Càng lên cao càng lạnh vì tầng đối lưu được sưởi từ dưới lên: mặt đất hấp thụ nắng rồi làm nóng lớp khí sát nó, còn khí bốc lên cao thì giãn nở và tự lạnh đi. Nhưng quy luật ấy chỉ đúng tới khoảng 8–18 km. Lên nữa, nhiệt độ hai lần đảo chiều: ozone sưởi tầng bình lưu, còn ở nhiệt quyển, oxy và nitơ hấp thụ tia cực tím xa và tia X của Mặt Trời, đẩy nhiệt độ phân tử lên hàng trăm tới khoảng 2.000 °C. Dù vậy nhiệt quyển không "nóng" theo nghĩa thông thường, vì khí ở đó loãng tới mức gần như không truyền được nhiệt cho vật nào.
Đây là một trong những câu hỏi khí quyển hay bị trả lời sai nhất: "lên cao gần Mặt Trời hơn thì phải nóng hơn chứ". Vài km chẳng thấm gì so với 150 triệu km tới Mặt Trời. Cái quyết định là ai hấp thụ năng lượng và ở đâu.
Không khí trong suốt nên không tự sưởi được
Phần lớn ánh sáng Mặt Trời (ánh sáng nhìn thấy) đi xuyên qua không khí mà không bị giữ lại nhiều. Nó chạm mặt đất, mặt biển, rồi bị hấp thụ ở đó. Mặt đất nóng lên và truyền nhiệt cho lớp khí sát nó bằng tiếp xúc, bằng bức xạ hồng ngoại và bằng hơi nước bốc lên rồi ngưng tụ nhả nhiệt.
Vì thế tầng đối lưu giống một nồi nước đun từ đáy: chỗ nóng nhất ở dưới cùng. Trung bình trên toàn cầu, nhiệt độ giảm khoảng 6,5 °C cho mỗi km lên cao. Từ mặt biển khoảng 15 °C, tới 11 km còn khoảng −56 °C theo mô hình khí quyển chuẩn.
Khí nở ra thì lạnh đi
Lý do thứ hai quan trọng không kém. Một khối khí bốc lên gặp áp suất thấp hơn nên nở ra. Muốn nở ra, nó phải đẩy không khí xung quanh, tức là tiêu tốn năng lượng của chính nó, và nhiệt độ giảm. Quá trình này gọi là giãn nở đoạn nhiệt, xảy ra cả khi không có nhiệt nào trao đổi với bên ngoài.
| Trường hợp | Mức giảm nhiệt theo độ cao | Giải thích |
|---|---|---|
| Khí khô bốc lên | ~9,8 °C/km | Chỉ có giãn nở, không ngưng tụ |
| Khí bão hoà hơi nước bốc lên | ~4–7 °C/km | Hơi nước ngưng tụ nhả nhiệt ẩn, bù một phần |
| Trung bình tầng đối lưu | ~6,5 °C/km | Giá trị dùng trong khí quyển chuẩn quốc tế |
Hiện tượng ngược lại cũng quen thuộc: khí bị nén thì nóng lên. Bơm xe đạp nóng tay khi bơm nhanh. Gió đổ xuống sườn núi bị nén lại, khô và nóng, chính là cơ chế của nhiều loại gió phơn trên thế giới.
Vì sao đỉnh núi lạnh dù gần Mặt Trời hơn
Đỉnh núi là một mảnh đất nhỏ nhô vào giữa khối khí lạnh của tầng đối lưu. Nó nhận nắng như đồng bằng, có khi còn mạnh hơn vì ít không khí che, nhưng không khí xung quanh đã lạnh sẵn và loãng, giữ nhiệt kém. Chưa kể không khí ít hơi nước và CO₂ phía trên, nên ban đêm nhiệt thoát ra vũ trụ nhanh. Fansipan cao khoảng 3.147 m, theo quy luật trung bình sẽ lạnh hơn chân núi ở độ cao gần mặt biển khoảng 20 °C.
Tầng bình lưu: ozone làm lò sưởi
Lên tới đỉnh tầng đối lưu, nhiệt độ ngừng giảm rồi tăng dần tới khoảng 0 °C ở độ cao 50 km. Lò sưởi ở đây là ozone. Phân tử O₃ hấp thụ tia cực tím bước sóng khoảng 200–300 nanomet, vỡ ra rồi tái tạo liên tục, và mỗi chu trình như thế biến năng lượng tia cực tím thành chuyển động của phân tử, tức là nhiệt.
Điều thú vị là ozone đậm đặc nhất ở khoảng 20–25 km, nhưng chỗ nóng nhất lại ở cao hơn, gần 50 km. Lý do: ở trên cao, tia cực tím chưa bị hấp thụ bớt nên năng lượng còn dồi dào, trong khi không khí loãng nên chút năng lượng ấy chia cho ít phân tử, nhiệt độ lên cao hơn.
Tầng trung lưu: lò sưởi tắt, CO₂ toả nhiệt
Trên 50 km, ozone thưa dần. Không còn gì hấp thụ đáng kể để sưởi, trong khi CO₂ vẫn phát bức xạ hồng ngoại ra vũ trụ, mang nhiệt đi. Nhiệt độ giảm xuống tới khoảng −90 °C ở đỉnh tầng trung lưu, khoảng 80–85 km.
Ở đây có một nghịch lý: mùa hè vùng cực, đỉnh tầng trung lưu lại lạnh hơn mùa đông, có lúc dưới −130 °C. Nguyên nhân là hoàn lưu ở tầng cao: mùa hè không khí vùng cực bị đẩy lên, giãn nở và lạnh đi, mùa đông thì bị nén xuống và ấm lên. Đây là ví dụ rõ nhất cho thấy chuyển động của khí đôi khi quan trọng hơn cả nguồn nắng.
Một hệ quả ít người biết: CO₂ tăng lên làm mặt đất ấm hơn nhưng lại làm tầng trung lưu và nhiệt quyển lạnh đi, vì ở trên cao CO₂ chủ yếu toả nhiệt ra vũ trụ. Các phép đo dài hạn bằng radar và vệ tinh đã ghi nhận xu hướng này.
Nhiệt quyển: hàng nghìn độ nhưng không bỏng
Trên khoảng 85 km, nhiệt độ lại tăng vọt. Lần này thủ phạm là những bức xạ có năng lượng cao nhất của Mặt Trời: tia cực tím xa và tia X. Chúng bị oxy, nitơ và oxy nguyên tử ở đây hấp thụ hết, nên không bao giờ xuống tới tầng dưới. Năng lượng dồn vào số phân tử rất ít, đẩy nhiệt độ lên khoảng 500–1.000 °C khi Mặt Trời yên và có thể tới khoảng 2.000 °C khi Mặt Trời hoạt động mạnh.
Nhiệt độ khác cảm giác nóng
Trong vật lý, nhiệt độ đo tốc độ trung bình của phân tử. Phân tử trong nhiệt quyển bay rất nhanh, nên nhiệt độ cao. Nhưng ở độ cao 400 km, mỗi cm³ chỉ có cỡ một tỷ phân tử, ít hơn ở mặt đất hàng chục tỷ lần. Một vật đặt vào đó, như Trạm Vũ trụ Quốc tế, nhận nhiệt từ va chạm của vài phân tử quá ít so với nhiệt nó tự bức xạ ra. Phần mặt trạm hướng về Mặt Trời nóng lên vì nắng trực tiếp, phần trong bóng tối lạnh xuống rất sâu, chứ không phải vì "không khí nóng".
Có một ví dụ đời thường cùng nguyên lý: tia lửa bắn ra từ que pháo hoa cầm tay có nhiệt độ hơn nghìn độ nhưng chạm vào da thường không gây bỏng nặng, vì mỗi tia quá nhỏ, chứa rất ít năng lượng. Nhiệt quyển giống một làn tia lửa cực kỳ thưa. (Đừng thử với pháo hoa thật — đây chỉ là phép so sánh.)
Toàn cảnh: đường nhiệt độ hình chữ "zíc zắc"
| Tầng | Xu hướng | Nguồn quyết định |
|---|---|---|
| Đối lưu (0 → 8–18 km) | Lạnh dần | Mặt đất sưởi từ dưới, khí giãn nở khi bốc lên |
| Bình lưu (→ ~50 km) | Ấm dần | Ozone hấp thụ tia cực tím |
| Trung lưu (→ ~80–85 km) | Lạnh dần | Ít ozone, CO₂ toả nhiệt ra vũ trụ |
| Nhiệt quyển (→ vài trăm – ~1.000 km) | Nóng vọt | Tia cực tím xa và tia X bị hấp thụ |
Vẽ nhiệt độ theo độ cao sẽ được một đường gấp khúc qua lại bốn lần. Hình dạng này không phải hành tinh nào cũng có. Sao Hoả và sao Kim không có tầng ozone đáng kể nên không có tầng bình lưu ấm lên như Trái Đất. Chính sự sống, qua oxy và ozone, đã vẽ ra một khúc gấp trên đường nhiệt độ của hành tinh mình.
Góc nhìn hôm nay: quan sát nhiệt độ giảm theo độ cao
- Lên Đà Lạt (khoảng 1.500 m) hay Sa Pa (khoảng 1.500–1.600 m), so nhiệt độ với TP.HCM hay Lào Cai cùng ngày: chênh khoảng 8–10 °C, gần đúng với quy luật 6,5 °C/km.
- Trên các chuyến bay, màn hình thông tin thường hiện nhiệt độ ngoài thân máy bay ở độ cao bay: khoảng −40 tới −60 °C.
- Dữ liệu bóng thám không công khai (ví dụ kho dữ liệu của Đại học Wyoming) cho xem đường nhiệt độ thật từ mặt đất tới hơn 30 km, thấy rõ chỗ đổi chiều ở đỉnh tầng đối lưu.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao càng lên cao càng lạnh?
Vì không khí được sưởi từ mặt đất chứ không trực tiếp từ nắng, và khí bốc lên cao gặp áp suất thấp nên giãn nở và tự lạnh đi. Trung bình trong tầng đối lưu, nhiệt độ giảm khoảng 6,5 °C mỗi km.
Lên cao gần Mặt Trời hơn sao không nóng hơn?
Vài km chênh lệch không đáng kể so với khoảng cách 150 triệu km tới Mặt Trời. Lượng nắng nhận được gần như không đổi; cái thay đổi là không khí loãng hơn, xa nguồn sưởi là mặt đất và đã nguội đi do giãn nở.
Nhiệt quyển nóng bao nhiêu độ?
Khoảng 500–1.000 °C khi Mặt Trời yên và có thể tới khoảng 2.000 °C khi Mặt Trời hoạt động mạnh. Đó là nhiệt độ của từng phân tử khí, không phải cảm giác nóng của vật đặt vào.
Vì sao phi hành gia không bị nóng chết trong nhiệt quyển?
Vì khí ở đó cực loãng, mỗi cm³ chỉ có lượng phân tử ít hơn ở mặt đất hàng chục tỷ lần. Lượng nhiệt truyền từ vài phân tử va chạm nhỏ hơn rất nhiều so với nhiệt mà tàu tự bức xạ ra; cái làm tàu nóng hay lạnh chủ yếu là nắng trực tiếp và bóng tối.
Vì sao tầng bình lưu lại ấm dần khi lên cao?
Vì ozone trong tầng bình lưu hấp thụ tia cực tím của Mặt Trời và biến năng lượng đó thành nhiệt. Chỗ nóng nhất nằm gần đỉnh tầng, khoảng 50 km, nơi tia cực tím còn mạnh và không khí loãng.
