Áp suất không khí giảm khi lên cao vì càng lên cao, cột khí đè phía trên càng ngắn và nhẹ. Gần mặt đất, cứ lên khoảng 8 mét áp suất giảm chừng 1 hPa; tính chung, cứ khoảng 5,5 km áp suất còn một nửa. Nước sôi khi áp suất hơi nước của nó bằng áp suất xung quanh, nên áp suất thấp thì nước sôi sớm hơn: ở Đà Lạt (khoảng 1.500 m) nước sôi ở khoảng 95 °C, trên đỉnh Fansipan (khoảng 3.147 m) khoảng 89–90 °C, trên đỉnh Everest chỉ khoảng 70 °C.
Vì sao áp suất giảm theo hàm mũ
Không khí bị nén bởi chính sức nặng của nó. Lớp dưới cùng gánh cả bầu khí quyển nên đặc nhất; lớp trên gánh ít hơn nên loãng hơn. Mỗi lần lên một đoạn, ta bỏ lại phía dưới một phần khí, và vì phần đó là phần đặc, áp suất giảm nhanh lúc đầu rồi chậm dần.
Kết quả là một đường cong hàm mũ: không giảm đều theo từng km mà giảm theo tỷ lệ. Lên 5,5 km còn một nửa; lên 11 km còn khoảng một phần tư; lên 16–17 km còn khoảng một phần mười.
| Độ cao | Áp suất (khí quyển chuẩn) | So với mặt biển | Ví dụ |
|---|---|---|---|
| 0 m | 1013 hPa | 100% | Mực nước biển |
| 1.500 m | ~846 hPa | ~84% | Đà Lạt, Sa Pa |
| 3.147 m | ~688 hPa | ~68% | Đỉnh Fansipan |
| 5.500 m | ~505 hPa | ~50% | Trại nền Everest phía Nepal khoảng 5.360 m |
| 8.849 m | ~314 hPa (đo thực tế thường ~330–340 hPa) | ~31–33% | Đỉnh Everest |
| 11.000 m | ~226 hPa | ~22% | Độ cao bay của máy bay chở khách |
| ~19.000 m | ~63 hPa | ~6% | Giới hạn Armstrong, nước sôi ở 37 °C |
Bảng trên dùng mô hình Khí quyển chuẩn quốc tế, giả định nhiệt độ trung bình. Thực tế áp suất ở cùng độ cao thay đổi theo thời tiết và vĩ độ. Đỉnh Everest gần vùng nhiệt đới, không khí ấm và tầng đối lưu dày hơn, nên áp suất đo thật cao hơn mô hình chuẩn một chút, khoảng 330–340 hPa.
Nước sôi là gì, nói cho đúng
Ở bất kỳ nhiệt độ nào, phân tử nước trên mặt thoáng cũng có một số bay đi thành hơi; đó là bay hơi. Sôi là khi hơi nước có thể hình thành ngay trong lòng chất lỏng thành bọt, và bọt ấy không bị không khí bên ngoài ép xẹp. Điều đó xảy ra khi áp suất hơi bão hoà của nước bằng áp suất xung quanh.
Áp suất hơi bão hoà tăng theo nhiệt độ. Ở 100 °C, nó đúng bằng 1 atm, nên ở mực nước biển nước sôi ở 100 °C. Lên núi, áp suất xung quanh thấp hơn, nước chỉ cần nóng tới mức thấp hơn để hơi đạt bằng áp suất đó.
| Nơi | Độ cao gần đúng | Nhiệt độ sôi của nước |
|---|---|---|
| Mực nước biển | 0 m | 100 °C |
| Đà Lạt | ~1.500 m | ~95 °C |
| Đỉnh Fansipan | ~3.147 m | ~89–90 °C |
| La Paz (Bolivia) | ~3.600 m | ~88 °C |
| Đỉnh Everest | 8.849 m | ~70–71 °C |
| Nồi áp suất (thêm ~1 bar) | — | ~120 °C |
Quy tắc nhẩm: lên khoảng 300 m, nhiệt độ sôi giảm khoảng 1 °C (gần mặt đất). Con số sôi cụ thể còn đổi theo thời tiết hôm đó vài phần mười độ.
Hệ quả trong bếp trên núi
- Luộc, hầm lâu hơn: nước sôi 90 °C nấu chín chậm hơn rõ rệt so với 100 °C. Trứng luộc, khoai, đậu cần thêm thời gian. Đó là lý do ở vùng cao người ta chuộng nồi áp suất.
- Cơm dễ sống: nồi cơm thường đun tới khi nước cạn rồi tự ngắt; ở vùng rất cao cơm có thể chưa chín kỹ vì nước sôi ở nhiệt độ thấp.
- Pha trà, cà phê: nước "sôi" trên núi nguội hơn, chiết vị khác dưới xuôi. Đun sôi lâu không làm nước nóng hơn, chỉ làm cạn nước.
- Nướng bánh: bột nở nhanh hơn và nước bay hơi nhanh hơn, nên các sách dạy làm bánh ở vùng cao thường giảm bột nở, tăng nhiệt lò một chút.
- Diệt khuẩn bằng đun sôi: Trung tâm Kiểm soát và Phòng ngừa Dịch bệnh Hoa Kỳ (CDC) khuyến cáo ở độ cao trên khoảng 2.000 m nên đun sôi lâu hơn (3 phút thay vì 1 phút) để bù cho nhiệt độ sôi thấp.
Những hiện tượng khác do áp suất thấp
Gói bim bim phồng, chai nước bị bóp
Mang một gói snack kín từ đồng bằng lên Đà Lạt, gói phồng căng lên vì khí bên trong vẫn giữ áp suất dưới xuôi trong khi bên ngoài loãng hơn. Ngược lại, uống cạn chai nước trên đỉnh núi, vặn chặt nắp rồi mang xuống, chai sẽ bị bóp méo.
Tai ù
Khoang tai giữa chứa không khí, nối với họng qua vòi nhĩ. Khi áp suất ngoài thay đổi nhanh, màng nhĩ bị đẩy lệch cho tới khi vòi nhĩ mở ra cân bằng. Nuốt, ngáp giúp vòi nhĩ mở. Người đang sổ mũi, viêm tai nên hỏi ý kiến bác sĩ trước khi đi máy bay.
Máy bay điều áp cabin
Ở độ cao bay khoảng 11 km, áp suất ngoài chỉ khoảng 22% mặt biển. Cabin máy bay chở khách được bơm khí giữ áp suất tương đương độ cao khoảng 1.800–2.400 m, đủ để hành khách khoẻ mạnh thở bình thường mà thân máy bay không phải chịu chênh lệch áp suất quá lớn.
Giới hạn Armstrong
Ở độ cao khoảng 18–19 km, áp suất chỉ còn khoảng 63 hPa. Ở mức đó, nước sôi ở 37 °C, đúng thân nhiệt. Đây gọi là giới hạn Armstrong, đặt theo tên bác sĩ Harry Armstrong của Không quân Mỹ. Trên độ cao này, người không mặc đồ điều áp sẽ không thể sống sót, nên mọi chuyến bay hay nhảy từ tầng bình lưu đều bắt buộc có bộ đồ áp suất.
Oxy ít đi dù tỷ lệ không đổi
Không khí trên đỉnh núi vẫn có khoảng 21% oxy. Cái giảm là áp suất riêng phần của oxy: 21% của 1013 hPa là khoảng 212 hPa, còn 21% của 337 hPa (đỉnh Everest) chỉ khoảng 71 hPa. Mỗi hơi thở trên đỉnh Everest chứa khoảng một phần ba lượng oxy so với mặt biển. Cơ thể cần thời gian để thích nghi; các vấn đề sức khoẻ khi lên cao nên tham khảo bác sĩ và hướng dẫn của tổ chức y tế, đây không phải chủ đề của bài này.
Góc nhìn hôm nay: tự làm thí nghiệm
- Đo nhiệt độ sôi: lần tới lên Đà Lạt hay Sa Pa, mang theo nhiệt kế nấu ăn, đo nhiệt độ nước đang sôi sùng sục và so với ở nhà. Cẩn thận hơi nước nóng.
- Gói snack làm "phong vũ biểu": chụp ảnh một gói snack kín ở chân đèo và trên đỉnh đèo để so độ phồng.
- Ống tiêm và nước ấm: hút ít nước ấm vào ống tiêm nhựa không kim, bịt đầu rồi kéo mạnh pít-tông; áp suất giảm làm nước sủi bọt như sôi dù chỉ ấm. Làm cùng người lớn, dùng nước ấm, không dùng nước nóng.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao lên cao áp suất không khí giảm?
Vì càng lên cao, cột không khí phía trên càng ngắn và nhẹ, nên sức nặng đè xuống ít hơn. Không khí cũng bị nén chủ yếu ở lớp dưới, nên áp suất giảm nhanh gần mặt đất và chậm dần lên cao, khoảng một nửa cho mỗi 5,5 km.
Vì sao nước sôi dưới 100 độ trên núi cao?
Nước sôi khi áp suất hơi của nó bằng áp suất xung quanh. Trên núi áp suất thấp hơn, nên nước chỉ cần nóng tới nhiệt độ thấp hơn là đã sôi, ví dụ khoảng 95 °C ở Đà Lạt và khoảng 70 °C trên đỉnh Everest.
Lên cao bao nhiêu thì nhiệt độ sôi giảm 1 độ?
Gần mặt đất, cứ lên khoảng 300 m thì nhiệt độ sôi của nước giảm khoảng 1 °C. Quy tắc này chỉ là gần đúng và thay đổi chút ít theo thời tiết.
Nấu ăn trên núi có lâu chín hơn không?
Có, với các món luộc và hầm, vì nước sôi ở nhiệt độ thấp hơn 100 °C. Dùng nồi áp suất giúp nâng nhiệt độ sôi lên khoảng 120 °C và rút ngắn thời gian nấu.
Giới hạn Armstrong là gì?
Là độ cao khoảng 18–19 km, nơi áp suất chỉ còn khoảng 63 hPa và nước sôi ở 37 °C, bằng thân nhiệt người. Trên độ cao này con người bắt buộc phải mặc đồ điều áp.
