Hoàn lưu Walker: khí quyển và đại dương nối với nhau thế nào

Hoàn lưu Walker là một vòng khí lớn chạy theo chiều đông – tây dọc xích đạo Thái Bình Dương: không khí bốc lên trên vùng biển rất ấm quanh Indonesia, đi về phía đông ở trên cao, chìm xuống trên vùng biển lạnh ngoài khơi Nam Mỹ, rồi quay về phía tây sát mặt biển thành gió mậu dịch. Vòng khí này và đại dương bên dưới nuôi nhau: gió đẩy nước ấm dồn về phía tây, nước ấm phía tây lại làm khí bốc lên mạnh hơn. Khi cặp đôi ấy yếu đi hay mạnh lên bất thường, ta có El Niño và La Niña, dao động khí hậu lớn nhất hành tinh trong thang thời gian vài năm.

Ông Walker và bài toán gió mùa Ấn Độ

Năm 1899, gió mùa Ấn Độ thất bát, kéo theo nạn đói thảm khốc. Chính quyền thuộc địa Anh muốn dự báo được mùa mưa. Năm 1904, nhà toán học Gilbert Walker được cử làm Tổng giám đốc các đài khí tượng ở Ấn Độ. Ông không có máy tính, chỉ có đội ngũ nhân viên tính tay và hàng chục năm số liệu áp suất, nhiệt độ, lượng mưa từ khắp thế giới.

Walker tìm thấy một mối liên hệ kỳ lạ: khi áp suất ở phía đông Thái Bình Dương cao hơn bình thường, áp suất ở vùng Ấn Độ Dương và Indonesia lại thấp hơn bình thường, và ngược lại, như một chiếc bập bênh khổng lồ trải nửa vòng Trái Đất. Năm 1924, ông đặt tên hiện tượng là Dao động Nam (Southern Oscillation). Walker không giải thích được vì sao nó xảy ra, và nhiều đồng nghiệp thời đó hoài nghi các mối tương quan thống kê của ông.

Bjerknes ghép hai nửa câu chuyện

Trong khi đó, ngư dân Peru từ lâu biết một dòng nước ấm bất thường đôi khi xuất hiện ngoài khơi vào khoảng Giáng sinh, làm cá cơm biến mất. Họ gọi nó là El Niño, "Chúa Hài Đồng". Không ai nghĩ hiện tượng ven biển Peru có liên quan tới chiếc bập bênh áp suất của Walker.

Năm 1969, nhà khí tượng Na Uy – Mỹ Jacob Bjerknes công bố một bài báo trên Monthly Weather Review nối hai mảnh lại. Ông chỉ ra rằng dọc xích đạo Thái Bình Dương có một vòng khí đông – tây do chênh lệch nhiệt độ mặt biển gây ra, và đặt tên nó là hoàn lưu Walker để ghi công người đi trước. El Niño và Dao động Nam là hai mặt của cùng một hiện tượng, nay gọi chung là ENSO.

Vòng Walker vận hành thế nào

1. Gió mậu dịch thổi từ đông sang tây dọc xích đạo Thái Bình Dương.
2. Gió kéo nước mặt ấm dồn về phía tây, tích lại thành bể nước ấm quanh Indonesia, Papua New Guinea, nhiệt độ mặt biển thường trên 28 °C. Mực nước biển phía tây cao hơn phía đông khoảng nửa mét.
3. Ở phía đông, nước mặt bị đẩy đi, nước lạnh giàu dinh dưỡng từ dưới sâu trồi lên thay chỗ, làm biển ngoài khơi Peru, Ecuador lạnh và nuôi một trong những ngư trường giàu nhất thế giới.
4. Trên bể nước ấm phía tây, không khí nóng ẩm bốc lên thành mây dông, mưa rất nhiều. Trên vùng biển lạnh phía đông, không khí chìm xuống, khô và ít mưa.
5. Trên cao, khí từ phía tây chảy về phía đông để khép vòng. Chênh lệch áp suất mặt biển giữa đông và tây lại nuôi gió mậu dịch ở bước 1.

Đây là một vòng phản hồi dương: gió mạnh làm chênh lệch nhiệt độ lớn, chênh lệch lớn làm gió mạnh hơn. Bjerknes nhận ra chính vòng phản hồi ấy khiến hệ thống có thể "lật" sang trạng thái khác.

Khi vòng Walker yếu hay mạnh bất thường

Khi El Niño xảy ra, nước ấm tràn ngược về phía đông, nước trồi ven Peru yếu đi, vùng mưa lớn dịch ra giữa đại dương. Vòng Walker yếu hẳn hoặc tách đôi. Kết quả là hạn hán ở những nơi thường mưa nhiều và mưa lớn ở những nơi thường khô, lan ảnh hưởng qua hoàn lưu khí quyển tới nhiều vùng xa trên thế giới. Một chu kỳ ENSO thường kéo dài 2–7 năm, không đều đặn.

Ba lần El Niño mạnh nhất kể từ khi có đo đạc hiện đại thường được nhắc tới là 1982–1983, 1997–1998 và 2015–2016. Năm 1972–1973, El Niño cùng với đánh bắt quá mức đã góp phần làm sụp đổ nghề cá cơm Peru, khi đó là nghề cá đơn loài lớn nhất thế giới.

Đo nhịp bập bênh

Cách đo ENSO kinh điển, thừa hưởng trực tiếp từ Walker, là Chỉ số Dao động Nam (SOI): lấy chênh lệch áp suất mặt biển giữa đảo Tahiti (giữa Thái Bình Dương) và thành phố Darwin (bắc Australia). SOI âm kéo dài thường đi với El Niño, dương kéo dài đi với La Niña.

Ngày nay các cơ quan khí tượng theo dõi thêm nhiệt độ mặt biển ở vùng "Niño 3.4" giữa xích đạo Thái Bình Dương, đo bằng mạng phao neo, phao trôi Argo và vệ tinh. Mạng phao TAO/TRITON dọc xích đạo được triển khai đầy đủ từ thập niên 1990, sau khi El Niño 1982–1983 xảy ra mà gần như không ai thấy trước.

Không chỉ Thái Bình Dương

Vòng khí đông – tây kiểu Walker cũng có ở Ấn Độ Dương và Đại Tây Dương, chỉ nhỏ hơn. Ở Ấn Độ Dương, các nhà khoa học mô tả năm 1999 một dao động riêng gọi là Lưỡng cực Ấn Độ Dương (IOD): khi phía tây Ấn Độ Dương ấm hơn phía đông bất thường hay ngược lại, vùng mưa dịch theo, ảnh hưởng tới Đông Phi, Ấn Độ và Australia. Ba đại dương nhiệt đới liên kết với nhau qua khí quyển, nên một El Niño ở Thái Bình Dương cũng làm thay đổi gió và nhiệt độ biển ở hai đại dương còn lại.

Vòng Walker đang mạnh lên hay yếu đi?

Đây là một câu hỏi mở thú vị. Lý thuyết và phần lớn mô hình khí hậu dự đoán khi Trái Đất ấm lên, vòng Walker sẽ yếu đi về lâu dài. Một nghiên cứu trên Nature năm 2006 (Vecchi và cộng sự) dựa vào số liệu áp suất từ giữa thế kỷ 19 cho thấy xu hướng yếu đi nhẹ.

Nhưng từ khoảng đầu thập niên 1990 tới giữa thập niên 2010, quan sát lại cho thấy vòng Walker mạnh lên rõ rệt: phía đông Thái Bình Dương mát đi, gió mậu dịch mạnh lên. Đây là một trong những chỗ lệch lớn nhất giữa mô hình và quan sát hiện nay. Các giải thích đang được tranh luận gồm dao động tự nhiên nhiều thập kỷ, tác động của các đại dương khác, và khả năng mô hình chưa mô phỏng đúng vùng biển nước trồi phía đông. Câu trả lời có ý nghĩa lớn, vì nó quyết định xu hướng mưa của rất nhiều vùng nhiệt đới trong thế kỷ này.

Góc nhìn hôm nay

• Trung tâm Dự báo Khí hậu của NOAA (Mỹ) và Cục Khí tượng Australia (BoM) cập nhật tình trạng ENSO hằng tháng, kèm bản đồ nhiệt độ mặt biển và giải thích dễ hiểu.
• Blog ENSO của NOAA (climate.gov) có loạt bài giải thích hoàn lưu Walker và các chỉ số theo dõi, viết cho người không chuyên.
• Câu chuyện Walker và Bjerknes là một bài học về khoa học: một mối liên hệ thống kê bị nghi ngờ suốt bốn mươi năm cho tới khi có người tìm ra cơ chế vật lý phía sau.