Khí quyển Trái Đất thường được chia làm năm tầng theo cách nhiệt độ thay đổi khi lên cao: tầng đối lưu (mặt đất tới khoảng 8–18 km), tầng bình lưu (tới khoảng 50 km), tầng trung lưu (tới khoảng 80–85 km), tầng nhiệt hay nhiệt quyển (tới vài trăm đến khoảng 1.000 km) và ngoại quyển ở ngoài cùng. Mọi ranh giới đều là số gần đúng, xê dịch theo vĩ độ, mùa và hoạt động của Mặt Trời.
Cách chia này không dựa vào màu sắc hay thành phần, mà dựa vào một câu hỏi rất đơn giản: đi lên thì nóng thêm hay lạnh đi? Mỗi lần chiều thay đổi nhiệt độ đảo ngược là một ranh giới tầng.
Bảng năm tầng khí quyển
| Tầng | Độ cao gần đúng | Nhiệt độ khi lên cao | Điểm đáng nhớ |
|---|---|---|---|
| Đối lưu | 0 → ~8 km (cực) / ~16–18 km (xích đạo) | Giảm, trung bình ~6,5 °C mỗi km | Chứa khoảng 3/4 khối lượng khí quyển, gần hết hơi nước và mây |
| Bình lưu | Đỉnh đối lưu → ~50 km | Tăng dần, từ khoảng −55 °C lên gần 0 °C | Tầng ozone, không khí rất khô và ổn định |
| Trung lưu | ~50 → ~80–85 km | Giảm, xuống khoảng −90 °C | Nơi lạnh nhất khí quyển; sao băng bốc cháy |
| Nhiệt quyển | ~80–85 km → vài trăm tới ~1.000 km | Tăng mạnh, vài trăm tới khoảng 2.000 °C | Cực quang, Trạm Vũ trụ Quốc tế bay ở ~400 km |
| Ngoại quyển | Trên ~500–1.000 km | Khái niệm nhiệt độ gần như mất ý nghĩa | Phân tử bay theo quỹ đạo, có thể thoát ra vũ trụ |
Giữa các tầng là những lớp chuyển tiếp mỏng mang hậu tố "-pause" trong tiếng Anh: tropopause (đỉnh tầng đối lưu), stratopause (đỉnh bình lưu), mesopause (đỉnh trung lưu). Tiếng Việt thường gọi là đỉnh tầng hoặc lớp ranh giới.
Tầng đối lưu: nơi có thời tiết
Tầng đối lưu là tầng ta sống trong đó. Chữ "đối lưu" nói đúng bản chất: không khí ở đây liên tục cuộn lên cuộn xuống. Mặt đất hấp thụ nắng, nóng lên, sưởi lớp khí sát nó; khí nóng nhẹ hơn bốc lên, nở ra và lạnh đi, hơi nước ngưng thành mây. Gần như mọi đám mây, cơn mưa, cơn bão đều nằm trong tầng này.
Độ dày tầng đối lưu không đều. Ở hai cực chỉ khoảng 8 km, ở vùng xích đạo tới 16–18 km. Không khí nhiệt đới nóng, đối lưu mạnh đẩy đỉnh tầng lên cao; không khí vùng cực lạnh, đặc, "xẹp" xuống. Mùa hè đỉnh tầng cao hơn mùa đông. Vì vậy ở đỉnh tầng đối lưu, chỗ lạnh nhất lại nằm trên xích đạo, có thể xuống −80 °C, lạnh hơn đỉnh tầng đối lưu trên vùng cực.
Tầng đối lưu mỏng nhưng nặng: nó chứa khoảng 75–80% khối lượng toàn bộ khí quyển và gần như toàn bộ hơi nước.
Tầng bình lưu: lớp khí ấm dần lên trên
Vượt qua đỉnh tầng đối lưu, nhiệt độ ngừng giảm, rồi lại tăng dần. Nguồn sưởi là ozone: phân tử ozone hấp thụ tia cực tím từ Mặt Trời và chuyển năng lượng ấy thành nhiệt. Ở đỉnh tầng bình lưu khoảng 50 km, nhiệt độ có thể lên gần 0 °C.
Khi lớp trên ấm hơn lớp dưới, không khí không còn muốn bốc lên. Vì thế tầng bình lưu xếp lớp ổn định, ít xáo trộn theo chiều đứng, đúng như cái tên "bình lưu". Bụi núi lửa phun lên đây có thể lơ lửng một hai năm, vì không có mưa để rửa trôi. Máy bay phản lực chở khách thường bay ở khoảng 10–12 km, tức sát đỉnh tầng đối lưu hoặc chạm vào phần thấp nhất của tầng bình lưu ở vĩ độ cao.
Tầng trung lưu: tầng lạnh nhất
Trên 50 km, ozone thưa dần, không đủ để sưởi. Trong khi đó CO₂ vẫn bức xạ nhiệt ra vũ trụ. Kết quả là nhiệt độ lại giảm theo độ cao, tới đỉnh tầng trung lưu ở khoảng 80–85 km chỉ còn khoảng −90 °C, có lúc lạnh hơn nhiều. Đây là nơi lạnh nhất trong khí quyển Trái Đất.
Tầng trung lưu khó nghiên cứu bậc nhất. Bóng thám không không lên tới (bóng thường vỡ ở khoảng 30–35 km), còn vệ tinh không bay thấp được như vậy vì lực cản sẽ kéo chúng rơi. Người ta chủ yếu đo nó bằng tên lửa thám không bay lên rồi rơi xuống trong vài phút, và bằng radar, lidar từ mặt đất. Sao băng bốc cháy chủ yếu trong tầng này và phần dưới tầng nhiệt.
Nhiệt quyển: nóng mà không ấm
Trên đỉnh tầng trung lưu, nhiệt độ tăng vọt. Oxy và nitơ ở đây hấp thụ tia cực tím xa và tia X của Mặt Trời, những bức xạ năng lượng rất cao không xuống được tới tầng dưới. Nhiệt độ phân tử có thể lên vài trăm độ khi Mặt Trời yên, và tới khoảng 2.000 °C khi Mặt Trời hoạt động mạnh. Đỉnh nhiệt quyển vì thế cũng phồng lên, xẹp xuống theo chu kỳ khoảng 11 năm của Mặt Trời.
Nhưng không khí ở đây loãng tới mức một vật đặt vào sẽ không thấy nóng; nó mất nhiệt do bức xạ nhanh hơn nhận nhiệt từ vài phân tử va vào. Trạm Vũ trụ Quốc tế bay ở khoảng 400 km, ngay trong nhiệt quyển. Cực quang cũng sáng chủ yếu ở độ cao khoảng 100–300 km thuộc tầng này.
Ngoại quyển: không có ranh giới cuối
Từ khoảng 500 km tới 1.000 km trở lên (tuỳ hoạt động Mặt Trời), phân tử khí cách nhau xa tới mức gần như không bao giờ va chạm. Mỗi nguyên tử, chủ yếu là hydro và heli, bay theo quỹ đạo như một viên đạn nhỏ: phần lớn rơi trở lại, một số đủ nhanh thì thoát hẳn ra vũ trụ. Ngoại quyển không có mép rõ ràng mà nhạt dần vào không gian liên hành tinh; quầng hydro mờ quanh Trái Đất đã được đo tới khoảng cách xa hơn cả quỹ đạo Mặt Trăng.
Những cách chia khác chồng lên năm tầng
Năm tầng chỉ là một cách chia, theo nhiệt độ. Các ngành khác chia theo tiêu chí riêng, và tên gọi dễ gây rối:
- Tầng ozone không phải một tầng riêng mà là vùng ozone đậm đặc trong tầng bình lưu, khoảng 15–35 km.
- Tầng điện ly là phần khí bị ion hoá, từ khoảng 60 km tới khoảng 1.000 km, phủ lên tầng trung lưu, nhiệt quyển và một phần ngoại quyển. Nó quan trọng với sóng vô tuyến.
- Tầng đồng nhất và tầng không đồng nhất chia theo việc các khí có trộn đều hay không, ranh giới khoảng 100 km.
- Từ quyển không phải là khí quyển mà là vùng ảnh hưởng của từ trường Trái Đất, kéo dài hàng chục nghìn km.
Ai đặt ra cách chia này
Cho tới cuối thế kỷ 19, người ta nghĩ nhiệt độ cứ giảm đều mãi khi lên cao. Nhà khí tượng Pháp Léon Teisserenc de Bort thả hàng trăm quả bóng mang nhiệt kế tự ghi và nhận ra rằng từ khoảng 11 km trở lên, nhiệt độ thôi giảm. Năm 1902, ông và nhà khoa học Đức Richard Assmann gần như cùng lúc công bố phát hiện này. Teisserenc de Bort đặt tên hai tầng là "troposphere" (gốc Hy Lạp tropos, xoay chuyển) và "stratosphere" (stratum, lớp).
Góc nhìn hôm nay: thấy các tầng bằng mắt thường
Không cần thiết bị đặc biệt để "nhìn" được ranh giới tầng:
- Mây vũ tích có đỉnh đe: khi cột mây dông bốc lên chạm đỉnh tầng đối lưu, nó không lên được nữa mà toè ngang thành hình cái đe. Mặt phẳng đỉnh đe chính là ranh giới tầng đối lưu và bình lưu.
- Ảnh chụp đường chân trời từ Trạm Vũ trụ (NASA công bố nhiều): thấy rõ dải cam của tầng đối lưu, dải xanh nhạt mờ dần lên trên.
- Vệt sao băng trong các trận mưa sao băng lớn như Anh Tiên (Perseids) tháng 8 hay Song Tử (Geminids) tháng 12 là ánh sáng sinh ra ở độ cao khoảng 70–120 km.
Muốn đọc sâu hơn, mô hình Khí quyển chuẩn quốc tế (ISA) cho bảng nhiệt độ, áp suất, mật độ theo từng độ cao; NASA và NOAA đều có trang giải thích các tầng với số liệu đo.
Câu hỏi thường gặp
Khí quyển có mấy tầng?
Theo cách chia phổ biến dựa trên nhiệt độ, khí quyển có năm tầng: đối lưu, bình lưu, trung lưu, nhiệt quyển và ngoại quyển. Một số tài liệu gộp ngoại quyển vào nhiệt quyển nên chỉ nói bốn tầng. Tầng ozone và tầng điện ly là cách chia khác chồng lên năm tầng này.
Tầng đối lưu cao bao nhiêu?
Khoảng 8 km ở vùng cực và 16–18 km ở vùng xích đạo, trung bình khoảng 12 km. Độ cao thay đổi theo mùa và theo nhiệt độ không khí bên dưới.
Tầng nào lạnh nhất trong khí quyển?
Tầng trung lưu, đặc biệt ở đỉnh của nó khoảng 80–85 km, nơi nhiệt độ khoảng −90 °C và có lúc thấp hơn nhiều vào mùa hè vùng cực.
Tầng ozone nằm ở tầng nào?
Trong tầng bình lưu, đậm nhất ở khoảng 20–25 km. Chính ozone hấp thụ tia cực tím làm tầng bình lưu ấm dần khi lên cao.
Máy bay bay ở tầng nào của khí quyển?
Máy bay phản lực chở khách thường bay ở khoảng 10–12 km, gần đỉnh tầng đối lưu, và ở vĩ độ cao có thể nằm trong phần thấp nhất của tầng bình lưu. Bay cao như vậy giúp tránh phần lớn mây và nhiễu động thời tiết.
Trạm Vũ trụ Quốc tế nằm ở tầng nào?
Ở khoảng 400 km, tức trong nhiệt quyển. Không khí ở đó cực loãng nhưng vẫn đủ gây lực cản, nên trạm phải định kỳ nâng quỹ đạo.
