Tầng bình lưu là lớp khí quyển nằm từ đỉnh tầng đối lưu (khoảng 8 km ở vùng cực, 16–18 km ở xích đạo) lên tới khoảng 50 km. Nó có ba đặc điểm khác hẳn tầng dưới: nhiệt độ tăng dần khi lên cao nhờ ozone hấp thụ tia cực tím; không khí xếp lớp ổn định, ít cuộn theo chiều đứng; và cực kỳ khô, gần như không có mây mưa. Chính vì "êm" như vậy nên bụi núi lửa hay khí phá ozone lọt lên đây có thể tồn tại hàng năm trời.
Ai tìm ra tầng bình lưu
Cuối thế kỷ 19, các nhà khí tượng đã biết nhiệt độ giảm khi lên cao và cho rằng nó cứ thế giảm mãi tới vũ trụ. Léon Teisserenc de Bort, người Pháp, lập một đài quan sát riêng ở Trappes gần Paris và thả hàng trăm quả bóng không người lái mang nhiệt kế tự ghi. Kết quả lặp đi lặp lại: từ khoảng 11 km, nhiệt độ thôi giảm, có khi còn tăng.
Ông thận trọng kiểm tra rất lâu xem có phải lỗi thiết bị do nắng chiếu vào nhiệt kế không, rồi mới công bố năm 1902, gần như cùng lúc với Richard Assmann ở Berlin. Teisserenc de Bort đặt tên "stratosphere" từ chữ Latin stratum, nghĩa là lớp, vì ông hình dung các lớp khí ở đây nằm chồng lên nhau mà không trộn vào nhau.
Vì sao tầng bình lưu ấm lên khi lên cao
Khoảng 90% ozone của Trái Đất nằm trong tầng bình lưu. Ozone hấp thụ phần lớn tia cực tím bước sóng ngắn của Mặt Trời và biến năng lượng ấy thành nhiệt. Nhờ đó nhiệt độ từ khoảng −55 °C ở đáy tầng (vĩ độ trung bình) tăng lên gần 0 °C ở đỉnh tầng, khoảng 50 km.
| Độ cao (gần đúng) | Nhiệt độ trung bình | Áp suất | Đặc điểm |
|---|---|---|---|
| ~11–20 km | ~−56 °C, gần như không đổi | ~226 → ~55 hPa | Vùng đẳng nhiệt phía dưới |
| ~20–25 km | Bắt đầu ấm lên | ~55 → ~25 hPa | Mật độ ozone cao nhất |
| ~32 km | ~−45 °C | ~9 hPa | Trên mức này chỉ còn khoảng 1% khối lượng khí quyển |
| ~47–50 km | ~−2 °C tới 0 °C | ~1 hPa | Đỉnh tầng bình lưu |
Số trong bảng lấy theo mô hình khí quyển chuẩn, chỉ là giá trị trung bình. Thực tế mỗi vĩ độ, mỗi mùa mỗi khác, và vùng cực mùa đông có thể lạnh hơn rất nhiều.
Ổn định như một bể nước phân tầng
Trong tầng đối lưu, khí nóng ở dưới, lạnh ở trên, nên khí dưới liên tục muốn bốc lên: đó là đối lưu. Tầng bình lưu thì ngược lại, khí ấm nằm trên khí lạnh. Một khối khí bị đẩy lên sẽ lạnh và nặng hơn xung quanh, tự chìm về chỗ cũ. Không khí vì thế xếp lớp như nước ngọt nổi trên nước mặn ở cửa sông.
Hệ quả dễ thấy nhất là đỉnh đe của mây dông. Cột mây vũ tích bốc lên mạnh trong tầng đối lưu, chạm vào đáy tầng bình lưu thì bị chặn lại và toè ngang. Những cơn dông cực mạnh có thể "đâm thủng" lên một chút thành chóp nhô trên mặt đe, nhưng rồi cũng bị kéo về.
Khô hơn mọi sa mạc
Không khí đi vào tầng bình lưu chủ yếu qua đỉnh tầng đối lưu vùng nhiệt đới, nơi lạnh tới khoảng −80 °C. Qua "bẫy lạnh" ấy, hầu hết hơi nước đã đóng băng và rơi xuống. Hơi nước còn lại trong tầng bình lưu chỉ vài phần triệu, khô hơn không khí sa mạc Sahara hàng nghìn lần. Bẫy lạnh này cũng là lý do Trái Đất ít mất nước ra vũ trụ: hơi nước không lên được tới tầng cao nơi tia cực tím phân rã nó.
Những dòng chảy chậm trong tầng "êm"
Êm không có nghĩa là đứng yên. Tầng bình lưu có những dòng chảy riêng, chậm nhưng bền:
- Hoàn lưu Brewer–Dobson: không khí đi lên ở vùng nhiệt đới, trôi dần về hai cực rồi chìm xuống. Một vòng như vậy mất vài năm. Nó giải thích một điều nghe ngược đời: ozone được tạo ra nhiều nhất ở vùng nhiệt đới nắng gắt, nhưng cột ozone lại dày nhất ở vĩ độ cao, vì ozone được dòng này chở đi.
- Dao động tựa hai năm (QBO): gió ở tầng bình lưu vùng nhiệt đới đổi chiều đông – tây đều đặn, trung bình khoảng 28 tháng một chu kỳ. Hiện tượng phát hiện từ đầu thập niên 1960 và là một trong những nhịp đều đặn nhất của khí quyển ngoài chu kỳ ngày đêm và mùa.
- Xoáy cực bình lưu: mùa đông, một vòng gió tây mạnh bao quanh vùng cực, giam khối khí rất lạnh bên trong. Đôi khi xoáy bị phá vỡ đột ngột, gọi là bình lưu ấm lên đột ngột, nhiệt độ tầng bình lưu cực có thể tăng vài chục độ trong vài ngày.
Bụi núi lửa và mây xà cừ
Núi lửa: chiếc ô che nắng tạm thời
Một vụ phun trào cực mạnh có thể đẩy khí lưu huỳnh điôxit lên tầng bình lưu. Ở đó nó biến thành những giọt axit sunfuric li ti, phản xạ bớt ánh nắng. Không có mưa để rửa trôi, lớp sol khí này lơ lửng một hai năm và làm mặt đất mát đi. Núi lửa Pinatubo (Philippines) phun tháng 6/1991 đã làm nhiệt độ trung bình toàn cầu giảm khoảng 0,5 °C trong khoảng một đến hai năm. Tro bụi thô rơi xuống nhanh trong vài tuần; chính các giọt sunfat mịn mới gây hiệu ứng kéo dài.
Mây xà cừ ở vùng cực
Tầng bình lưu khô tới mức hầu như không có mây. Ngoại lệ là mây bình lưu vùng cực, hình thành ở khoảng 15–25 km khi nhiệt độ xuống dưới khoảng −78 °C vào mùa đông Nam Cực và đôi khi Bắc Cực. Một loại của chúng óng ánh màu như xà cừ khi Mặt Trời ở dưới chân trời. Đẹp nhưng không vô hại: bề mặt tinh thể băng trong những đám mây này là nơi các hợp chất clo từ CFC được "kích hoạt", mở đường cho việc phá huỷ ozone mỗi mùa xuân Nam Cực.
Con người lên tầng bình lưu
Tầng bình lưu là nơi con người với tới được bằng khinh khí cầu và máy bay đặc biệt từ khá sớm. Năm 1931, nhà vật lý Thuỵ Sĩ Auguste Piccard cùng trợ lý Paul Kipfer lên tới khoảng 15,8 km bằng khí cầu có khoang kín điều áp, trở thành những người đầu tiên vào tầng bình lưu. Máy bay chở khách siêu thanh Concorde (khai thác 1976–2003) bay ở khoảng 18 km, cao tới mức hành khách thấy được độ cong của đường chân trời và bầu trời thẫm lại.
Ngày nay tầng bình lưu được đo đều đặn bằng bóng thám không, thả hai lần mỗi ngày từ hàng trăm trạm trên thế giới, thường vỡ ở khoảng 30–35 km. Các bóng khoa học cỡ lớn bay ở 30–40 km mang kính thiên văn và thiết bị đo vết khí.
Góc nhìn hôm nay
- Theo dõi ozone: NASA Ozone Watch công bố bản đồ cột ozone hằng ngày, đặc biệt mùa lỗ thủng ozone Nam Cực (tháng 9–10).
- Nhìn đỉnh đe mây dông: buổi chiều mùa hè, một đám mây dông ở xa có mặt trên phẳng toè ra chính là ranh giới giữa đối lưu và bình lưu hiện ra trước mắt.
- Đọc thêm: các báo cáo Scientific Assessment of Ozone Depletion của WMO/UNEP (bản 2022) có phần tóm tắt dành cho người không chuyên, giải thích hoá học tầng bình lưu bằng hình vẽ rõ ràng.
Câu hỏi thường gặp
Tầng bình lưu nằm ở độ cao bao nhiêu?
Từ đỉnh tầng đối lưu, khoảng 8 km ở vùng cực và 16–18 km ở xích đạo, lên tới khoảng 50 km. Các ranh giới thay đổi theo vĩ độ và mùa.
Vì sao gọi là tầng bình lưu?
Vì không khí ở đây xếp lớp ổn định, ít chuyển động lên xuống, khác hẳn sự cuộn xáo trộn của tầng đối lưu. Tên quốc tế "stratosphere" do Teisserenc de Bort đặt năm 1902, từ chữ Latin stratum nghĩa là lớp.
Tầng bình lưu có mây không?
Gần như không, vì không khí cực khô. Ngoại lệ là mây bình lưu vùng cực, hình thành ở khoảng 15–25 km khi nhiệt độ xuống dưới khoảng −78 °C vào mùa đông vùng cực.
Tầng ozone có phải là tầng bình lưu không?
Tầng ozone là vùng ozone đậm đặc nằm trong tầng bình lưu, khoảng 15–35 km, đậm nhất ở 20–25 km. Khoảng 90% ozone của Trái Đất nằm trong tầng bình lưu.
Vì sao bụi núi lửa trên tầng bình lưu ở lâu như vậy?
Vì tầng bình lưu không có mưa và ít chuyển động theo chiều đứng. Các giọt sunfat li ti từ núi lửa phải mất một hai năm mới lắng hết, trong khi ở tầng đối lưu, mưa rửa sạch bụi chỉ trong vài ngày tới vài tuần.
