Bóng thám không là quả bóng chứa hydro hoặc heli, kéo theo một hộp cảm biến nhỏ gọi là radiosonde, bay thẳng lên tới độ cao khoảng 30–35 km và gửi về số đo áp suất, nhiệt độ, độ ẩm và gió theo từng giây. Khắp thế giới có khoảng 800 trạm thả bóng, phần lớn thả đồng loạt hai lần mỗi ngày vào 00 giờ và 12 giờ giờ quốc tế (UTC), tức 7 giờ sáng và 7 giờ tối giờ Việt Nam. Đây vẫn là cách đo khí quyển theo chiều thẳng đứng chính xác nhất và là đầu vào quan trọng của mọi mô hình dự báo.
Vì sao phải đo khí quyển theo chiều đứng
Trạm khí tượng mặt đất chỉ cho biết điều đang xảy ra ở chỗ ta đứng. Nhưng mưa, dông, gió mạnh đều phụ thuộc vào cấu trúc của cả cột khí: lớp nào ấm, lớp nào lạnh, lớp nào ẩm, gió ở mỗi độ cao thổi hướng nào. Một lớp khí ấm nằm trên lớp lạnh có thể "đậy nắp" không cho mây dông phát triển; ngược lại, không khí ẩm ấm bên dưới và lạnh khô bên trên là công thức cho dông mạnh.
Các mô hình dự báo số trị chia khí quyển thành hàng chục tới hơn một trăm lớp. Để bắt đầu tính, chúng cần trạng thái ban đầu của từng lớp. Vệ tinh cung cấp phần lớn lượng dữ liệu ngày nay, nhưng số đo vệ tinh theo chiều đứng là gián tiếp và cần được "neo" vào những số đo trực tiếp. Bóng thám không chính là cái neo đó.
Bên trong một radiosonde
Radiosonde hiện đại nặng chừng vài trăm gam, to cỡ hộp sữa, gồm:
- Cảm biến nhiệt độ: thường là một nhiệt điện trở hoặc dây mảnh, được phủ lớp phản quang để giảm sai số do nắng chiếu.
- Cảm biến độ ẩm: tụ điện mỏng có lớp polymer thay đổi điện dung theo hơi nước, nhiều mẫu có bộ sưởi nhỏ để tránh đóng băng.
- Bộ thu GPS: xác định vị trí từng giây; từ đó tính được hướng và tốc độ gió ở mỗi độ cao, vì quả bóng trôi theo gió. Nhiều mẫu tính luôn độ cao và áp suất từ GPS.
- Bộ phát vô tuyến: gửi dữ liệu về trạm mặt đất, thường ở dải tần quanh 400 MHz.
- Pin đủ cho vài giờ bay.
Quả bóng bằng cao su tự nhiên hoặc tổng hợp, khi thả có đường kính chừng 1,5–2 mét. Nó bay lên với tốc độ khoảng 5 mét mỗi giây, mất khoảng một tiếng rưỡi tới hai tiếng để lên tới đỉnh. Càng lên cao, áp suất bên ngoài càng giảm nên bóng càng phình to, tới đường kính khoảng 6–8 mét hoặc hơn rồi nổ. Một chiếc dù nhỏ làm chậm radiosonde khi rơi. Phần lớn radiosonde không được thu hồi; một số nước in hướng dẫn gửi trả trên vỏ hộp.
Hydro hay heli
Heli an toàn vì không cháy, nhưng đắt và đang khan hiếm. Hydro rẻ, có thể điều chế ngay tại trạm bằng điện phân nước hoặc phản ứng hoá học, và cho lực nâng tốt hơn một chút, nhưng dễ cháy nổ nên đòi hỏi quy trình an toàn nghiêm ngặt. Nhiều cơ quan khí tượng dùng hydro; một số trạm đã chuyển sang hệ thống thả bóng tự động, robot bơm bóng và thả trong một buồng kín mà không cần người đứng cạnh.
Lịch sử: từ diều tới bóng gửi tín hiệu
| Thời gian | Sự kiện |
|---|---|
| Thế kỷ 18–19 | Diều và khí cầu có người lái mang nhiệt kế, phong vũ biểu lên cao; các chuyến bay khí cầu lên trên 8 km cực kỳ nguy hiểm vì thiếu oxy |
| Thập niên 1890 | Bóng thám không không người lái mang máy tự ghi, phải tìm lại được máy mới có dữ liệu |
| 1902 | Léon Teisserenc de Bort (Pháp) và Richard Assmann (Đức) công bố: từ khoảng 11 km trở lên, nhiệt độ thôi giảm theo độ cao — phát hiện ra tầng bình lưu |
| 1929–1930 | Robert Bureau (Pháp) và Pavel Molchanov (Liên Xô) thả những radiosonde đầu tiên gửi dữ liệu bằng sóng vô tuyến; chuyến của Molchanov ngày 30/1/1930 thường được nhắc tới như mốc khởi đầu |
| 1938 | Hoa Kỳ đưa radiosonde vào quan trắc thường xuyên |
| Sau 1945 | Mạng lưới toàn cầu thả bóng đồng thời theo giờ quốc tế hình thành |
| Từ thập niên 2000 | GPS thay thế ra-đa và vô tuyến định hướng để đo gió |
Phát hiện tầng bình lưu năm 1902 là thành quả trực tiếp của bóng thám không. Teisserenc de Bort đã thả hàng trăm quả bóng từ đài quan sát của ông ở Trappes, gần Paris, và chỉ công bố khi chắc chắn lớp nhiệt độ không đổi ở trên cao không phải lỗi dụng cụ do nắng hun.
Giờ thả bóng thống nhất toàn cầu
Điều làm hệ thống này mạnh là tính đồng bộ. Theo quy định của Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO), các trạm thả bóng sao cho radiosonde đi qua khí quyển quanh các mốc 00 UTC và 12 UTC. Một số trạm thả thêm vào 06 và 18 UTC khi có bão hay theo chương trình riêng. Nhờ vậy, mỗi ngày hai lần, nhân loại có một "lát cắt" ba chiều của khí quyển gần như cùng một lúc trên khắp các lục địa.
Dữ liệu được mã hoá và chia sẻ qua Hệ thống Viễn thông Toàn cầu của WMO trong vòng vài giờ, sẵn sàng cho mọi trung tâm dự báo. Việt Nam cũng có các trạm thám không vô tuyến trong mạng lưới quan trắc quốc gia, gửi dữ liệu lên hệ thống chung này.
Trên bản đồ, mạng lưới không đều: dày ở châu Âu, Bắc Mỹ, Đông Á; thưa ở châu Phi, đại dương và vùng cực. Trên biển, một số tàu thương mại tham gia thả bóng; trong bão, máy bay trinh sát thả ngược xuống loại "dropsonde" — radiosonde có dù rơi từ trên xuống, đo cấu trúc bên trong cơn bão.
Biểu đồ nhiệt động: đọc một lần thả bóng
Dữ liệu một lần thả thường được vẽ lên biểu đồ nhiệt động như Skew-T hoặc tephigram: trục đứng là áp suất (giảm dần lên trên), hai đường cong chính là nhiệt độ và điểm sương. Người dự báo nhìn vào biểu đồ này để biết:
- Độ cao chân mây và đỉnh mây có thể đạt tới.
- Lớp nghịch nhiệt (nhiệt độ tăng theo độ cao) ở đâu, dày bao nhiêu.
- Năng lượng tiềm năng cho dông (chỉ số CAPE) và lớp "nắp" chặn đối lưu.
- Độ cao đỉnh tầng đối lưu, nơi nhiệt độ thôi giảm.
- Gió thay đổi hướng và tốc độ theo độ cao ra sao.
Những biến thể của bóng thám không
Ozonesonde
Radiosonde gắn thêm một buồng điện hoá nhỏ chứa dung dịch kali iodua; không khí được bơm qua, ozone phản ứng tạo dòng điện tỉ lệ với nồng độ. Ozonesonde cho biết ozone phân bố theo độ cao, bổ sung cho vệ tinh. Ở Nam Cực, chuỗi ozonesonde thả đều đặn cho thấy rõ cả một lớp ozone gần như biến mất vào mùa xuân phương nam.
Bóng bay lâu ở tầng bình lưu
Khác với bóng thám không nổ sau hai giờ, có loại bóng áp suất không đổi bay trôi ở một độ cao cố định nhiều tuần, dùng để đo gió và sóng trong tầng bình lưu ở những vùng ít trạm như Nam Cực.
Bóng khoa học cỡ lớn
NASA và các cơ quan vũ trụ thả bóng khổng lồ thể tích hàng trăm nghìn mét khối, mang kính thiên văn và thiết bị đo lên khoảng 35–40 km, cao hơn khoảng 99% khối lượng khí quyển. Đó là cách rẻ hơn tên lửa để có "gần như không gian".
Góc nhìn hôm nay
Nhiều người nghĩ thời vệ tinh thì bóng thám không đã lỗi thời. Các trung tâm dự báo thì không nghĩ vậy: các nghiên cứu đánh giá tác động của từng loại dữ liệu tại Trung tâm Dự báo Thời tiết Hạn vừa châu Âu (ECMWF) thường xếp radiosonde vào nhóm có đóng góp lớn tính trên mỗi lần đo. Năm 2020, khi các chuyến bay thương mại gần như ngừng hẳn, nguồn số đo từ máy bay dân dụng sụt mạnh, và vai trò của bóng thám không càng rõ.
Chuỗi số liệu radiosonde kéo dài hơn 70 năm cũng là một trong những bằng chứng trực tiếp cho thấy tầng đối lưu ấm lên trong khi tầng bình lưu lạnh đi — đúng dấu hiệu mà khí nhà kính tăng sẽ gây ra, khác với dấu hiệu nếu Mặt Trời mạnh lên.
Muốn xem dữ liệu, có thể tìm biểu đồ Skew-T của các trạm gần mình trên trang lưu trữ thám không của Đại học Wyoming. Nếu tình cờ nhặt được một radiosonde rơi, hãy làm theo hướng dẫn in trên vỏ, và báo cho cơ quan khí tượng địa phương.
Câu hỏi thường gặp
Bóng thám không bay cao bao nhiêu?
Bóng thám không thường bay tới độ cao khoảng 30–35 km trước khi nổ, tức đã vào tầng bình lưu. Thời gian bay lên mất khoảng một tiếng rưỡi tới hai tiếng với tốc độ chừng 5 mét mỗi giây. Lúc nổ, bóng có thể phình tới đường kính 6–8 mét.
Mỗi ngày thả bóng thám không mấy lần?
Phần lớn trạm thả hai lần mỗi ngày quanh 00 giờ và 12 giờ UTC, tức khoảng 7 giờ sáng và 7 giờ tối giờ Việt Nam. Khi có bão hoặc chương trình đặc biệt, một số trạm thả thêm vào 06 và 18 giờ UTC.
Radiosonde đo những gì?
Radiosonde đo nhiệt độ, độ ẩm và áp suất, còn GPS cho biết vị trí từng giây để tính hướng và tốc độ gió ở mỗi độ cao. Loại ozonesonde đo thêm nồng độ ozone. Dữ liệu được gửi về trạm mặt đất bằng sóng vô tuyến.
Có vệ tinh rồi sao vẫn cần bóng thám không?
Vệ tinh đo gián tiếp và có độ phân giải theo chiều đứng kém hơn. Bóng thám không đo trực tiếp từng lớp khí, dùng để hiệu chỉnh dữ liệu vệ tinh và làm đầu vào cho mô hình dự báo. Các đánh giá ở trung tâm dự báo cho thấy radiosonde vẫn có đóng góp lớn tính trên mỗi lần đo.
Ai phát hiện ra tầng bình lưu?
Năm 1902, Léon Teisserenc de Bort ở Pháp và Richard Assmann ở Đức độc lập công bố rằng từ khoảng 11 km trở lên nhiệt độ thôi giảm theo độ cao. Phát hiện dựa trên hàng trăm lần thả bóng thám không mang máy tự ghi.
