Vào buổi sáng mùa đông, khi từ trên núi nhìn xuống làng, đôi lúc bạn sẽ thấy sương mù và khói phủ thành một lớp phẳng, đục mờ ở vùng thấp và nằm im không chuyển động. Khói từ ống khói cũng không thể bốc lên cao mà lan sang hai bên ở một độ cao nhất định. Cảnh tượng ấy trông như có một chiếc nắp vô hình đang phủ lên bầu trời.
Chiếc nắp này thực chất là một lớp không khí có nhiệt độ tăng lên khi độ cao tăng. Thông thường, càng lên cao càng lạnh, nhưng hiện tượng trật tự này bị đảo ngược được gọi là “nghịch nhiệt (Temperature Inversion)”, và lớp không khí như vậy được gọi là lớp nghịch nhiệt. Đây là khái niệm cần thiết để hiểu thời tiết và môi trường, bởi nó khiến không khí bị giữ lại và chất ô nhiễm tích tụ, ngay cả khi thời tiết có vẻ quang đãng.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu nghịch nhiệt là gì, hình thành trong những điều kiện nào, ảnh hưởng ra sao đến cuộc sống, cũng như các trường hợp được ghi nhận trong lịch sử và biện pháp ứng phó.
Tìm hiểu về nghịch nhiệt
Lớp không khí càng lên cao càng ấm
Khí quyển Trái Đất chủ yếu được làm ấm từ mặt đất. Ánh nắng làm ấm mặt đất trước, rồi mặt đất đã ấm lên lại làm ấm không khí ngay phía trên, nên trong tầng đối lưu, nhiệt độ nhìn chung giảm khi lên cao. Trung bình, cứ lên cao 1 km, nhiệt độ giảm khoảng 6.5℃; đó cũng là lý do tuyết vẫn còn trên các đỉnh núi cao ngay cả vào mùa hè.
Trong trạng thái này, không khí ấm và nhẹ ở phía dưới bốc lên, còn không khí lạnh phía trên hạ xuống, khiến không khí hòa trộn mạnh. Bụi và khói phát sinh gần mặt đất cũng theo dòng chuyển động này phân tán lên cao.
Nghịch nhiệt là trạng thái mà trật tự này bị đảo ngược. Khi không khí lạnh và nặng nằm dưới, còn không khí ấm và nhẹ nằm trên, không khí trở nên rất ổn định và hầu như không hòa trộn theo chiều lên xuống. Vì vậy, lớp nghịch nhiệt đóng vai trò như chiếc nắp giữ không khí bên dưới lại.
Độ dày và độ cao của lớp nghịch nhiệt thay đổi rất nhiều tùy tình huống. Có khi nó hình thành thành một lớp mỏng ở độ cao vài chục mét trên mặt đất rồi nhanh chóng tan đi khi mặt trời mọc; cũng có khi nó tạo thành một lớp dày ở độ cao vài trăm mét và tồn tại trong nhiều ngày. Lớp nghịch nhiệt càng thấp thì lượng không khí bị giữ bên dưới càng ít, khiến ô nhiễm đậm đặc nhanh hơn; lớp này tồn tại càng lâu thì chất ô nhiễm tích tụ càng nhiều.
Nghịch nhiệt hình thành như thế nào?
Nghịch nhiệt hình thành do nhiều nguyên nhân, với các dạng tiêu biểu như sau.
(1) Nghịch nhiệt bức xạ
Vào những đêm trời quang và gió yếu, mặt đất nhanh chóng tỏa nhiệt ra không gian rồi lạnh đi. Không khí tiếp xúc với mặt đất cũng lạnh theo và trở nên lạnh hơn không khí ngay phía trên, tạo thành lớp nghịch nhiệt rõ rệt nhất vào gần sáng. Trong bồn địa hoặc thung lũng, hiện tượng này biểu hiện mạnh hơn vì không khí lạnh chảy xuống và tích tụ ở vùng thấp.
(2) Nghịch nhiệt do giáng khí
Ở nơi có áp cao lưu lại, không khí từ từ hạ xuống, bị nén và nóng lên. Khi lượng không khí đã nóng lên này tạo thành một lớp ấm ở trên cao, không khí bên dưới có thể bị giữ lại trong nhiều ngày.
(3) Nghịch nhiệt frông
Khi không khí ấm gặp không khí lạnh, không khí ấm nhẹ hơn sẽ trượt lên trên không khí lạnh. Dọc theo mặt phân cách ấy hình thành một lớp có phía trên ấm hơn.
Ngoài ra, ở các vùng ven biển nơi không khí ấm tràn qua vùng biển lạnh, lớp nghịch nhiệt cũng thường hình thành do không khí phía biển nằm ở bên dưới.
Ảnh hưởng đến cuộc sống của chúng ta
Chất lượng không khí chịu ảnh hưởng lớn nhất từ nghịch nhiệt. Khí thải xe cộ, khói từ việc sưởi ấm và khói thải nhà máy không thể phân tán lên cao mà tích tụ gần mặt đất, khiến nồng độ bụi mịn tăng mạnh trong thời gian ngắn. Việc không khí có vẻ đặc biệt ô nhiễm vào những buổi sáng mùa đông ít gió cũng liên quan đến hiện tượng này.
Hiện tượng này cũng để lại nhiều dấu hiệu trong thời tiết.
- Sương mù (Fog): Không khí ẩm bị giữ trên mặt đất đã lạnh đi ngưng tụ thành sương mù dày đặc, tồn tại lâu cho đến khi mặt trời mọc và lớp nghịch nhiệt tan đi.
- Mưa đóng băng (Freezing Rain): Những giọt mưa tan chảy trong lớp không khí ấm phía trên bị làm lạnh khi đi qua lớp không khí dưới mức đóng băng ở phía dưới, rồi đóng băng ngay khi chạm vào mặt đất hoặc các vật thể.
- Ảo ảnh (Mirage): Chênh lệch nhiệt độ giữa các lớp không khí trên và dưới làm ánh sáng bị bẻ cong, đôi khi khiến tàu thuyền hoặc đảo ngoài biển xa trông như đang lơ lửng.
Lớp nghịch nhiệt còn làm âm thanh bị bẻ cong trở xuống, khiến tiếng tàu hỏa hoặc tiếng chuông ở xa đôi khi nghe rõ hơn bình thường vào những đêm trời quang.
Bài học từ lịch sử và biện pháp ứng phó
Sự kiện khiến thế giới nhận thức rõ nguy cơ của nghịch nhiệt là đợt sương khói tại Luân Đôn, Anh vào tháng 12 năm 1952. Từ ngày 5 đến ngày 9 tháng 12, áp cao lưu lại đã tạo ra một lớp nghịch nhiệt mạnh, khiến khói than dùng để sưởi ấm và khói thải nhà máy hòa lẫn với sương mù, bao phủ thành phố. Được biết, chỉ riêng trong tháng đó đã có khoảng 4,000 người tử vong; một số nghiên cứu cho rằng nếu tính cả tác động trong vài tháng tiếp theo, số người tử vong lên tới 1 vạn 2,000 người.
Sau sự kiện này, Anh ban hành Đạo luật Không khí Sạch (Clean Air Act) vào năm 1956 và bắt đầu giảm khói than trong các đô thị; sự kiện cũng thúc đẩy nhiều quốc gia quản lý ô nhiễm không khí bằng pháp luật.
Ngày nay, các lớp nghịch nhiệt được dự báo trước thông qua quan trắc khí tượng và được đưa vào dự báo chất lượng không khí. Mỗi người cũng nên kiểm tra thông tin chất lượng không khí vào những buổi sáng mùa đông trời quang, gió yếu và hạn chế tập thể dục ngoài trời vào sáng sớm khi không khí ô nhiễm. Các nhà máy và đô thị cũng có thể thực hiện biện pháp giảm phát thải vào những ngày như vậy.
Dù không thể nhìn thấy, nghịch nhiệt vẫn âm thầm làm thay đổi không khí chúng ta hít thở và cảnh sắc buổi sáng. Khi hiểu rằng không khí có thể bị giữ lại ngay cả lúc bầu trời trông quang đãng, chúng ta cũng sẽ có cách nhìn khác đối với dự báo thời tiết và thông tin chất lượng không khí.
Hiểu chiếc nắp vô hình trên đầu chính là bước đầu tiên để gìn giữ bầu không khí trong lành hơn.
