Dòng phản lực là những dải gió tây rất mạnh, hẹp, uốn lượn chạy vòng quanh Trái Đất ở độ cao khoảng 9–16 km, gần đỉnh tầng đối lưu, với tốc độ lõi thường trên 100 km/h và có lúc vượt 300 km/h. Mỗi bán cầu có hai dòng chính: dòng phản lực cực ở vĩ độ trung bình và dòng phản lực cận nhiệt ở khoảng 30°. Xoáy cực là vòng gió tây lớn bao quanh vùng cực vào mùa đông, rõ nhất ở tầng bình lưu, giam khối khí rất lạnh bên trong. Khi dòng phản lực uốn sâu hay xoáy cực bị xáo trộn, khí lạnh vùng cực có thể tràn xuống những vĩ độ thấp hơn.
Vì sao trên cao có dòng gió mạnh như vậy
Gió trên cao gần như cân bằng giữa lực đẩy do chênh lệch áp suất và lực lệch do Trái Đất quay. Chênh lệch áp suất ở trên cao lại do chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng bên dưới. Khí nóng phồng cao, khí lạnh xẹp thấp, nên ở cùng một độ cao, phía nóng có áp suất cao hơn phía lạnh. Càng lên cao, chênh lệch ấy càng cộng dồn, gió càng mạnh. Các nhà khí tượng gọi mối liên hệ này là gió nhiệt.
Nơi nào có ranh giới nhiệt độ gắt, tức khí nóng và khí lạnh nằm sát nhau, nơi đó trên cao có gió tây cực mạnh. Dòng phản lực cực nằm phía trên frông cực, ranh giới giữa khí lạnh vùng cực và khí ấm ôn đới. Dòng phản lực cận nhiệt nằm ở rìa trên của vòng Hadley, nơi khí từ xích đạo đi lên phía cực trên cao bị lực Coriolis bẻ mạnh thành gió tây.
| Đặc điểm | Dòng phản lực cực | Dòng phản lực cận nhiệt |
|---|---|---|
| Vĩ độ | ~40–60°, xê dịch nhiều | ~25–35°, ổn định hơn |
| Độ cao | ~9–12 km | ~10–16 km |
| Nguồn gốc | Ranh giới nhiệt độ của frông cực | Rìa trên của vòng Hadley |
| Mạnh nhất | Mùa đông | Mùa đông |
| Liên quan thời tiết | Dẫn đường các hệ áp thấp ôn đới | Ảnh hưởng tới gió mùa, mưa vùng cận nhiệt |
Theo quy ước của Tổ chức Khí tượng Thế giới, một dòng gió được gọi là dòng phản lực khi tốc độ dọc trục đạt khoảng 30 m/giây (khoảng 108 km/h) trở lên. Mùa đông, khi chênh lệch nhiệt độ giữa vùng cực và nhiệt đới lớn nhất, dòng phản lực mạnh nhất và dịch về phía xích đạo; mùa hè yếu đi và lùi về phía cực.
Người phát hiện ở Nhật Bản
Trong thập niên 1920, nhà khí tượng Nhật Bản Wasaburo Ooishi thực hiện hơn một nghìn lần thả bóng thám không tại đài cao không Tateno (tỉnh Ibaraki), theo dõi bằng kính kinh vĩ, và ghi nhận gió tây rất mạnh ở trên cao, đặc biệt vào mùa đông. Ông công bố kết quả năm 1926 bằng tiếng Esperanto, ngôn ngữ ông nhiệt tình cổ vũ, nên giới khoa học phương Tây gần như không biết tới. Phải đến thập niên 1940, khi máy bay lên được độ cao này thường xuyên, và nhóm của Carl-Gustaf Rossby ở Đại học Chicago nghiên cứu hệ thống, dòng phản lực mới được hiểu rõ và trở thành khái niệm chuẩn trong khí tượng học.
Sóng Rossby: dòng phản lực uốn lượn
Dòng phản lực không chạy thẳng như vòng tròn mà uốn thành những làn sóng lớn bao quanh bán cầu, thường khoảng bốn tới sáu "khúc" một lúc. Năm 1939, Rossby giải thích chúng bằng toán học: do lực Coriolis mạnh dần về phía cực, một luồng khí bị đẩy lệch lên bắc hay xuống nam sẽ bị kéo ngược lại, tạo dao động. Những làn sóng ấy gọi là sóng Rossby, và chúng có ở mọi hành tinh quay có khí quyển hoặc đại dương.
- Phía dưới đáy sóng (chỗ dòng phản lực võng về phía xích đạo): khí lạnh tràn xuống, thường có áp thấp, mưa, gió.
- Phía dưới đỉnh sóng (chỗ dòng phản lực vồng về phía cực): khí ấm đẩy lên, thường có áp cao, trời quang.
Khi sóng đứng im: hiện tượng nghẽn
Thông thường sóng Rossby di chuyển chậm từ tây sang đông, nên thời tiết thay đổi sau vài ngày. Đôi khi một khúc sóng rất lớn đứng im cả tuần, gọi là nghẽn (blocking). Vùng nằm dưới đỉnh sóng có thể chịu nắng nóng kéo dài, vùng dưới đáy sóng mưa lớn liên tục. Đợt nắng nóng châu Âu mùa hè 2003 và đợt nắng nóng ở Nga năm 2010 đều gắn với những tình huống nghẽn kéo dài.
Xoáy cực: hai tầng, hai chuyện
"Xoáy cực" là cụm từ hay xuất hiện trên báo mỗi mùa đông, và thường bị dùng lẫn lộn. Có hai thứ khác nhau:
- Xoáy cực tầng bình lưu: một vòng gió tây rất mạnh ở độ cao khoảng 15–50 km, hình thành mỗi mùa thu khi vùng cực chìm vào đêm dài và lạnh dần, tan đi vào mùa xuân. Nó giam khối khí cực lạnh bên trong. Ở Nam Cực, xoáy này mạnh và ổn định, là điều kiện để lỗ thủng ozone hình thành mỗi mùa xuân.
- Xoáy cực tầng đối lưu: vùng khí lạnh và áp thấp trên cao quanh cực ở tầng thấp hơn, giới hạn bởi dòng phản lực cực. Nó tồn tại quanh năm nhưng mạnh nhất mùa đông.
Bình lưu ấm lên đột ngột
Ở Bắc bán cầu, nơi núi non và lục địa tạo ra sóng mạnh, xoáy cực tầng bình lưu đôi khi bị các sóng lớn từ dưới đẩy lên phá vỡ. Nhiệt độ tầng bình lưu vùng cực có thể tăng vài chục độ trong vài ngày, xoáy bị lệch khỏi cực hoặc tách làm hai. Hiện tượng gọi là bình lưu ấm lên đột ngột, xảy ra trung bình khoảng sáu lần mỗi mười năm.
Sau đó vài tuần, ảnh hưởng có thể lan xuống tầng đối lưu, khiến dòng phản lực uốn sâu hơn và khí lạnh vùng cực tràn xuống châu Âu, Bắc Mỹ hay châu Á. Đợt rét đậm tháng 2/2021 ở bang Texas (Mỹ), làm hệ thống điện bang này sụp đổ trên diện rộng, được nhiều nghiên cứu liên hệ với một sự kiện như vậy. Không phải lần ấm lên đột ngột nào cũng gây rét ở mặt đất; mối liên hệ có tính xác suất chứ không chắc chắn.
Dòng phản lực có đang thay đổi?
Bắc Cực đang ấm lên nhanh hơn trung bình toàn cầu nhiều lần, làm giảm chênh lệch nhiệt độ giữa cực và vĩ độ trung bình. Năm 2012, Jennifer Francis và Stephen Vavrus đề xuất trên tạp chí Geophysical Research Letters rằng điều này có thể làm dòng phản lực yếu đi, uốn lượn hơn và hay nghẽn hơn, dẫn tới thời tiết cực đoan kéo dài.
Giả thuyết thu hút nhiều chú ý nhưng còn tranh luận gay gắt. Nhiều nghiên cứu khác không tìm thấy tín hiệu rõ ràng trong dữ liệu quan sát, hoặc cho rằng thời gian quan sát còn quá ngắn để tách khỏi dao động tự nhiên. Các mô hình khí hậu cũng cho kết quả không nhất quán, vì trong khi bề mặt Bắc Cực ấm nhanh thì tầng trên cao vùng nhiệt đới cũng ấm nhanh, hai hiệu ứng kéo dòng phản lực theo hai chiều ngược nhau. IPCC AR6 đánh giá mức độ tin cậy về mối liên hệ này là thấp.
Góc nhìn hôm nay
- Trang earth.nullschool.net cho chọn mức áp suất 250 hPa (khoảng 10 km): dòng phản lực hiện ra như những dải sáng uốn lượn quanh bán cầu. Xem mỗi ngày một lần trong mùa đông sẽ thấy sóng Rossby di chuyển và nghẽn.
- NOAA và Cơ quan Khí tượng Anh (Met Office) có trang giải thích "polar vortex" và "sudden stratospheric warming" rất dễ đọc.
- Muốn hiểu sâu, các giáo trình khí tượng động lực có chương về gió nhiệt và sóng Rossby; bài tổng quan về liên kết Bắc Cực – vĩ độ trung bình trên Nature Climate Change trình bày cả hai phía tranh luận.
Câu hỏi thường gặp
Dòng phản lực là gì?
Là những dải gió tây rất mạnh, hẹp, uốn lượn quanh Trái Đất ở độ cao khoảng 9–16 km, tốc độ lõi thường trên 100 km/h và có lúc vượt 300 km/h. Mỗi bán cầu có dòng phản lực cực và dòng phản lực cận nhiệt.
Vì sao có dòng phản lực?
Vì chênh lệch nhiệt độ giữa vùng ấm và vùng lạnh tạo ra chênh lệch áp suất ngày càng lớn khi lên cao, kết hợp với lực Coriolis do Trái Đất quay. Nơi ranh giới nhiệt độ gắt nhất, như frông cực, trên cao có gió tây mạnh nhất.
Xoáy cực là gì?
Là vòng gió tây lớn bao quanh vùng cực, giam khối khí rất lạnh bên trong. Xoáy cực tầng bình lưu hình thành vào mùa thu và tan vào mùa xuân; xoáy cực tầng đối lưu tồn tại quanh năm nhưng mạnh nhất mùa đông.
Bình lưu ấm lên đột ngột là gì?
Là hiện tượng nhiệt độ tầng bình lưu vùng cực tăng vài chục độ trong vài ngày khi xoáy cực bị sóng khí quyển phá vỡ. Sau đó vài tuần, khí lạnh vùng cực có thể tràn xuống vĩ độ thấp hơn, nhưng không phải lần nào cũng vậy.
Ai phát hiện ra dòng phản lực?
Nhà khí tượng Nhật Bản Wasaburo Ooishi quan sát gió tây mạnh trên cao bằng bóng thám không từ thập niên 1920 và công bố năm 1926 bằng tiếng Esperanto. Dòng phản lực được hiểu rõ hơn từ thập niên 1940 nhờ nhóm của Carl-Gustaf Rossby.
