nạn phá rừng đang lm tăng nguy cơ chết ng‡ời do sét ở một số bộ phận của thế giới, thì ở Mỹ một mức giảm đáng kể (hơn 50 %) đã diễn ra về số tử nạn do sét từ những năm 1920 Thực tế ny còn gây ấn t‡ợng hơn khi ng‡ời ta cho rằng từ thời gian đó dân số đất n‡ớc đã tăng từ khoảng 150 triệu tới 270 triệu Sự tiết giảm về số tử vong đ‡ợc xem l nhờ một phần ở sự giảm dân số các vùng nông thôn, nơi nguy cơ bị sét tấn công lớn hơn Giáo dục cộng đồng tốt hơn, thông tin cảnh báo đ‡ợc cải thiện, những tiến bộ về trợ giúp y tế v những hệ thống điện hiện

đại hóa trong nh ở v các tòa nh khác đ‡ợc xem l có đóng góp vo mức giảm ny

Bão tố: tự tiêu tan v † tự sinh sôi

May mắn cho chúng ta, đại đa số những sự kiện sét gắn liền với các trận dông

tố địa ph‡ơng, thời gian sống ngắn, chúng tiêu tan trong vòng vi chục phút sau khi hình thnh Những trận dông tố đó, gọi l tố lốc khối khí, thực sự tự chúng

tiêu tan nhờ tạo ra những dòng giáng cắt mất nguồn cung ứng độ ẩm vo trong những đám mây gây m‡a Vì lý do đó, chúng th‡ờng không tạo ra thời tiết khắc nghiệt Tuy nhiên, trong những dịp khác, các dòng giáng từ m‡a lớn thực sự lmmạnh các cơn lốc tố gây nên m‡a Những con lốc tố đó đ‡ợc xếp loại cực đoan v gây

ra thiệt hại v tổn thất sinh mạng nhiều nhất

Những trận lốc tố khối khí

Những trận lốc tố khối khí l phổ biến nhất v ít phá hoại nhất trong các lốc

tố Chúng cũng có thời gian sống rất hạn chế, th‡ờng chỉ kéo di không đến một giờ Mặc dù tên gọi của nó ngụ ý rằng những trận lốc tố ny có thể chiếm cứ ton bộ những khối không khí (chúng rất rộng lớn), những trận lốc tố khối khí rất cục bộ

Nh‡ng thuật ngữ không có nghĩa khi bạn xem rằng các trận lốc tố xuất hiện trong phạm vi những khối không khí riêng biệt v di chuyển khá xa khỏi các biên front.Hãy suy xét theo cách ny: các cơn lốc tố khối khí đ‡ợc chứa trong phạm vi các khối

không khí đồng nhất, nh‡ng chúng không chiếm cứ to un bộ khối khí

Nhận thức hiện tại của chúng ta về các cơn lốc tố khối khí dựa trên Dự án Lốc

tố, dự nán ny nghiên cứu những sự kiện nh‡ vậy ở Ohio v Florida trong thời gian cuối những năm 1940 Một trận lốc tố khối khí th‡ờng gồm một số nhân riêng biệt, mỗi nhân trải qua một tuần tự ba giai đoạn khác biệt - giai đoạn mây tích, giai

đoạn tr‡ởng thnh v giai đoạn tiêu tan (hình 11.7)

Giai đoạn mây tích Giai đoạn thứ nhất của một cơn lốc khối khí bắt đầu khi

không khí bất ổn định nâng lên, th‡ờng l do đối l‡u địa ph‡ơng xảy ra khi một số

bề mặt bị đốt nóng nhanh hơn những bề mặt khác Vì các cơn lốc tố khối khí th‡ờnghay xảy ra vo ban đêm, khi không khí bị lạnh đi, chúng ta biết rằng những quá trình thăng khác có thể cũng phát động dòng thăng Bất kể quá trình no gây nên dòng thăng, không khí nâng lên sẽ bị lạnh đi đoạn nhiệt để hình thnh những đám mây tích thời tiết đẹp Những đám mây khởi đầu ny có thể tồn tại chỉ vi phút

tr‡ớc khi bốc hơi Mặc dù chúng không trực tiếp dẫn tới m‡a, những đám mây khởi

đầu đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển lốc tố nhờ sự di chuyển hơi

n‡ớc từ bề mặt lên đối l‡u quyển tầng trung Cuối cùng khí quyển trở thnh đủ ẩm sao cho các đám mây mới hình thnh không bốc hơi, m ng‡ợc lại, đã lớn lên đáng

kể theo chiều thẳng đứng Quá trình lớn lên ny thể hiện giai đoạn mây tích

trong cơn lốc tố khối khí

Hình 11.7 Các giai đoạn mây tích (a), tr~ởng th†nh (b) v† tiêu tan (c) của một lốc tố khối khí

Các đám mây trong giai đoạn mây tích phát triển lên phía trên với tốc độ 5 đến

20 m/s Bên trong các đám mây đang lớn lên, nhiệt độ giảm theo độ cao xấp xỉ nh‡tốc độ giảm đoạn nhiệt bão hòa v một bộ phận của đám mây lan cao lên trên mực kết băng Các tinh thể băng bất đầu hình thnh v lớn lên nhờ quá trình Bergeron Bầu trời nhanh chóng tối xầm lại d‡ới đám mây đang dy thêm; khi giáng thủy bắt

đầu rơi, cơn gió lốc b‡ớc sang giai đoạn phát triển tiếp theo của nó

Giai đoạn tr €ởng thˆnh Giai đoạn tr€ởng thˆnh của cơn gió lốc khối khí

bắt đầu khi giáng thủy - thnh m‡a nặng hay có thể l m‡a tuyết bông - bắt đầu rơi Vì m‡a hay tuyết rơi kéo không khí xuống phía bề mặt, nên các dòng giáng hình thnh ở các khu vực giáng thủy mạnh nhất Bạn có thể quan sát thấy quá trình ny ở trong v‡ờn nh bạn Đơn giản chỉ cần cắm vòi bơm n‡ớc t‡ới v‡ờn cho chảy thật mạnh v giơ tay bạn ngay bên ngoi tia n‡ớc; bạn sẽ cảm thấy một lngió nhè nhẹ theo h‡ớng m vòi n‡ớc chĩa tới Các dòng giáng đ‡ợc c‡ờng hóa bởi sự lạnh đi của không khí - có thể tới 10oC - xảy ra vì giáng thủy bị bốc hơi

Giai đoạn tr‡ởng thnh đánh dấu thời kỳ mạnh mẽ nhất của cơn gió lốc, khi đó giáng thủy, sấm chớp v sét mạnh nhất Các trận lốc tố khối khí th‡ờng chứa nhiều nhân, nằm trong những phần khác nhau của đám mây v đ‡ợc hình thnh ở những thời gian khác nhau Đỉnh đám mây lan tới một độ cao m ở đó các điều kiện ổn

định ngăn chặn chuyển động thăng tiếp theo Gió mạnh tại đỉnh của mây đẩy các tinh thể băng về phía tr‡ớc v tạo thnh hình dạng một cái đe quen thuộc nhô ra từ phần chính của đám mây

Trong thời gian các pha mây tích v tr‡ởng thnh của dông tố, một sự chuyển tiếp đột ngột tồn tại giữa rìa đám mây v không khí ch‡a bão hòa xung quanh Các dòng thăng ngự trị ở phía trong của đám mây, trong khi các dòng giáng xuất hiện ở ngay bên ngoi mây Điều đó tạo nên một tình huống rối cao thuận lợi cho sự lôi cuốn (ch‡ơng 6) Sự lôi cuốn không khí ch‡a bão hòa lm cho những các giọt ở gần

rìa mây bé đi v lm lạnh mây do bốc hơi Bộ phận phía ngoi của đám mây trở nên

đậm đặc hơn v khó nổi hơn, do đó lm suy yếu chuyển động thăng tiếp theo

Gia đoạn tiêu tan Khi đám mây cho m‡a lớn cng nhiều, thì các dòng thăng chiếm cứ phần đang tăng lên của chân mây Khi các dòng thăng chiếm cứ ton bộ chân mây, sự cung cấp hơi n‡ớc bổ sung sẽ bị dừng lại v lốc tố chuyển sang giai

đoạn tiêu tan M‡a tạnh v bầu trời bắt đầu sáng ra vì những giọt mây còn lại bốc hơi Chỉ một phần nhỏ - khoảng 20 % - của l‡ợng n‡ớc ng‡ng tụ trong một cơn lốc

tố thực sự rơi xuống thnh giáng thủy L‡ợng lớn nhất đơn giản l bốc hơi từ mây

Hình 11.8 Một cơn lốc tố khối

khí Phần đám mây có vẻ ngo †i bị

xói mòn đã trở th †nh hóa băng

Hình 11.8 biểu diễn một cơn lốc tố khối khí Vì nó l điển hình của những cơn lốc tố trong pha tr‡ởng thnh, mỗi tháp mây chứa một nhân riêng rẽ v ở trong một phần khác nhau của chu kỳ sống Hãy l‡u ý đặc biệt rằng một số mây lốc tố

có vẻ bị xói mòn v ít thể hiện rõ nét so với

số còn lại Những khu vực mây nh‡ vậy cấu tạo hon ton từ các tinh thể băng, không có những giọt lỏng v đ‡ợc gọi l bị

hóa băng Chúng không nhất thiết phải

lạnh hơn các phần khác của đám mây; chúng chỉ l đủ gi sao cho tất cả các giọt siêu lạnh có cơ hội ng‡ng kết thnh băng

nó cho phép các tr‡ờng gió, nhiệt độ v độ ẩm “hợp tác với nhau” v nhờ đó tạo ra những trận bão tố rất mạnh

Bởi vì những điều kiện thuận lợi cho lốc tố mạnh tồn tại trên một vùng khá lớn, nên các cơn lốc tố th‡ờng l xuất hiện thnh những nhóm, một số cơn riêng rẽ

tụ tập với nhau Những nhóm lốc tố nh‡ vậy th‡ờng đ‡ợc gọi l các hệ thống đối l‡u quy mô vừa (MCS) Trong một số tr‡ờng hợp, các hệ thống đối l‡u quy mô vừa xuất hiện thnh những đai thẳng đ‡ợc gọi l những tuyến dông Một số lần khác, chúng xuất hiện thnh những đám hình ô van hoặc gần tròn đ‡ợc gọi l những tổ hợp đối l‡u quy mô vừa (MCC) Bất kể cách chúng sắp xếp nh‡ thế no, các nhân dông bão riêng lẻ của một hệ thống đối l‡u quy mô vừa hình thnh nh‡ một bộ

phận của một hệ thống duy nhất Nói khác đi, những hệ thống đối l‡u quy mô vừa không chỉ đơn thuần l một nhóm các cơn giông bão riêng biệt ngẫu nhiên nằm ở gần với nhau; ng‡ợc lại, các nhân giông bão phát triển từ cùng một nguồn gốc chung hay tồn tại trong một tình huống m trong đó một số nhân trực tiếp dẫn tới

sự hình thnh của các nhân khác

Các hệ thống đối l‡u quy mô vừa có thể gây nên những điều kiện thời tiết mạnh mẽ cho những vùng bao phủ một số quốc gia Chúng th‡ờng có thời gian sống tới 12 giờ, nh‡ng trong một số tr‡ờng hợp chúng có thể tồn tại lâu tới một số ngy Chúng khá phổ biến ở Bắc Mỹ; v tại một số vùng trung tâm n‡ớc Mỹ v Canađa chúng gây nên 60 % l‡ợng m‡a năm Bởi vì hon l‡u ở xung quanh giúp củng cố một hệ thống đối l‡u quy mô vừa, nên chúng dẫn tới những tr‡ờng gió mạnh hơn vgiáng thủy nặng hơn nhiều so với chúng ta th‡ờng thấy trong một cơn lốc tố khối khí Khi có một hoặc một số đặc tr‡ng xác định hiện diện, thì một cơn dông bão trong phạm vi một hệ thống đối l‡u quy mô vừa đ‡ợc xếp loại l cực đoan Những cơn lốc tố cực đoan có thể cũng sinh ra từ các siêu nhân, những cơn giông bão rất mạnh chứa một dải chuyển động thăng duy nhất

Có những điều kiện nhất định cần thiết cho sự phát triển của tất cả các cơn lốc

tố Đó l sự đứt gió, trữ l‡ợng hơi n‡ớc cao ở trong đối l‡u quyển tầng thấp, một cơ chế no đó để phát sinh chuyển động thăng v một tình huống đ‡ợc gọi l sự bất ổn

định tiềm năng (đ ‡ợc mô tả trong chuyên mục 11-3 Dự báo: Bất ổn định tiềm

năng).

Bây giờ chúng ta sẽ mô tả tóm tắt về các tuyến dông, các tổ hợp đối l‡u quy mô vừa v các siêu nhân Hãy luôn nhớ rằng những cơn dông bão ny có những tính chất hon ton chung v các hệ thống riêng biệt có thể không dễ m định loại Hơn nữa, các kiểu hệ thống dông bão th‡ờng rng buộc với nhau l chuyện phổ biến

11-3 Dự báo:

Bất ổn định tiềm năng

ở ch‡ơng 6 chúng ta đã thảo luận

khái niệm độ ổn định tĩnh, một hm của

tốc độ giảm nhiệt độ Một kiểu bất ổn

của ton bộ lớp không khí có thể lm cho

tốc độ giảm nhiệt độ của nó tăng lên, do

đó dẫn đến không khí bất ổn định tĩnh

Ta xét tình huống nghịch nhiệt đ‡ợc thể hiện trên hình 1 Ngay phía d‡ới đáy của nghịch nhiệt (phần tử 1) nhiệt độ (T)

bằng 26o

C v điểm s‡ơng (Td) bằng 22o

C Ngay bên trên đáy nghịch nhiệt (phần tử 2) nhiệt độ v điểm s‡ơng tuần tự bằng

27oC v 19o

C Bây giờ xem điều gì xảy ra với các phần tử 1 v 2 nếu một quá trình thăng no đó nâng ton bộ khối khí lên Cả hai phần tử ch‡a bão hòa, nên chúng

bị lạnh đi theo tốc độ giảm đoạn nhiệt khô bằng 1 o

C/100 m, còn các điểm s‡ơng của chúng giảm 0,2o

C/100 m Sau khi nâng lên đ‡ợc 500 m, nhiệt độ của cả hai phần tử giảm đi cùng một l‡ợng, nên hiệu nhiệt độ giữa hai phần tử sẽ không thay đổi Tuy nhiên, phần tử 1 bây giờ bão hòa, khi tiếp tục nâng lên sẽ lm cho

nhiệt độ của nó giảm đi theo tốc độ giảm

đoạn nhiệt bão hòa (SALR) Trong khi đó

phần tử 2 vẫn ch‡a bão hòa, nên sự nâng

lên tiếp lm cho nó bị lạnh đi theo tốc độ

giảm đoạn nhiệt khô (DALR)

Hình 1 Bất ổn định tiềm năng xuất hiện khi

một lớp không khí nóng, khô nằm ở bên trên

không khí ẩm Các trắc diện nhiệt độ (đ‡ờng

liền) v điểm s‡ơng (đ‡ờng gạch nối) thể

hiện tình huống ny Điều gì sẽ xảy ra với

các phần tử không khí ở 50 m bên trên v

bên d‡ới đáy của nghịch nhiệt? Bởi vì phần

tử 1 gần bão hòa (tức điểm s‡ơng gần với

nhiệt độ không khí), sự nâng lên lm cho nó

trở thnh bão hòa sau 500 m chuyển động

thăng Phần tử 2 ở bên trên nghịch nhiệt

không trở thnh bão hòa tr‡ớc khi nâng lên

đ‡ợc 1000 m Do đó, sau khi cả hai đã nâng

lên đ‡ợc 1000 m, thì phần tử 2 bị lạnh đi

nhiều hơn so với phần tử 1 v tốc độ giảm

nhiệt độ trở nên lớn đủ để lm cho không khí

bất ổn định tĩnh

Bây giờ ta nâng tiếp hai phần tử lên

500 m nữa Nếu chấp nhận rằng SALR

ổn định tĩnh Nh‡ vậy, không khí ổn định tĩnh có tiềm năng trở thnh không khí bất ổn định tĩnh nếu có một chuyển động thăng đủ thích hợp - từ đó có thuật ngữ

bất ổn định tiềm năng.

Cả lý thuyết lẫn thực nghiệm đều cho thấy rằng bất ổn định tiềm năng lmột nhân tố quan trọng trong sự phát triển của lốc tố cực đoan TRong thời gian mùa xuân v mùa hè, vùng phía nam bình nguyên Great Plains th‡ờng có không khí nóng, ẩm ở gần bề mặt đ‡ợcmang tới từ vịnh Mexico Bên trên vùng nay, ở đối l‡u quyển tầng trung, gió tây mang không khí lạnh tới từ phía nam dãy núi Rocky Không khí ny trong đối l‡uquyển tầng trung bị hạ thấp xuống một phần sau khi đi qua dãy núi Rocky để hình thnh một nghịch nhiệt giáng, nó cản trở sự phát triển của các trận lốc tố khối khí Nh‡ng nếu có một chuyển động thăng đủ thích hợp, lớp không khí bề mặt

có thể trở nên bất ổn định tĩnh v những trận lốc tố có thể phát triển

Những tổ hợp đối l€u quy mô vừa.ở Mỹ v Canađa, phần lớn thời tiết cực

đoan th‡ờng xuất hiện từ những tổ hợp đối l‡u quy mô vừa (hình 11.9) Theo nghĩa chung nhất, chúng l những hệ thống có tổ chức thnh hình ô van hoặc gần tròn chứa một số cơn lốc tố.*

* Cỏc nhà khớ tѭӧng hӑc cú nhӳng tiờu chớ chớnh xỏc ÿӇ phõn loҥi mӝt hӋ thӕng tә hӧp ÿӕi lѭu quy mụ vӯa dӵa trờn dҩu hiӋu cӫa nú trờn ҧnh vӋ tinh Vӟi nhӳng mөc ÿớch cӫa mỡnh, chỳng ta sӁ chӍ ÿѫn thuҫn

ỏp dөng chuyờn tӯ này cho cỏc hӋ thӕng cú tә chӭc gӗm nhӳng cѫn lӕc tӕ tө tұp vӟi nhau trong mӝt hỡnh thӃ gҫn giӕng vӟi hỡnh trũn hѫn là dҥng thҷng

Hình 11.9 ảnh vệ tinh thể hiện một tổ hợp đối l~u quy mô vừa

bên trên miền đông của Nam Dakota

Hình 11.10 ảnh rađa chỉ rõ hai ranh

giới dòng đi ra

Mặc dù không phải tất cả các hệ thống đối l‡u quy mô vừa tạo thnh thời tiết cực đoan, chúng có tính chất tự sinh sôi, trong đó các nhân riêng lẻ th‡ờng tạo ra những dòng giáng, dẫn tới hình thnh những nhân mới, mạnh hơn ở bên cạnh Để thấy điều ny xảy ra nh‡ thế no, hay hình dung một nhóm lớn các cơn dông tố Tại

bề mặt một dòng không khí nóng, ẩm đi tới từ phía nam, còn trong đối l‡u quyển tầng trung gió thổi từ phía tây nam Điều kiện ny tạo nên sự đứt gió cần thiết cho một cơn lốc tố cực đoan Nh‡ chúng ta đã thấy, giáng thủy từ nhân của mỗi cơn lốc

tố tạo nên dòng giáng của riêng nó, dòng giáng ny mạnh lên nhờ sự lạnh đi của không khí khi m‡a bốc hơi v tiêu thụ ẩn nhiệt Trong khi chạm tới bề mặt, các dòng giáng lan tỏa ra phía ngoi v hòa hợp với không khí xung quanh nóng hơn để tạo thnh một ranh giới dòng đi ra (hình 11.10)

Hình 11.11 minh họa sự di chuyển tịnh tiến của các nhân trong một tổ hợp đối l‡u quy mô vừa Lúc đầu, tại thời gian t=0, năm nhân đ‡ợc ghi nhãn l A,B,C,D

v E di chuyển về phía đông bắc ít lâu sau, tại t=1, các nhân B đến E đã di c‡

về phía đông bắc Nhân A , nằm xa nhất về phía bắc, đã bị tn lụi, trong khi dọc theo rìa phía nam của tổ hợp, một nhân mới F đã hình thnh Tại t=2, nhân B

đã tn lụi để đ‡ợc thay thế bằng nhân G gần phía nam Theo cách ny, tổ hợp các

cơn lốc tố di chuyển về phía đông, mặc dù mỗi nhân riêng rẽ di chuyển về phía đông bắc Gần rìa phía nam của tổ hợp đối l‡u quy mô vừa, dòng đi ra lạnh va chạm với với dòng gió nam bề mặt quy mô lớn v nâng nó lên phía trên Không khí nóng, ẩm

bị lôi cuốn về phía rìa nam của tổ hợp đối l‡u quy mô vừa, nơi nó hình thnh những nhân mới Đồng thời, những nhân cũ hơn ở phía bắc của tổ hợp đối l‡u quy mô vừa tiêu tan vì chúng bị thiếu các dòng thăng cần thiết để bồi bổ thêm Nói chung, ton

bộ cơn dông tố có vẻ di chuyển về phía đông ngay cả khi từng nhân riêng rẽ di chuyển về phía đông bắc

Hình 11.11 Sự di chuyển của các nhân lốc tố trong một tổ hợp đối l ~u quy mô vừa

Lúc đầu (tại t = 0) tất cả các nhân di chuyển về phía đông bắc Các nhân ở h †ngA

l † những nhân gi† nhất, các nhân ở h†ngE vừa mới hình th†nh Sau đó (t = 1) các

nhân ở h †ngA đã tiêu tan, nh~ng một h†ng mới, F đã hình th†nh gần rìa phía nam

của tổ hợp Tại t = 2, h†ng B đã tiêu tan, trong khi một h†ng mới (G) đã hình th†nh

Những cơn lốc tố trong tuyến dông Những cơn lốc tố trong tuyến dông

gồm nhiều nhân dông bão riêng rẽ đ‡ợc sắp xếp trong một đai thẳng di khoảng

500 km (hình 11.12) Chúng có xu h‡ớng hình thnh song song v cách 300 đến 500

km về phía tr‡ớc của các front lạnh, đặc biệt trên miền đông bắc n‡ớc Mỹ trong thời gian mùa xuân v mùa hè Tuyến dông trung bình có một thời gian sống cỡ 10 giờ, mặc dù một số tuyến dông có thể kéo di tới bốn ngy

Giống nh‡ tr‡ờng hợp với tất cả những cơn lốc tố mạnh, độ đứt gió thẳng đứng

lớn l một yếu tố quan trọng của những cơn lốc tố trong tuyến dông Nh‡ đã thể hiện ở hình 11.13, các tốc độ gió trên h‡ớng di chuyển của giông bão điển hình tăng lên theo chiều cao Gió mạnh ở bên trên đẩy dạt các dòng thăng về phía tr‡ớc của các dòng giáng v cho phép không khí đang nâng lên cung cấp độ ẩm bổ sung cho cơn dông bão Khi các dòng giáng đạt tới mặt đất, chúng trn lên phía tr‡ớc thnhmột l‡ỡi không khí lạnh, đậm đặc đ‡ợc gọi l một front đứt gió Các front đứt gió hoạt động rất giống nh‡ các front lạnh đang trn tới, chúng lm cho không khí nóng di chuyển tr‡ờn lên trên (xem hình 1.7)

Hình 11.12 ảnh rađa về một tuyến

dông

Hình 11.13 Các cơn lốc tố trong tuyến dông đòi hỏi sự có mặt độ đứt gió Các mũi tên trong (a) biểu diễn tốc độ gió so với sự di chuyển của lốc tố Sự di chuyển của không khí trong phạm vi hệ thống mây tích dông đ ~ợc biểu diễn trong (b) Phần bên trên của mây bị đẩy về phía tr ~ớc nhanh hơn so với phần phía d~ới, l†m cho không khí nóng,

ẩm bị lôi cuốn lên Hãy chú ý front đứt gió ở gần mặt đất phía tr ~ớc cột m~a

Những dông bão siêu nhân Một số ít hệ thống thời tiết, gọi l dông bão siêu nhân (hình 11.14) cũng rất đáng sợ Với đ‡ờng kính biến thiên từ khoảng 20 đến 50

km, chúng nhỏ hơn so với các tuyến dông hoặc các tổ hợp đối l‡u quy mô vừa Mặt khác, chúng th‡ờng hung dữ hơn v tạo điều kiện cho đại đa số những vòi rồng lớn xuất hiện Khác với các tổ hợp đối l‡u quy mô vừa v các tuyến dông, một cơn lốc tố siêu nhân cấu tạo từ một nhân duy nhất, cực mạnh, chứ không phải l một số nhân riêng rẽ.* Chúng còn trải qua một chuyển động xoay quy mô lớn m chúng ta không thấy với các tuyến dông v các tổ hợp đối l‡u quy mô vừa Thời gian sống điển hình của một siêu nhân l từ 2 đến 4 giờ

Hình 11.14 Siêu nhân Hình 11.15 Cấu trúc bên

trong của một siêu nhân

Mặc dù có một nhân duy nhất, các cơn lốc tố siêu nhân có cấu trúc khá phức tạp, dòng thăng v dòng giáng uốn cong v cuộn với nhau do sự đứt gió (hình 11.15) Giống nh‡ trong một hệ thống thời tiết khác bất kỳ sinh ra thời tiết cực

đoan, các dòng giáng có tác dụng lm tăng c‡ờng các dòng thăng bên cạnh

Các nh khí t‡ợng học rất quan tâm theo dõi những siêu nhân Rất may, họ có một công cụ rất hữu ích l rađa thời tiết Một kiểu đặc biệt, gọi l rađa Doppler,

đ‡ợc mô tả trong chuyên mục 11-4 Dự báo: Rađa Doppler Rađa có thể phát hiện

đ‡ợc một trong những thnh tạo đáng chú ý nhất của một siêu nhân, đ‡ợc gọi l

móc câu, nó trông giống nh‡ một cái móc nhỏ gắn vo khối chính của một cơn lốc

tố trên ảnh rađa (hình 11.16).** Các móc câu rất quan trọng, bởi vì sự xuất hiện của chúng th‡ờng có nghĩa vòi rồng sắp hình thnh

Khi chúng ta nhìn từ vệ tinh hoặc từ mặt đất, siêu nhân có vẻ nh‡ một khối mây lớn, liên tục Tuy nhiên, khi nó hiển thị trên một tấm ảnh rađa, chúng ta thấy rằng một bộ phận lớn của dông - th‡ờng ở cung phần t‡ đông nam - có vẻ nh‡ bị khuyết (xem hình 11.16) Vùng ny, đ‡ợc gọi l một khoảng trời trống (vault), lnơi dòng đi vo của không khí nóng bề mặt đi vo siêu nhân Không khí đi vokhoảng trời trống nâng lên, v hơi n‡ớc ng‡ng tụ để hình thnh một vùng nồng độ

* Cỏc siờu nhõn thѭӡng xuҩt hiӋn thành dụng bóo biӋt lұp, mһc dự ngѭӡi ta cNJng cú quan trҳc thҩy

“nhӳng tuyӃn dụng” cӫa cỏc siờu nhõn

**

Múc cõu ÿụi khi cũn ÿѭӧc gӑi là õm vӑng múc cõu theo cỏch mà cỏc súng raÿa phҧn xҥ tӯ ÿú, giӕng nhѭ súng õm vӑng tӯ tѭӡng cӫa hҿm nỳi

cao các giọt n‡ớc Nh‡ng những giọt mới hình thnh trong khoảng trống rất bé nhỏ không phản xạ các sóng rađa một cách hiệu quả Do đó, vùng ny không đ‡ợc nhìn thấy trên ảnh rađa, cho dù nồng độ cao của những giọt n‡ớc.

Hình 11.16 (a) Tổ chức điển hình của một siêu nhân trên ảnh rađa Vùng không

phản xạ rađa (KT) ở về phía đông nam l† vùng bầu trời bị án ngữ bởi một móc

câu âm vọng ở phía nam (b) Một tấm ảnh rađa thực thể hiện một móc câu

11-4 Dự báo: Rađa Doppler

âm bị nén lại khi một vật di chuyển về

phía ng‡ời nghe, lm cho nó có mức âm

cao hơn Một cách vô thức, chúng ta sử

dụng nguyên lý ny, gọi l hiệu ứng

Doppler, để xác định một xe cứu th‡ơng

đang tới gần hay di chuyển xa dần Nếu

nh‡ mức của tín hiệu báo động tỏ ra trở

nên cao hơn, chúng ta biết xe cứu th‡ơng

đang tới gần (dĩ nhiên, tiếng còi báo động

cũng sẽ to hơn) Một quá trình t‡ơng tự

diễn ra khi các sóng điện từ bị phản xạ

lại bởi một đối t‡ợng di chuyển: ánh sáng

sẽ chuyển dịch tới các b‡ớc sóng ngắn

hơn khi bị phản xạ từ một vật đang di

chuyển về phía máy thu v tới các b‡ớc

sóng di hơn khi nó phản hồi từ một vật

di chuyển ra xa khỏi máy thu

Rađa Doppler l một loại hệ thống

rađa ứng dụng ‡u điểm của nguyên lý

ny Nó cho phép ng‡ời dùng quan sát sự

chuyển động của các giọt m‡a v phần tử

băng (v đo đó xác định tốc độ v h‡ớng

gió) từ sự dịch chuyển b‡ớc sóng của các

sóng rađa Giống nh‡ mọi loại rađa khác,

rađa Doppler có một máy phát phát ra

các xung năng l‡ợng điện từ với b‡ớc

sóng cỡ một số cm Tùy thuộc vo b‡ớc

sóng sử dụng, các giọt n‡ớc v tinh thể

tuyết lớn hơn những kích th‡ớc tới hạn

no đó sẽ phản xạ một phần năng l‡ợng

điện từ của rađa trở lại máy phát/máy

thu Rađa Doppler chuyên về khả năng

quan sát chuyển động của các hợp phần

mây Nếu một giọt mây đang di chuyển

xa dần khỏi trạm rađa, thì b‡ớc sóng của

chùm tia hơi bị di ra khi nó phản hồi từ

Hình 1 Một tấm ảnh rađa Doppler vật phản xạ Những sóng phản xạ nh‡vậy th‡ờng đ‡ợc chỉ định trên mn hình hiển thị thnh các mu từ đỏ thẫm đến vng T‡ơng tự, một giọt di chuyển về phía trạm rađa lm b‡ớc sóng ngắn lại Các tín hiệu phản hồi từ những hợp phần nh‡ vậy đ‡ợc hiển thị thnh mu xanh lơ hoặc xanh đậm trên mn hình rađa Hình 1 thể hiện một hiển thị rađa Doppler trong một trận lốc tố cực đoan Gần tâm của tấm ảnh l một vùng nhỏ, mu xanh nhạt bị bao bọc ở phía bên phải bởi một diện tích mu da cam v đỏ Các mu nóng thể hiện gió thổi đi ra xa khỏi máy phát Các mu ở bên trái (các mulạnh) chỉ thị gió mạnh h‡ớng về phía rađa Sự chuyển đổi về h‡ớng gió chỉ thị một chuyển động xoay ng‡ợc kim đồng hồ với bán kính bằng một số km Nh‡ chúng

ta sẽ bn luận sau ở ch‡ơng ny, hình thế

đó gọi l một xoáy thuận quy mô vừa, th‡ờng báo tr‡ớc về sự hình thnh một vòi rồng Sau khi bắt đầu chuyển động xoay, chỉ cần 30 phút hoặc đại loại nh‡vậy thì vòi rồng hình thnh, nó cho phép các nh khí t‡ợng học đ‡a ra tin cảnh báo tr‡ớc

Gần đây, vo những năm 1980, Cơ quan Thời tiết Quốc gia Hoa Kỳ đã sử dụng một mạng l‡ới các trạm rađa sản xuất trong những năm 1950 Thiết bị quá lỗi thời, nó dựa trên các bóng điện tử chân không chứ không phải các bóng bán dẫn! Trong thời gian đầu những năm

1990, Cơ quan Thời tiết đã bắt đầu thay thế hệ thống cũ từ các rađa truyền thống

Hình 2 Các vị trí rađa Doppler trên n‡ớc Mỹ bằng một mạng l‡ới hiện đại đ‡ợc gọi l

NEXRAD (rađa thế hệ sau) Trạm thứ

nhất, đặt ở Norman, Oklahoma, bắt đầu

vận hnh từ đầu năm 1991 v ngay trong

ngy đầu tiên phục vụ đã theo dõi đ‡ợc

một vòi rồng, vòi rồng ny phá hủy hai

tòa nh May thay, rađa đã giúp các nh

dự báo phát ra một bản tin cảnh báo có

thể đã góp phần lm cho không một ai bị

chết hay bị th‡ơng

Ngy nay, gần 160 trạm rađa phân

bố trên n‡ớc Mỹ (hình 2) Cơ quan Thời

tiết Quốc gia vận hnh 113 trạm trong số

đó; phần còn lại thuộc sở hữu của Cơ

quan Hng không Liên bang v Bộ quốc

phòng Một phần do eo hẹp kinh phí, Nha

Môi tr‡ờng Khí quyển của Canađa chỉ có một nhóm nhỏ các trạm rađa Doppler Bởi vì cả hai phía khu vực biên giới có xu h‡ớng dân c‡ đông đúc hơn, rađa Doppler

từ Hoa Kỳ đảm bảo phủ rộng theo dõi những lốc tố có thể ảnh h‡ởng tới nhiều trung tâm đô thị lớn của Canađa

NEXRAD còn có ích đối với công tác

dự báo lụt, nó cung cấp ‡ớc l‡ợng giáng thủy liên tục trên những vùng rộng lớn Rađa Doppler đôi khi có thể quan sát chuyển động gió ngay cả khi mây không tồn tại, vì những đám lớn côn trùng bay hoặc nồng độ bụi cao phản xạ sóng rađa trở lại phía máy phát Sóng phản hồi trong tr‡ờng hợp ny gọi l phản hồi

không khí sạch.

Gió giật giáng xuống v† gió giật vi mô

Chúng ta đã thấy các dòng giáng l một thnh tạo của những cơn lốc tố quan trọng nh‡ thế no, đặc biệt trong việc duy trì những cơn lốc tố cực đoan Các dòng giáng còn có thể tạo ra những đợt truyền gió giật xuống d‡ới, những cơn gió giật tiềm tng nguy hiểm chết ng‡ời có thể đạt tới các tốc độ trên 270 km/h Khi các dòng giáng mạnh đạt tới bề mặt, chúng có thể tỏa ra tất cả các h‡ớng để hình