Dũng Virgo
Đứng ngoài trời vào một ngày nhiều gió, chúng ta thường cảm nhận được những cú xô bất ngờ thay vì một lực đẩy ổn định. Áo khoác bị hất tung, tán cây rung mạnh trong vài giây rồi mọi thứ gần như lặng xuống trước khi một đợt gió khác ập tới.
Điều này dễ khiến nhiều người nghĩ rằng không khí xung quanh đột nhiên tăng tốc. Tuy nhiên, nguyên nhân thường nằm ở sự xáo trộn của tầng biên khí quyển – lớp không khí tiếp xúc trực tiếp với bề mặt Trái Đất. Gió giật phần lớn là kết quả của việc các luồng khí chuyển động nhanh ở trên cao bị kéo xuống mặt đất bởi những vòng xoáy hỗn loạn.
Gió bắt đầu từ chênh lệch áp suất
Ở quy mô lớn, gió hình thành khi có sự chênh lệch áp suất giữa các khối không khí. Không khí có xu hướng di chuyển từ khu vực áp suất cao về nơi áp suất thấp, tạo nên những dòng khí trải rộng hàng trăm kilomet.
Những hệ thống áp suất này thường biến đổi tương đối chậm, trong khoảng thời gian tính bằng nhiều giờ. Vì vậy, nếu chỉ xét nguồn năng lượng ban đầu, gió đáng lẽ phải tạo ra một dòng chuyển động khá ổn định. Sự giật cục mà con người cảm nhận gần mặt đất xuất hiện trong các bước tiếp theo, khi dòng khí gặp địa hình và các vật cản.
Tầng biên khí quyển làm dòng gió bị xáo trộn
Tầng biên khí quyển là phần không khí nằm sát mặt đất, thường dày khoảng một kilomet nhưng độ cao thực tế thay đổi theo thời tiết, địa hình và thời điểm trong ngày. Đây là nơi không khí phản ứng rõ rệt với cây cối, nhà cửa, đồi núi, mặt đường và các bề mặt tự nhiên.
Không khí ở càng gần mặt đất càng chịu lực cản lớn. Những vật cản này làm giảm tốc độ gió và khiến dòng khí không còn trơn tru. Lên cao hơn, ảnh hưởng của ma sát yếu dần, cho phép không khí di chuyển nhanh hơn. Vì thế, tốc độ gió ở các độ cao khác nhau thường không giống nhau.
Trên một khu vực đồng cỏ thoáng, tốc độ gió ở độ cao 100 mét có thể đạt khoảng 23 dặm/giờ, trong khi ở tầm ngang đầu người chỉ khoảng 12 dặm/giờ. Chênh lệch này tạo ra các lớp không khí chuyển động với tốc độ khác nhau, từ đó làm dòng gió bị uốn cong và cuộn xoáy.
Vòng xoáy đưa gió mạnh từ trên cao xuống
Hãy hình dung một dòng sông chảy qua đoạn địa hình gồ ghề. Nước sẽ không di chuyển thành một mặt phẳng đều mà tạo ra những xoáy nhỏ, vùng chảy nhanh và khoảng nước chậm. Không khí trong tầng biên khí quyển cũng hoạt động tương tự, dù các chuyển động này diễn ra trong không gian ba chiều.
Khi các lớp khí có tốc độ khác nhau trượt qua nhau, chúng tạo thành những vòng xoáy. Một phía của vòng xoáy đưa không khí đi lên, trong khi phía còn lại đẩy không khí đi xuống. Nhánh đi xuống có thể mang theo khối khí đang chuyển động nhanh ở độ cao lớn – nơi chưa bị mặt đất làm chậm – xuống sát bề mặt.
Đó là lý do một người có thể cảm thấy một cú gió mạnh xuất hiện gần như đột ngột. Không hẳn không khí ngay cạnh người đó vừa tự tăng tốc; thay vào đó, một luồng khí nhanh từ bên trên vừa được đưa xuống đúng thời điểm.
Sau khi luồng khí nhanh đi qua, nhánh chuyển động hướng lên có thể đưa lớp không khí chậm và tù đọng gần mặt đất lên cao. Người đứng bên dưới sẽ cảm nhận một khoảng lặng ngắn, trước khi một vòng xoáy khác xuất hiện.
Địa hình càng gồ ghề, gió giật càng rõ
Bề mặt bên dưới có vai trò quan trọng trong việc quyết định mức độ hỗn loạn của gió. Mặt hồ hoặc vùng đồng bằng trống trải tạo ra ít lực cản hơn so với khu vực có nhiều cây, nhà cửa và công trình.
Ở đô thị, các tòa nhà tạo thành những hành lang và góc khuất khiến gió đổi hướng liên tục. Một con phố có thể hứng chịu luồng khí mạnh hơn ở khu vực giao nhau giữa các tòa nhà, trong khi chỉ vài bước chân sang bên cạnh, người đi đường lại cảm thấy yên hơn.
Khu vực ngoại ô nhiều cây cối cũng có đặc điểm tương tự. Tán cây làm giảm tốc độ gió trung bình nhưng đồng thời tạo ra nhiều vùng tách dòng và xoáy khí. Vì vậy, một nơi có tốc độ gió trung bình không quá cao vẫn có thể xuất hiện những cú giật mạnh.
Vì sao buổi chiều thường nhiều gió giật hơn?
Ánh nắng Mặt Trời không chỉ làm tăng nhiệt độ mà còn ảnh hưởng đến mức độ trộn lẫn của không khí. Ban ngày, mặt đất hấp thụ nhiệt và làm lớp không khí bên trên nóng lên. Không khí nóng có xu hướng bốc lên, tạo ra các dòng đối lưu.
Những cột khí đi lên này khuấy trộn tầng biên khí quyển mạnh hơn. Trong quá trình đó, không khí chuyển động nhanh ở phía trên có cơ hội xuống gần mặt đất, làm các cơn gió giật xuất hiện thường xuyên hơn, đặc biệt vào thời điểm mặt đất đã được sưởi nóng trong nhiều giờ.
Ban đêm, mặt đất nguội đi nhanh hơn. Một lớp không khí ổn định có thể hình thành gần bề mặt và hạn chế sự xáo trộn theo chiều đứng. Khi đó, mặt đất đôi lúc khá yên tĩnh, nhưng gió ở phía trên vẫn có thể thổi mạnh. Hiện tượng này còn liên quan đến dòng tia ban đêm, một dải gió nhanh hình thành phía trên lớp không khí sát mặt đất.
Gió giật được xác định như thế nào?
“Gió giật” không phải một vật thể hay hiện tượng có ranh giới tuyệt đối trong tự nhiên. Đây là thuật ngữ được xác định dựa trên tiêu chuẩn quan trắc. Các tổ chức khí tượng có thể sử dụng cách tính khác nhau, nhưng đều tập trung vào sự tăng tốc nhanh trong thời gian ngắn.
Theo tiêu chí được đề cập trong tài liệu khí tượng của Mỹ, một cơn gió giật có thể được nhận diện khi tốc độ gió tăng nhanh với chênh lệch từ 10 knot, tương đương khoảng 18,5 km/h, so với khoảng lặng hoặc mức gió nền.
Tổ chức Khí tượng thế giới lại sử dụng tốc độ gió trung bình cao nhất trong khoảng 3 giây, được đo trong một chu kỳ quan sát 10 phút. Khoảng thời gian 3 giây có liên quan đến khả năng phản ứng của các thiết bị đo gió dạng cốc từng được sử dụng phổ biến từ giữa thế kỷ XX.
Điểm quan trọng là một luồng khí chỉ kéo dài vài giây có thể được xếp là gió giật. Nếu tốc độ tăng cao và duy trì lâu hơn, nó có thể được phân loại theo những cấp độ thời tiết nguy hiểm khác, thay vì chỉ là một cú giật thoáng qua.
Các vòng xoáy tồn tại ở nhiều kích thước
Sự hỗn loạn trong khí quyển không chỉ tạo ra một vòng xoáy duy nhất. Những xoáy lớn có thể tiếp tục phân rã thành các xoáy nhỏ hơn. Quá trình này lặp lại qua nhiều kích thước cho đến khi chuyển động bị độ nhớt của không khí làm tiêu hao và biến đổi thành nhiệt.
Hiện tượng truyền động lượng này giúp giải thích vì sao gió giật có thể thay đổi rất nhanh cả về tốc độ lẫn hướng. Một cơn gió mạnh ở độ cao lớn không nhất thiết liên tục truyền xuống mặt đất. Nó chỉ xuất hiện khi cấu trúc xoáy và điều kiện địa hình cùng tạo ra một đường đi thuận lợi.
Gió giật nguy hiểm đến mức nào?
Trong đời sống thường ngày, gió giật nhẹ có thể chỉ làm cành cây rung hoặc khiến người đi xe máy mất thăng bằng. Khi tốc độ tăng cao, nguy cơ đáng lo hơn nằm ở các vật thể bị cuốn theo gió, chẳng hạn biển quảng cáo, mái che, cành cây khô và mảnh vỡ công trình.
Với các kỹ sư xây dựng, gió giật là một thông số quan trọng khi tính toán độ bền của công trình. Tốc độ gió trung bình không phản ánh đầy đủ lực tác động lên mái nhà, cầu, tháp hoặc các cấu trúc nhẹ. Những cú tăng tốc trong vài giây có thể tạo ra tải trọng lớn hơn nhiều so với một luồng gió đều có cùng mức trung bình.
Thang sức gió Beaufort cho thấy tác động của gió tăng rõ rệt khi tốc độ vượt qua các ngưỡng nhất định. Khoảng 20 dặm/giờ, gió có thể làm cành cây đung đưa; nhưng khi vượt 50 dặm/giờ, các vật liệu rời và mảnh vỡ có thể bị thổi bay, gây nguy hiểm cho người và tài sản.
Kỷ lục gió giật mạnh nhất
Một trong những mức gió giật bề mặt lớn nhất từng được Tổ chức Khí tượng thế giới xác minh được ghi nhận trong bão nhiệt đới Olivia, quét qua đảo Barrow ngoài khơi Australia vào năm 1996. Tốc độ đạt 113,2 m/s, tương đương khoảng 408 km/h.
Dĩ nhiên, một kỷ lục trong bão nhiệt đới có quy mô hoàn toàn khác với cú gió làm bay chiếc ô trên phố. Tuy vậy, cả hai đều tuân theo cùng một nguyên lý: sự tương tác giữa luồng khí nhanh ở phía trên và bề mặt gồ ghề, đầy vật cản của Trái Đất.
Kết luận
Gió thổi thành từng cơn giật không phải vì hệ thống áp suất lớn đột nhiên thay đổi trong vài giây. Nguồn gốc chính nằm ở tầng biên khí quyển, nơi ma sát với mặt đất tạo ra chênh lệch tốc độ giữa các lớp khí và hình thành vô số vòng xoáy.
Các vòng xoáy này liên tục đưa không khí nhanh từ trên cao xuống rồi nâng lớp khí chậm gần mặt đất lên. Địa hình, cây cối, công trình và nhiệt độ bề mặt sẽ quyết định quá trình đó diễn ra mạnh hay yếu. Vì vậy, mỗi cú gió giật mà chúng ta cảm nhận thực chất là kết quả của một hệ thống chuyển động phức tạp đang diễn ra ngay phía trên đầu.
AI tạo hàng trăm kết quả toán học: Con người sẽ kiểm chứng ra sao?
Cảnh báo AI có thể đe dọa nhân loại trước năm 2030
Vì sao tua-bin gió gần như luôn dùng 3 cánh quạt?
AI giúp phát hiện ứng viên hành tinh từ dữ liệu 126.000 ngôi sao
Bill Gates từng nói gì về thuế tài sản và 200 tỷ USD từ thiện?
Nga phát triển hợp kim có thể tự lấp đầy vết nứt
1 in 8 Billion: Khi AI mô phỏng cuộc đời không thể tự chọn
