Tầng trung lưu là lớp khí quyển từ khoảng 50 km tới 80–85 km, nơi nhiệt độ giảm dần khi lên cao và chạm mức lạnh nhất của cả khí quyển, khoảng −90 °C, có lúc dưới −130 °C. Đây là nơi phần lớn sao băng bốc cháy, nơi hình thành mây dạ quang (mây sáng ban đêm) cao nhất Trái Đất, và cũng là tầng được hiểu ít nhất, vì bóng thám không không lên tới còn vệ tinh không bay thấp được tới đó.
Tầng "bị lãng quên" giữa bóng bay và vệ tinh
Các nhà khoa học khí quyển có một biệt danh đùa cho tầng trung lưu: ignorosphere, tạm dịch là "tầng bị bỏ qua". Lý do thuần tuý kỹ thuật:
- Bóng thám không và bóng khoa học thường vỡ hoặc dừng ở 30–40 km, kỷ lục bóng không người lái cũng chỉ hơn 50 km một chút.
- Máy bay cần không khí đủ đặc để tạo lực nâng, không bay được ở đây.
- Vệ tinh bay dưới khoảng 150–200 km sẽ bị lực cản kéo xuống rất nhanh.
Còn lại là tên lửa thám không: phóng thẳng lên, đo trong vài phút rồi rơi xuống. Cùng với radar, lidar từ mặt đất và các vệ tinh nhìn nghiêng qua rìa khí quyển, đó là những công cụ chính để hiểu tầng này. Mỗi phép đo đều đắt và ngắt quãng, nên tầng trung lưu vẫn còn nhiều câu hỏi mở.
Nơi lạnh nhất trên Trái Đất không nằm ở Nam Cực
Nhiệt độ thấp nhất từng đo ở mặt đất là khoảng −89,2 °C tại trạm Vostok, Nam Cực, năm 1983. Đỉnh tầng trung lưu thì thường xuyên lạnh như vậy, và vào mùa hè vùng cực còn xuống dưới −130 °C.
Lạnh nhất vào mùa hè nghe vô lý, nhưng nguyên nhân là chuyển động của khí. Ở độ cao này, sóng khí quyển từ tầng dưới lan lên và vỡ ra, tạo một dòng hoàn lưu đẩy không khí đi lên ở vùng cực mùa hè và chìm xuống ở vùng cực mùa đông. Khí đi lên giãn nở và lạnh đi mạnh, bất chấp nắng chiếu suốt ngày. Khí chìm xuống bị nén và ấm lên, bất chấp đêm cực dài.
| Vị trí | Nhiệt độ điển hình |
|---|---|
| Mặt đất, trung bình toàn cầu | ~15 °C |
| Đỉnh tầng đối lưu, vùng nhiệt đới | ~−80 °C |
| Đỉnh tầng bình lưu (~50 km) | ~0 °C |
| Đỉnh tầng trung lưu (~80–85 km), trung bình | ~−90 °C |
| Đỉnh tầng trung lưu, mùa hè vùng cực | có lúc dưới −130 °C |
| Kỷ lục mặt đất (Vostok, 1983) | −89,2 °C |
Sao băng: những hạt bụi đâm vào khí quyển
Mỗi ngày Trái Đất quét qua vô số hạt bụi và đá nhỏ trôi trong hệ Mặt Trời. Chúng lao vào khí quyển với vận tốc khoảng 11–72 km/giây. Ở tốc độ ấy, không khí phía trước bị nén cực mạnh và nóng rực; hạt bụi bốc hơi, các nguyên tử bị kích thích và phát sáng thành vệt sao băng.
Phần lớn sao băng bắt đầu sáng ở khoảng 100–120 km và tắt ở khoảng 70–90 km, tức trải giữa phần trên tầng trung lưu và phần dưới nhiệt quyển. Một hạt chỉ cỡ hạt cát đã đủ tạo một vệt sáng thấy rõ. Đá lớn hơn có thể xuyên sâu hơn, thành cầu lửa, hiếm khi rơi tới đất thành thiên thạch.
Lớp kim loại ở 90 km
Vật chất sao băng bốc hơi để lại một lớp nguyên tử kim loại, đặc biệt là natri, sắt, magiê, ở khoảng 80–105 km. Lớp natri này có ích bất ngờ cho thiên văn: các đài thiên văn lớn chiếu tia laser màu vàng lên, kích thích natri phát sáng thành một "ngôi sao nhân tạo" để hệ quang học thích nghi bù cho sự rung rinh của khí quyển.
Bao nhiêu bụi vũ trụ rơi xuống
Ước tính lượng vật chất vũ trụ đi vào khí quyển mỗi ngày chênh lệch rất nhiều giữa các phương pháp, từ vài tấn tới vài chục tấn. Một nghiên cứu thu thập vi thiên thạch ở Nam Cực công bố năm 2021 ước khoảng 5.200 tấn mỗi năm hạt bụi vũ trụ tới được mặt đất. Phần lớn còn lại đã bốc hơi ở tầng trung lưu.
Mây dạ quang: mây cao nhất Trái Đất
Vào những đêm mùa hè ở vĩ độ khoảng 50–70°, sau khi Mặt Trời lặn, người ta đôi khi thấy những dải mây mỏng màu xanh bạc, có gợn sóng, sáng lên trên nền trời đã tối. Đó là mây dạ quang (noctilucent clouds), nằm ở khoảng 76–85 km, cao gấp khoảng mười lần mây thường. Chúng sáng vì ở độ cao đó vẫn còn được Mặt Trời dưới chân trời chiếu tới, trong khi mặt đất đã chìm vào bóng tối.
Mây dạ quang là tinh thể băng cực nhỏ, chỉ hình thành được khi đỉnh tầng trung lưu lạnh nhất, tức mùa hè vùng cực. Hạt nhân để băng bám vào có lẽ chính là bụi sao băng.
- Lần đầu được ghi nhận: năm 1885, hai năm sau vụ phun trào núi lửa Krakatoa (1883). Nhiều người quan sát bầu trời hoàng hôn rực rỡ sau vụ phun trào, và từ đó để ý tới loại mây lạ này. Mối liên hệ với Krakatoa vẫn chưa được khẳng định.
- Nghiên cứu từ không gian: NASA phóng vệ tinh AIM năm 2007 chuyên quan sát mây dạ quang từ trên xuống.
- Đang xuất hiện nhiều hơn?: một số nghiên cứu cho thấy mây dạ quang sáng hơn và được thấy ở vĩ độ thấp hơn trong vài thập kỷ gần đây. Các giả thuyết gồm mê-tan tăng (bị oxy hoá thành hơi nước ở tầng cao) và CO₂ tăng (làm tầng trên lạnh đi). Mức độ và nguyên nhân vẫn đang được nghiên cứu.
Những tia sét bắn lên trời
Phía trên những cơn dông mạnh, tầng trung lưu đôi khi lóe lên các hiện tượng điện thoáng qua, gọi chung là sự kiện phát quang thoáng qua:
- Sprite (tia đỏ): chùm sáng đỏ hình con sứa hoặc cà rốt ở khoảng 50–90 km, chỉ kéo dài vài phần nghìn giây. Phi công từng kể về chúng hàng chục năm nhưng bị coi là ảo giác, cho tới khi nhóm của John Winckler (Đại học Minnesota) tình cờ chụp được năm 1989.
- Elve: vòng sáng đỏ lan rộng hàng trăm km ở khoảng 90 km, do xung điện từ của tia sét mạnh.
- Blue jet (tia xanh): luồng sáng xanh phóng từ đỉnh mây dông lên phía tầng bình lưu.
Góc nhìn hôm nay: tự quan sát tầng trung lưu
- Ngắm mưa sao băng: các trận lớn như Anh Tiên (Perseids, đỉnh khoảng 12–13/8) và Song Tử (Geminids, đỉnh khoảng 13–14/12). Tránh xa ánh đèn đô thị, nằm ngửa nhìn bầu trời rộng, để mắt quen tối khoảng 20 phút. Mỗi vệt sáng là một hạt bụi bốc cháy ở độ cao 70–120 km.
- Mây dạ quang: không thấy được ở Việt Nam vì vĩ độ quá thấp. Ở Bắc Âu, Canada, Scotland, mùa quan sát là khoảng tháng 6–7, nhìn về phía chân trời bắc khoảng một hai giờ sau hoàng hôn.
- Tư liệu: NASA công bố ảnh mây dạ quang chụp từ Trạm Vũ trụ Quốc tế và dữ liệu vệ tinh AIM; Hội Thiên văn và Vũ trụ Việt Nam và các câu lạc bộ thiên văn thường thông báo lịch mưa sao băng hằng năm.
Câu hỏi thường gặp
Tầng trung lưu nằm ở độ cao bao nhiêu?
Khoảng từ 50 km tới 80–85 km, nằm giữa tầng bình lưu và nhiệt quyển. Ranh giới trên gọi là đỉnh tầng trung lưu, cũng là nơi lạnh nhất khí quyển.
Sao băng cháy ở độ cao nào?
Phần lớn sao băng bắt đầu sáng ở khoảng 100–120 km và tắt ở khoảng 70–90 km. Chúng bốc hơi do không khí bị nén cực mạnh phía trước khi hạt bụi lao vào với vận tốc hàng chục km mỗi giây.
Mây dạ quang là gì?
Là mây tinh thể băng cực mỏng ở khoảng 76–85 km, cao nhất Trái Đất. Chúng sáng xanh bạc sau hoàng hôn vào mùa hè ở vĩ độ khoảng 50–70°, vì vẫn được ánh nắng chiếu tới khi mặt đất đã tối.
Vì sao tầng trung lưu lạnh nhất vào mùa hè?
Vì hoàn lưu ở tầng cao đẩy không khí đi lên ở vùng cực mùa hè. Khí đi lên giãn nở và lạnh đi mạnh hơn lượng nhiệt nhận từ nắng, nên đỉnh tầng trung lưu có lúc xuống dưới −130 °C.
Ở Việt Nam có thấy mây dạ quang không?
Hầu như không. Mây dạ quang thường chỉ thấy ở vĩ độ khoảng 50–70°, như Bắc Âu, Canada, Nga. Việt Nam nằm ở vĩ độ khoảng 8–23°, quá xa về phía xích đạo.
