Ba vòng hoàn lưu khí quyển: vòng Hadley, vòng Ferrel và vòng cực

Hoàn lưu khí quyển toàn cầu thường được mô tả bằng ba vòng ở mỗi bán cầu: vòng Hadley từ xích đạo tới khoảng vĩ độ 30°, vòng Ferrel từ khoảng 30° tới 60°, và vòng cực từ 60° tới cực. Không khí nóng bốc lên ở xích đạo, chìm xuống ở quanh vĩ độ 30°, lại bốc lên ở quanh 60° và chìm xuống ở cực. Ba vòng này chở nhiệt từ vùng nhiệt đới thừa nắng về vùng cực thiếu nắng, và giải thích vì sao có vành đai mưa xích đạo, sa mạc cận nhiệt, gió mậu dịch và gió tây.

Bài toán nhiệt cần giải

Vùng nhiệt đới nhận năng lượng Mặt Trời nhiều hơn lượng nó bức xạ ra vũ trụ; vùng cực thì ngược lại. Nếu không có gì chở nhiệt, xích đạo sẽ nóng hơn hiện nay nhiều và hai cực lạnh hơn nhiều. Khí quyển và đại dương cùng gánh việc vận chuyển nhiệt này. Ở vĩ độ trung bình, dòng nhiệt hướng về cực đạt cỡ năm triệu tỷ watt (khoảng 5 petawatt), trong đó phần lớn do khí quyển đảm nhận.

Câu hỏi là: khí quyển chở nhiệt bằng cách nào? Câu trả lời đã được ba thế kỷ các nhà khoa học lần lượt sửa đi sửa lại.

Ba thế kỷ tìm lời giải

Từ Halley tới Hadley: vòng một ô

Năm 1686, nhà thiên văn Edmond Halley (người tính ra quỹ đạo sao chổi mang tên ông) đưa ra lời giải thích đầu tiên cho gió mậu dịch: không khí nóng ở xích đạo bốc lên, không khí lạnh hơn từ hai phía tràn vào thay chỗ. Nhưng ông không giải thích được vì sao gió mậu dịch lại thổi từ hướng đông.

Năm 1735, luật sư kiêm nhà khí tượng nghiệp dư người Anh George Hadley bổ sung mảnh còn thiếu: Trái Đất quay. Không khí trôi từ vĩ độ cao về xích đạo đi từ nơi mặt đất quay chậm hơn sang nơi mặt đất quay nhanh hơn, nên tụt lại phía sau và thành gió từ phía đông. Hadley hình dung mỗi bán cầu chỉ có một vòng lớn: bốc lên ở xích đạo, đi trên cao về cực, chìm xuống ở cực rồi trở về sát mặt đất. Bài báo của ông gần như bị quên lãng suốt hơn một thế kỷ.

Ferrel và mô hình ba vòng

Năm 1856, nhà khí tượng tự học người Mỹ William Ferrel chỉ ra rằng một vòng duy nhất không khớp với quan sát: ở vĩ độ trung bình gió mặt đất thổi từ hướng tây chứ không từ hướng đông. Ông đề xuất mô hình ba vòng và dùng toán học về chuyển động trên Trái Đất quay để giải thích. Từ đó mô hình ba vòng trở thành hình ảnh trong mọi sách giáo khoa.

Vòng Hadley: động cơ nhiệt mạnh nhất

Ở xích đạo, nắng gắt và biển ấm làm không khí ẩm bốc lên thành những cột mây dông khổng lồ. Hơi nước ngưng tụ nhả ra lượng nhiệt ẩn rất lớn, sưởi cột khí và đẩy nó lên tới đỉnh tầng đối lưu khoảng 15–17 km. Tới đó, khí toả về hai phía, đi về phía cực trên cao.

Trên đường đi, khí mất nhiệt do bức xạ ra vũ trụ và bị lực Coriolis bẻ dần sang hướng đông. Tới khoảng vĩ độ 30°, nó chìm xuống, bị nén và ấm lên, rất khô. Đó là lý do quanh vĩ độ này có nhiều sa mạc lớn. Sát mặt đất, khí quay về xích đạo thành gió mậu dịch, khép lại vòng.

Vòng Hadley là một vòng nhiệt trực tiếp: khí nóng bốc lên, khí nguội chìm xuống, đúng như một nồi nước đun.

Vòng Ferrel: vòng "gián tiếp" và chuyện trung bình

Vòng Ferrel kỳ lạ hơn: khí chìm xuống ở phía ấm (30°) và bốc lên ở phía lạnh (60°), ngược với logic của một động cơ nhiệt. Nó không tự chạy mà bị hai vòng bên cạnh "kéo" như một bánh răng trung gian.

Thực tế, vòng Ferrel chủ yếu là bức tranh trung bình. Ở vĩ độ trung bình, việc chở nhiệt về cực do các xoáy đảm nhận: những vùng áp thấp và áp cao di chuyển từ tây sang đông, kéo khí ấm lên phía cực ở mặt trước và khí lạnh xuống phía xích đạo ở mặt sau. Lấy trung bình theo mọi kinh tuyến và nhiều tháng thì mới hiện ra hình một vòng. Nếu chụp ảnh vệ tinh một ngày bất kỳ, sẽ không thấy "vòng Ferrel" nào cả, chỉ thấy những dải mây xoắn của các hệ thời tiết.

Vòng cực: không khí lạnh chìm xuống

Ở vùng cực, khí lạnh, đặc, chìm xuống tạo vùng áp cao. Sát mặt đất, khí toả ra về phía xích đạo và bị lệch thành gió đông cực. Tới khoảng 60°, khí lạnh cực gặp khí ấm hơn của vĩ độ trung bình. Ranh giới ấy gọi là frông cực, nơi khí ấm bị đẩy lên, sinh nhiều hệ thời tiết. Vòng cực cũng là một vòng nhiệt trực tiếp, nhưng yếu hơn vòng Hadley nhiều.

Vì sao là ba vòng mà không phải một hay năm

Số vòng phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ tự quay và kích thước hành tinh. Trái Đất quay đủ nhanh để lực Coriolis bẻ dòng khí trên cao thành gió tây trước khi nó kịp tới cực, nên vòng Hadley dừng ở khoảng 30°.

• Sao Kim quay rất chậm, một vòng mất khoảng 243 ngày Trái Đất. Ở đó vòng Hadley trải rộng gần tới vùng cực.
• Sao Mộc lớn và quay rất nhanh, một ngày chưa tới 10 giờ. Khí quyển của nó chia thành nhiều dải sáng tối xen kẽ, mỗi dải là một luồng gió thổi ngược chiều dải bên cạnh.

Mô hình ba vòng của Trái Đất vì vậy không phải quy luật của mọi hành tinh mà là kết quả của tốc độ quay, kích thước và lượng nắng cụ thể của hành tinh mình.

Hoàn lưu đang thay đổi?

Nhiều nghiên cứu từ dữ liệu vệ tinh và tái phân tích cho thấy rìa vòng Hadley có xu hướng dịch dần về phía cực trong vài thập kỷ gần đây, kéo theo vành đai khô cận nhiệt. IPCC AR6 (Nhóm I, 2021) đánh giá vòng Hadley nhiều khả năng đã mở rộng về phía cực ít nhất từ thập niên 1980, nhưng mức độ và nguyên nhân (biến đổi khí hậu, ozone, dao động tự nhiên) vẫn còn được nghiên cứu, các tập dữ liệu khác nhau cho con số khác nhau.

Góc nhìn hôm nay

• Nhìn một ảnh mây toàn cầu ghép từ vệ tinh (NASA Worldview cho xem miễn phí theo ngày): dải mây dày sát xích đạo, hai vành đai trời quang quanh vĩ độ 30°, và những xoáy mây ở vĩ độ trung bình. Đó là ba vòng hoàn lưu hiện ra bằng mắt.
• So bản đồ sa mạc thế giới với vĩ tuyến 30° Bắc và Nam: Sahara, Ả Rập, Kalahari, các sa mạc Australia đều nằm quanh đó.
• Muốn đọc lịch sử ý tưởng, bài viết của Encyclopaedia Britannica về "atmospheric circulation" và các chương lịch sử khí tượng trong giáo trình đại cương kể lại quá trình từ Halley tới Ferrel khá đầy đủ.