Gió là không khí chuyển động từ nơi áp suất cao sang nơi áp suất thấp. Chênh lệch áp suất lại sinh ra từ việc Mặt Trời sưởi nóng bề mặt Trái Đất không đều: chỗ nóng không khí nở ra, bốc lên, áp suất mặt đất giảm; chỗ lạnh không khí co lại, chìm xuống, áp suất tăng. Nhưng gió không thổi thẳng từ áp cao sang áp thấp: sự tự quay của Trái Đất làm nó lệch hướng, ma sát mặt đất làm nó chậm lại, và tổ hợp ba lực ấy quyết định gió thật thổi ra sao.
Bước một: Mặt Trời sưởi không đều
Mọi cơn gió trên Trái Đất, từ làn gió nhẹ chiều hè tới cơn bão lớn, cuối cùng đều chạy bằng năng lượng Mặt Trời. Có nhiều lý do khiến bề mặt nhận nhiệt không đều:
- Vĩ độ: vùng xích đạo nhận nắng gần như thẳng đứng, vùng cực nhận nắng xiên nên mỗi mét vuông được ít năng lượng hơn.
- Đất và nước: đất nóng lên và nguội đi nhanh; nước biển cần nhiều năng lượng hơn để đổi nhiệt độ và còn xáo trộn nhiệt xuống sâu.
- Màu bề mặt: băng tuyết phản xạ phần lớn nắng, rừng và biển hấp thụ nhiều hơn.
- Ngày và đêm, mùa: liên tục thay đổi chỗ nào đang được sưởi.
Khi một vùng nóng hơn xung quanh, không khí ở đó nở ra. Cột khí phía trên giãn cao, khí ở trên cao tràn sang hai bên, khiến khối lượng khí trên mặt đất giảm và áp suất mặt đất giảm. Vùng lạnh xảy ra điều ngược lại.
Bước hai: lực gradient áp suất đẩy không khí
Hai nơi có áp suất khác nhau giống hai bình nước mực khác nhau được nối ống: nước chảy từ bên cao sang bên thấp. Lực đẩy không khí gọi là lực gradient áp suất, mạnh tỷ lệ với độ chênh áp suất trên một khoảng cách.
Trên bản đồ thời tiết, các đường nối những điểm cùng áp suất gọi là đường đẳng áp. Đường đẳng áp càng sít nhau, áp suất đổi càng gấp, gió càng mạnh. Chỉ vài hPa chênh lệch trên vài trăm km đã đủ cho gió vừa; tâm bão có thể chênh vài chục hPa trong vài chục km, sinh gió cực mạnh.
Ví dụ kinh điển: gió đất và gió biển
Ban ngày, đất liền ven biển nóng nhanh hơn mặt biển. Không khí trên đất bốc lên, áp suất sát mặt đất giảm, khí mát từ biển tràn vào: đó là gió biển, thường mạnh nhất vào đầu giờ chiều. Ban đêm đất nguội nhanh hơn biển, chiều gió đảo ngược thành gió đất thổi ra khơi, nhẹ hơn. Ngư dân thuyền buồm xưa ở nhiều vùng ven biển trên thế giới tận dụng nhịp này: ra khơi lúc rạng sáng theo gió đất, về bến buổi chiều theo gió biển.
Cùng nguyên lý, ở vùng núi có gió thung lũng thổi ngược lên sườn núi ban ngày và gió núi đổ xuống thung lũng ban đêm.
Bước ba: Trái Đất quay làm gió lệch hướng
Nếu Trái Đất đứng yên, gió sẽ thổi thẳng từ áp cao sang áp thấp và lấp đầy chênh lệch rất nhanh. Nhưng Trái Đất quay. Với người đứng trên mặt đất, một luồng khí di chuyển xa sẽ có vẻ bị bẻ cong: sang phải ở Bắc bán cầu, sang trái ở Nam bán cầu. Hiệu ứng này gọi là lực Coriolis, yếu ở gần xích đạo và mạnh dần về hai cực.
Với các hệ thống gió lớn hàng trăm km trở lên, lực Coriolis đủ mạnh để bẻ gió tới khi nó thổi gần như song song với đường đẳng áp thay vì cắt ngang. Trạng thái cân bằng giữa lực gradient áp suất và lực Coriolis gọi là gió địa chuyển, gần đúng với gió ở độ cao trên khoảng 1 km. Hệ quả là gió xoay quanh vùng áp thấp chứ không đổ thẳng vào: ngược chiều kim đồng hồ ở Bắc bán cầu, cùng chiều kim đồng hồ ở Nam bán cầu.
Định luật Buys Ballot
Năm 1857, nhà khí tượng Hà Lan C. H. D. Buys Ballot phát biểu một quy tắc thực hành: ở Bắc bán cầu, đứng quay lưng lại hướng gió thổi tới thì vùng áp thấp nằm phía bên tay trái, hơi lệch về phía trước. Ở Nam bán cầu thì ngược lại. Thời chưa có ra-đa, thuỷ thủ dùng quy tắc này để đoán tâm bão nằm ở đâu.
Bước bốn: ma sát kéo gió chậm lại
Gần mặt đất, gió cọ vào cây cối, nhà cửa, đồi núi, sóng biển. Ma sát làm gió yếu đi, và gió yếu thì lực Coriolis cũng yếu theo, không còn cân bằng được lực áp suất. Kết quả là gió sát mặt đất cắt chéo đường đẳng áp, xiên vào phía áp thấp:
| Bề mặt | Góc lệch so với đường đẳng áp (gần đúng) | Tốc độ so với gió trên cao |
|---|---|---|
| Mặt biển | ~10–20° | ~70–80% |
| Đồng bằng, đồng cỏ | ~20–35° | ~50–60% |
| Đô thị, đồi núi | có thể tới ~45° hoặc hơn | thấp hơn nhiều |
Nhờ ma sát, không khí sát mặt đất xoáy dần vào tâm áp thấp, bị ép bốc lên, lạnh đi và tạo mây. Đó là lý do vùng áp thấp thường nhiều mây mưa, còn vùng áp cao, nơi không khí chìm xuống và toả ra, thường trời quang.
Đo và gọi tên gió
Gió gọi theo hướng nó thổi tới
"Gió đông bắc" là gió thổi từ phía đông bắc tới, không phải thổi về đông bắc. Quy ước này đã có từ thời thuyền buồm và áp dụng thống nhất trong khí tượng toàn cầu.
Thang Beaufort
Năm 1805, sĩ quan hải quân Anh Francis Beaufort soạn một thang ước lượng sức gió dựa trên quan sát buồm và mặt biển. Về sau thang được gắn với tốc độ cụ thể và mở rộng cho đất liền, nay vẫn được dùng rộng rãi.
| Cấp | Tốc độ (gần đúng) | Dấu hiệu |
|---|---|---|
| 0 | dưới 1 km/h | Lặng, khói bốc thẳng |
| 3 | 12–19 km/h | Lá cây xao động liên tục, cờ nhỏ bay |
| 6 | 39–49 km/h | Cành lớn lay động, khó che ô |
| 9 | 75–88 km/h | Tốc mái ngói, cành gãy |
| 12 | từ 118 km/h | Sức tàn phá rất lớn |
Máy đo gió
Phong tốc kế kiểu chén quay do Thomas Romney Robinson (Ireland) chế tạo năm 1846 vẫn là hình ảnh quen thuộc ở trạm khí tượng. Ngày nay có thêm loại siêu âm, đo thời gian xung âm thanh đi giữa các đầu dò, không có bộ phận chuyển động.
Những kỷ lục gió
- Cơn gió giật mạnh nhất đo được (ngoài lốc xoáy): khoảng 408 km/h trên đảo Barrow, Australia, ngày 10/4/1996, trong bão Olivia. WMO công nhận năm 2010.
- Trước đó, kỷ lục khoảng 372 km/h thuộc đỉnh núi Washington (Mỹ), ngày 12/4/1934, và vẫn là kỷ lục do người trực tiếp ở trạm quan sát ghi lại.
- Gió dốc ở Nam Cực: không khí cực lạnh, nặng trên cao nguyên băng trượt xuống bờ biển theo trọng lực, tạo những dòng gió bền bỉ. Đoàn thám hiểm của Douglas Mawson (1911–1914) ở vịnh Commonwealth ghi nhận gió mạnh gần như quanh năm, và gọi nơi đó là "quê hương của bão tuyết".
Góc nhìn hôm nay
- Trang earth.nullschool.net hiển thị gió toàn cầu dạng dòng chảy động, cập nhật vài giờ một lần từ dữ liệu mô hình. Bật lớp áp suất mặt biển sẽ thấy gió xoay quanh vùng áp thấp đúng như định luật Buys Ballot.
- Đi biển buổi sáng và buổi chiều, để ý hướng gió đổi chiều: đó là gió đất – gió biển.
- Muốn tìm hiểu bài bản, giáo trình Khí tượng học đại cương ở các khoa khí tượng thuỷ văn có chương "Động lực học khí quyển" giải thích đủ các lực bằng công thức.
Câu hỏi thường gặp
Gió được sinh ra như thế nào?
Gió sinh ra do chênh lệch áp suất giữa các vùng, mà chênh lệch áp suất lại do Mặt Trời sưởi nóng bề mặt không đều. Không khí di chuyển từ nơi áp suất cao sang nơi áp suất thấp, đồng thời bị sự tự quay của Trái Đất làm lệch hướng và ma sát làm chậm lại.
Vì sao gió không thổi thẳng từ áp cao sang áp thấp?
Vì Trái Đất quay khiến gió lệch sang phải ở Bắc bán cầu và sang trái ở Nam bán cầu. Ở trên cao, gió thổi gần song song với đường đẳng áp; sát mặt đất, ma sát làm gió xiên vào phía áp thấp một góc khoảng 10–45°.
Gió đông bắc là gió thổi từ đâu?
Là gió thổi từ phía đông bắc tới. Theo quy ước khí tượng, tên gió chỉ hướng gió thổi đến, không phải hướng gió đi.
Cơn gió mạnh nhất từng đo được là bao nhiêu?
Khoảng 408 km/h, đo trên đảo Barrow (Australia) ngày 10/4/1996 trong bão Olivia, được WMO công nhận năm 2010. Đây là kỷ lục gió giật không tính lốc xoáy.
Thang Beaufort là gì?
Là thang chia sức gió từ cấp 0 (lặng) tới cấp 12 (từ khoảng 118 km/h), do Francis Beaufort soạn năm 1805 dựa trên quan sát mặt biển. Ngày nay thang gắn với tốc độ cụ thể và còn được mở rộng thêm cấp cho bão mạnh ở một số nước.
