Vật lý & bão

Tuy là hiện tượng thiên nhiên rất phức tạp nhưng nếu biết được vật lý đã nghiên cứu tìm hiểu bão như thế nào, người bình thường không phải chuyên về dự báo bão cũng thấy được những quy luật về bão để phòng tránh tích cực.

1.. Bão hình thành và phát triển như thế nào

Bão có một đời sống thực sự: có sinh, được nuôi dưỡng tốt khi lớn lên hoạt động sôi nổi. Khi nguồn nuôi sống không đủ, bão yếu dần rồi chết hẳn. Vật lý đã tìm hiểu đời sống của bão như thế nào?

Cấu trúc bão nhiệt đới

Nhưng cột không khí bốc lên cao hình thành từ một nơi có áp suất thấp trên mặt biển không phải cứ đứng yên ở đó. Chú ý rằng đó là cột khí hình thành trên mặt quả đất (mặt biển) mà mặt của quả đất luôn quay tròn quanh trục Bắc Nam , những điểm càng gần xích đạo thì vận tốc thẳng của chuyển động quay càng lớn. Cột không khí bay lên cao bị ảnh hưởng của chuyển động quay đó của mặt đất (mặt biển) kết quả như là chịu thêm một lực có tên là lực Coriolis.Do có lực Coriolis này nên không khí không phải chuyển động thẳng lên mà chuyển động xoay tròn, thường gọi là hoàn lưu. Khi tốc độ hoàn lưu này nhỏ (dưới 17 mét/ giây) người ta gọi là áp thất nhiệt đới. Khi tốc độ hoàn lưu lớn người ta gọi là bão nhiệt đới hay gọi tắt là bão. Tóm lại do có thêm lực Coriolis nên chuyển động thẳng đứng từ dưới lên trên của cột không khí trở thành chuyển động xoáy: gió thổi quay tròn quanh một tâm và tâm đó lại di chuyển. Vận tốc thẳng của chuyển động quay tròn là vận tốc gió, có thể đến hàng trăm kilomet/ giờ. Vận tốc dịch chuyển của tâm bão gọi là vận tốc di chuyển của bão chỉ hàng chục kilomet/ giờ.

Ta cũng thấy rằng cơn bão chỉ hình thành được khi trên mặt biển có nhiều hơi nước. Điều này xảy ra nếu có nhiều ánh sáng mặt trời chiếu xuống biển nhưng đồng thời mặt nước biển không lạnh quá, thực tế cho thấy phải là trên 26 độ C. Khi bão đã hình thành thì bão di chuyển, di chuyển đến đâu thì mặt nước biển chung quanh chỗ đó cũng phải trên 26 ⁰C bão mới duy trì được. Nếu có gió mùa làm mặt nước biển lạnh đi dưới 26 ⁰C thì bão cũng sẽ từ từ tan. Hoặc khi vào đất liền, nguồn hơi nước cung cấp cho bão vừa ít lại vừa bị hạn chế do ma sát lớn (ma sát với đất đai, gió núi, cây cối), bão cũng dễ dàng từ từ tan đi. Ta cũng thấy bão ở bắc bán cầu có chiều xoáy ngược với ở Nam bán cầu vì chiều của lực Coriolis thay đổi ngược chiều. Chú ý rằng quả đất có một lớp không khí bao bọc ở chung quanh, càng lên cao càng loãng. Đặc biệt lớp không khí gần mặt đất, ở đấy không khí có mật độ cao, nhiều hơi nước tạo thành nhiều đám mây lưu thông không ngừng thường gọi là tầng đối lưu có bề dày thay đổi cỡ từ 7 km đến 17km. Mây ở trên cùng của tầng này thường là mây trắng. Vì vậy khi có bão, ảnh chụp từ trên vệ tinh xuống ta thấy mây trắng xoáy tròn quanh một tâm không có mây nên màu đen, gọi là mắt bão (hình 1). Ta sẽ xét chi tiết hơn bên trong cơn bão có những gì.

2. Cấu trúc của bão

Một khi đã hình thành, tuỳ theo các điều kiện bên ngoài bão có thể không thay đổi chỉ di chuyển, có khi vừa di chuyển vừa lớn mạnh lên, cũng có thể di chuyển rồi yếu dần, tan đi.

Nói chung cấu trúc của bão gồm các phần như sau (hình 2)

- Mắt bãi (eye): Đó là vùng ở tâm của hoàn lưu, bão thường là hình trụ tròn, đường kính có thể từ 8 km đến 200 km tuỳ theo bão yếu hay mạnh. Vùng mắt bão này là nơi tương đối yên tĩnh không có mây, chỉ có dòng không khí đi xuống chậm (dòng giáng). Nhiệt độ phía trên của mắt bão nóng hơn xung quanh cỡ 10 ⁰C, phía dưới có nhiệt độ bình thường gần như mặt nước biển xung quanh. Khi bão đến vào ban đêm người đứng phía dưới mắt bão có thể nhìn thấy trời sao ở bên trên.

- Tường của mắt bão (eyewall): Quanh mắt bão là mây dựng đứng như bức tường cao có thể đến 5km dày có thể đến hàng chục kilomet. Gió xoáy ở đây là mạnh nhất, mưa rơi nặng nhất và gây tác hại nhiều nhất.

Cấu trúc cắt ngang của cơn bão

Phía dưới vùng mây mù đậm đặc, bên ngoài mắt bão còn có các dải mưa hình xoắn (Spiral Rain Bands),cùng chiều xoáy với gió. Những dải mưa hình xoắn này gây ra mưa lớn, tố lốc rất mạnh. Giữa các dải mưa hình xoắn này là dải không mưa, không gió mạnh.

Do cấu trúc của bão như vậy, khi đưa thông tin về bão người ta thường đưa tốc độ gió(cấp của bão) là tốc độ gió lớn nhất ở vùng tường mắt bão và vị trívà tốc độ di chuyển của bãolà vị trí và tốc độ di chuyển của mắt bão (tâm của bão).

Khi bão đến tức là mắt bão tiến gần lại, nếu đúng ở nơi sẽ có tâm bão đi qua, trước hết ta thấy có gió mạnh thổi theo một chiều, khi tâm bão càng đến gần thì gió càng mạnh, mưa từng đợt (ứng với các dải mưa), rồi gió mạnh nhất (ứng với tường mắt bão). Sau đấy có một lúc lặng yên đó là lúc có gió cực mạnh với chiều ngược lại, thường gọi là lúc bão đổi chiều rồi tiếp tục các đợt gió mạnh mưa rơi, dần dần yếu đi cho đến lúc bão đã đi qua.

Không hiểu rõ về cấu trúc của cơn bão, có khi bão đến gió rất to rồi lặng yên tưởng là đã hết bão nhưng đó là lúc tạm lắng ở mắt bão, sau đó bão đổi chiều mới làm cho nhà cửa, cây cối đổ, gãy mạnh hơn, tai nạn nhiều hơn.

Xét về mặt năng lượng, bão là một máy nhiệt, lấy nhiên liệu từ năng lượng Mặt trời biến nhiệt năng thành cơ năng là gió mạnh và nhiệt toả ra trong không khí. Các nhà khoa học đã tính thì một cơn bão nhiệt đới có thể trong một ngày toả ra từ 50 exajun đến 200 exajun (1 exajun – 10 ¹⁸jun) công suất tương đương một petawatt (1 petawatt – 10 ¹⁵watt). Năng lượng cơn bão toả ra trong một ngày tương đương 70 lần năng lượng của con người tiêu thụ trong một ngày trên thế giới, bằng 200 lần năng lượng điện cả thế giới sản sinh ra trong một ngày. Trong 20 phút năng lượng cơn bão toả ra có thể bằng quả bom nguyên tử 10 megaton nổ.

Hiện nay chưa có cách sử dụng năng lượng do cơn bão gây ra cũng như chưa có cách hữu hiệu để chế ngự bão. Trước đây Mỹ đã có thử nghiệm làm yếu bão theo cách rải muối iốt bạc để làm quá lạnh các dải mưa bên ngoài, lúc đó tường mắt bão sẽ co lại chập vào nhau và gió sẽ giảm. Tuy nhiên các thử nghiệm này chưa đi đến kết quả có thể triển khai được.

3. Vệ tinh nhân tạo giúp dự báo bão như thế nào

Như vậy việc hình thành và phát triển bão rất phụ thuộc vào nhiệt độ, không khí, áp suất… trên mặt biển. Hiện nay đã có một hệ thống các vệ tinh thời tiết, cung cấp các thông số hình ảnh chi tiết trên toàn mặt đất. Ở các vệ tinh đã dùng các kỹ thuật:

- Chụp ảnh bằng ánh sáng thường: mỗi ảnh cho thấy rõ mây trên bầu trời trên cỡ một phần ba quả địa cầu, nhờ đó chỗ nào bắt đầu có mây tụ lại chuyển động theo hình xoáy ốc… thì vệ tinh phát hiện ra ngay. Tuy nhiên chụp ảnh bằng ánh sáng thường chỉ quan sát được bầu trời vào ban ngày.

- Chụp ảnh bằng tia hồng ngoại gần và hồng ngoại xa: Ảnh ánh sáng thường là ảnh phản chiếu ánh sáng mặt trời của vật cần chụp. Ảnh hồng ngoại là ảnh tia hồng ngoại do vật cần chụp phát ra. Với ảnh hồng ngoại và phân tích được theo bước sóng hồng ngoại phát ra, người ta có thể chụp ảnh được mây, biết được nhiệt độ của mây, của mặt nước biển… ảnh hồng ngoại lại có thể chụp vào cả ban ngày lẫn ban đêm, việc theo dõi không bị gián đoạn bởi trời tối, mây mù…

- Theo dõi áp suất: Vệ tinh cũng cho phép lập bản đồ áp suất, biết được nơi nào áp suất cao, nơi nào là áp suất thấp. Việc theo dõi các thông số liên quan đến bão có sự trợ giúp rất đắc lực của vệ tinh song những thông số đo đạc ở mặt đất cũng rất quan trọng.

Từ những yếu tố cơ bản hình thành và phát triển bão, các nhà dự báo đã xây dựng các chương trình dự báo bão. Khi bắt đầu biểu hiện có một cơn bão sẽ hình thành người ta đưa các số liệu cần thiết như nhiệt độ, áp suất, vị trí… vào thành dữ liệu ban đầu để tính toán bằng máy tính và luôn được bổ sung điều chỉnh theo số liệu thực tế hàng ngày. Nhờ đó việc dự báo đường đi các thông số đặc trưng của bão có thể sớm đến 5 – 10 ngày. Tuy nhiên diễn biến của bão rất phức tạp và có nhiều yếu tố ngẫu nhiên đối với một cơn bão xét về mặt quốc tế có nhiều trung tâm dự báo đường đi, sự phát triển của bão. Độ chính xác của dự báo còn phụ thuộc vào chương trình kinh nghiệm của những trung tâm dự báo, do đó mỗi quốc gia đều phải có dự báo bão cho nước mình, có tham khảo dự báo của các trung tâm lớn trong khu vực.