Giáng thủy là gì? Sự hình thành giáng thuỷ
1. Khái niệm chung về giáng thuỷ
Trong những điều kiện nhất định giáng thủy rơi xuống từ mây, đó là những giọt nước và hạt băng có kích thước lớn đến mức không thể nằm lơ lửng trong khí quyển được nữa. Những dạng giáng thủy thường thấy và quan trọng hơn cả là mưa và tuyết. Tuy nhiên, cũng có nhiều loại giáng thủy khác với dạng điển hình là mưa và tuyết.
Mưa cũng như tuyết, chủ yếu rơi từ mây do chuyển động trượt lên cao của không khí ẩm và từ mây đối lưu. Đặc tính giáng thủy cũng khác biệt tùy thuộc vào loại mây. Mây do chuyển động trượt lên (mây tằng tích và cao tằng) liên quan tới front thường cho mưa phùn.
Đó là giáng thủy kéo dài với cường độ trung bình. Giáng thủy này thường rơi tương đối đều và kéo dài (vài giờ hay vài chục giờ) đồng thời trên một phạm vi rộng lớn khoảng vài trăm km2. Giáng thủy thấy ở phần lớn hay ở khắp các trạm, trong đó tổng lượng giáng thủy ở từng trạm khác biệt không nhiều. Phần lớn lượng giáng thủy ở miền ôn đới là giáng thủy phùn.
Mây vũ tích liên quan với quá trình đối lưu thường cho giáng thủy rào, cường độ lớn nhưng không kéo dài. Ngay sau khi bắt đầu, chúng có thể có cường độ rất lớn nhưng cũng có thể ngừng đột ngột. Giáng thủy rào không kéo dài là do chúng rơi từ những đám mây riêng biệt hay từ những dải mây hẹp của front lạnh. Trong khối khí lạnh chuyển động trên mặt đất nóng, từng đợt giáng thủy rào đôi khi kéo dài trên mỗi vùng trong vòng vài phút. Mùa hè trên lục địa do đối lưu địa phương khi mây vũ tích phát triển rất rộng hay khi có front lạnh đi qua, giáng thủy rào đôi khi kéo dài mấy giờ liền.
Theo tài liệu quan trắc, diện tích trung bình mưa rào bao quát trong cùng một thời điểm khoảng 20 km2 rơi trong một thời gian ngắn, mưa rào cũng có thể chỉ một lượng giáng thủy nhỏ.
Cường độ mưa rào biến đổi rất lớn, thậm chí ngay trong trận mưa rào, lượng giáng thủy có thể khác biệt đến 50 mm trên khoảng cách 1 – 2km. Mưa rào là một dạng giáng thủy chủ yếu ở miền nhiệt đới và xích đạo.
Ngoài giáng thủy dầm và giáng thủy rào, người ta còn phân biệt giáng thủy phùn. Đó là giáng thủy hình thành trong khối khí và rơi từ mây tằng tích. Nó đặc trưng cho khối khí nóng hay khối khí địa phương có tầng kết ổn định. Độ dày của loại mây này không lớn, chính vì vậy vào mùa hè chúng chỉ cho giáng thủy khi có quá trình kết hợp của các giọt nước. Giáng thủy dạng nước – mưa phùn, bao gồm những giọt nước rất nhỏ rơi chậm đến mức dường như bay lơ lửng trong không khí. Mùa đông, dưới nhiệt độ thấp, mây loại này có thể chứa các hạt băng. Khi đó chúng không cho mưa phùn mà cho tuyết nhỏ và những hạt tuyết. Thông thường trong một ngày, giáng thủy phùn không cho lượng nước đáng kể. Mùa đông, giáng thủy phùn ít tăng chiều dày lớp tuyết phủ. Chỉ trong một số trường hợp đặc biệt, chẳng hạn như ở vùng núi, mưa phùn có thể có cường độ mạnh và độ nước lớn.
2. Các dạng giáng thủy
Mưa bao gồm những giọt nước có kích thước lớn hơn 0,5mm, nhưng nhỏ hơn hoặc bằng 8mm. Nếu giọt nước có kích thước lớn hơn đáng kể khi rơi phân tán thành những giọt nhỏ hơn. Kích thước của giọt nước trong mưa rào lớn hơn trong mưa dầm, nhất là vào đầu trận mưa. ở nhiệt độ âm, mưa đôi khi rơi xuống dưới dạng những giọt nước quá lạnh. Khi tới mặt đất, chúng hóa băng và tạo nên một lớp băng. Mưa phùn bao gồm những giọt nước rất nhỏ có đường kính khoảng 0,05 – 0,5 mm, chúng dễ được gió vận chuyển theo chiều ngang. Tuyết cấu tạo bởi những tinh thể băng có dạng phức tạp (hoa tuyết). Hoa tuyết rất nhiều vẻ, tùy thuộc vào điều kiện hình thành. Dạng chủ yếu của hoa tuyết là dạng sáu cạnh.
Mưa băng dưới dạng những hạt băng như những viên bi trong suốt với đường kính từ 1 – 3 mm có đặc tính riêng. Đó là những giọt nước mưa đã đóng băng trong không khí. Loại mưa này chứng tỏ sự tồn tại của lớp nghịch nhiệt. ở độ cao nào đó có lớp không khí với nhiệt độ dương trong đó những hạt băng rơi từ trên xuống tan thành giọt nước và dưới lớp đó là lớp có nhiệt độ âm. ở đây các giọt nước đóng băng lại. Mùa hè, khi thời tiết tương đối nóng, đôi khi có mưa đá dưới dạng những mảnh băng tương đối lớn bằng hạt đậu hay có đường kính từ 5 – 8 cm, đôi khi lớn hơn. Có trường hợp, trọng lượng của mảnh băng lớn hơn 300 g.
Thường mưa đá có cấu trúc không đồng nhất: chúng cấu tạo bởi những lớp băng đục và trong suốt xen kẽ. Mưa đá rơi từ mây vũ tích khi có dông và thông thường có kèm theo mưa rào.
Dạng và kích thước của những mảnh băng chứng tỏ trong quá trình hình thành chúng được các dòng đối lưu cuốn theo đưa lên cao, rơi xuống thấp nhiều lần, kích thước của chúng lớn dần lên do va chạm với xác giọt nước quá lạnh. Khi đi xuống trong những dòng giáng tới lớp không khí có nhiệt độ dương, bề mặt những mảnh băng tan ra. Tiếp đó, khi lên cao, bề mặt của chúng lại đóng băng và v.v… Để hình thành các mảnh băng mây phải có độ nước lớn, chính vì vậy mưa đá chỉ rơi vào mùa nóng, khi nhiệt độ không khí ở mặt đất lớn. ở miền ôn đới mưa đá thường hay xuất hiện hơn cả, còn ở miền nhiệt đới mưa đá thường có cường độ lớn nhất. ở miền cực không có mưa đá. Có khi mưa đá để lại trên mặt đất một lớp băng dày vài chục cm và tồn tại lâu. Mưa đá thường làm hại có khi phá huỷ mùa màng, có trường hợp mưa đá gây tác hại cho súc vật, thậm chí cả người.
3. Sự hình thành giáng thuỷ
Giáng thuỷ hình thành trong trường hợp dù chỉ một phần các phân tử mây (giọt nước hay hạt băng) lớn lên bằng cách nào đó. Khi các phần tử mây trở nên nặng đến mức phản lực của không khí và chuyển động thăng không giữ nổi chúng ở trạng thái lơ lửng, các phân tử mây rơi xuống dưới dạng giáng thuỷ. Sự lớn lên của những giọt nước đến kích thước cần thiết không thể xảy ra do ngưng kết và kết quả của quá trình đó chỉ cho những giọt nước rất nhỏ.
Để tạo thành những giọt nước lớn hơn, thì quá trình ngưng kết phải xảy ra trong thời gian rất dài. Những giọt nước lớn hơn rơi từ mây dưới dạng mưa hay mưa phùn có thể xuất hiện do những nguyên nhân khác. Một là chúng có thể là kết quả của quá trình kết hợp của các giọt nước. Nếu các giọt nước tích điện khác dấu, thì quá trình kết hợp này sẽ xảy ra dễ dàng hơn. Sự khác biệt về kích thước của giọt nước cũng có ý nghĩa rất lớn. Các giọt nước với kích thước khác nhau rơi với tốc độ khác nhau, nên chúng càng dễ va chạm. Do quá trình này, mưa phùn hình thành từ mây tằng. Còn mây tích phát triển cho mưa hạt lớn với cường độ lớn, nhất là ở miền nhiệt đới, vì ở đây mây có lượng nước lớn. Nhưng mưa lớn không thể hình thành do quá trình kết hợp của các giọt nước.
Mây cho mưa lớn phải là mây hỗn hợp, nghĩa là trong mây các giọt nước quá lạnh và hạt băng nằm sát cạnh nhau. Chính mây cao tằng, vũ tằng và vũ tích là những loại mây đó. Nếu như những giọt nước quá lạnh và hạt băng nằm sát nhau, thì điều kiện ẩm thường là: đối với các giọt nước, không khí chưa bão hoà còn đối với hạt băng thì quá bão hoà.
Vì vậy, các hạt băng sẽ lớn lên nhanh chóng nhờ quá trình ngưng hoa, lượng hơi nước trong không khí giảm. Khi đó đối với các giọt nước không khí trở nên chưa bão hoà. Vì vậy đồng thời với sự lớn lên của các hạt băng, các giọt nước sẽ bốc hơi, tức là xảy ra quá trình vận chuyển hơi nước từ giọt nước sang hạt băng.
Những hạt băng lớn bắt đầu rơi xuống, thường là từ phần trên cùng của mây nơi chúng thường tụ tập. Trong khi rơi các hạt băng tiếp tục lớn lên do quá trình ngưng hoa. Ngoài ra, khi va chạm với các giọt nước quá lạnh, chúng làm cho các giọt nước lạnh thêm và kết hợp với chúng, do đó kích thước các hạt băng càng lớn. Các giọt nước đông kết khi va chạm với các hạt băng và những mảnh băng làm số hạt nhân hoá băng tăng lên rất nhiều. Kết quả là ở phần mây dưới cùng thường xuất hiện những hạt băng lớn. Nếu ở đây nhiệt độ không khí lớn hơn 0oC, băng sẽ tan, biến thành giọt nước và rơi xuống dưới dạng mưa. Những giọt nước này rơi xuống với tốc độ khác nhau lại có thể kết hợp với nhau và với những giọt nước khác có trong mây. Có trường hợp hạt băng tan ra ở phần chân mây và cũng rơi xuống đất dưới dạng mưa. Sau cùng, nếu nhiệt độ từ chân mây tới mặt đất âm, thì giáng thuỷ rơi xuống dưới dạng tuyết thường hay tuyết bông.
Nếu giáng thuỷ rơi dưới dạng mưa đá hay mưa băng, thì điều kiện hình thành còn phức tạp hơn, song bản chất của hiện tượng thì tương tự. Giáng thuỷ có thể hình thành từ những mây băng thuần nhất trong đó các hạt băng cũng lớn lên do quá trình ngưng hoa, song thường những đám mây này ở cao và giáng thuỷ từ chúng bốc hơi khi rơi nên không tới được mặt đất. Các màn mây và dải của một số loại mây có thể là các dải giáng thuỷ.
Sự hình thành giáng thuỷ không liên quan trực tiếp với độ dày và độ nước của mây. Tất nhiên, mây càng dày thì khả năng đạt tới mực băng kết và hình thành giáng thủy càng lớn. Độ nước của mây càng lớn, thì giáng thuỷ càng mạnh. Tuy nhiên mây có thể phát triển rất mạnh, độ nước cũng có thể rất lớn, nhưng nếu mực băng kết nằm quá cao, thì giáng thủy vẫn có thể không hình thành.
Mùa hè, trong vùng đồng cỏ và miền nhiệt đới, mây tích phát triển rất mạnh, song những đám mây này không cho giáng thuỷ, vì dưới nhiệt độ cao, mực băng kết nằm rất cao. Liệu trong những trường hợp như vậy, ta có thể phá vỡ trạng thái cân bằng của mây và gây mưa bằng phương pháp nhân tạo được không? Phương pháp tạo trạng thái băng kết trong mây cấu tạo bởi những giọt nước quá lạnh có thể có kết quả hơn cả. Những thí nghiệm này hiện nay đang được tiến hành rộng rãi. Thường người ta rải lên mây hợp chất cácbonic ở thể rắn với nhiệt độ rất thấp làm cho một số giọt nước đông kết. Một số hạt băng “mầm” mở đầu sự hình thành giáng thuỷ xuất hiện. Kế đó, quá trình xảy ra dưới dạng phản ứng dây chuyền.
Phương pháp phổ biển khác là phương pháp rải lên mây Ioduya bạc (ArI). Khi lạnh đi, iotdua bạc tạo điều kiện hình thành trong không khí những hạt băng cực nhỏ. ở nhiệt độ dưới 4oC, những hạt băng này sẽ là những hạt nhân băng kết trong mây, trên chúng các hạt băng sẽ lớn dần lên. Ngoài ra, còn có các chất khác có thể làm các phần tử mây đông kết.
Việc rải iotduya bạc và các chất gây phản ứng khác vào mây tích có khả năng gây mưa đá rất có thể dẫn tới sự hình thành giáng thuỷ dưới dạng mưa rào hay mưa đá nhỏ trong thời gian ngắn và bằng cách đó ngăn chặn những trận mưa đá lớn. Tuy nhiên, việc đánh giá kết quả những thí nghiệm vừa nêu trên gặp nhiều khó khăn. Không phải trong mọi trường hợp ta đều biết được là giáng thuỷ rơi do tác động của con người hay không phụ thuộc vào yếu tố đó. Mặc dầu vậy, nguyên lý giải quyết vấn đề gây mưa nhân tạo đã được xây dựng. Bằng các phương pháp tương tự người ta cũng có thể làm tan sương mù ở mặt đất khi rải những chất gây phản ứng thích hợp làm cho các hạt sương mù lớn lên và rơi xuống. Thí nghiệm này nhiều lần đã mang lại kết quả tốt.
(Tài liệu tham khảo: Trần Công Minh, Giáo trình Khí hậu và khí tượng đại cương)