Mây: sự hình thành, thành phần và các loại mây

Mây được hình thành từ đâu? Cấu trúc, thành phần của mây như thế nào? Mô tả các loại mây.

1. Sự hình thành và phát triển của mây

Do quá trình ngưng kết trong khí quyển xuất hiện tập hợp những sản phẩm ngưng kết: những giọt nước và hạt băng. Người ta gọi chúng là mây. Kích thước của chúng (những yếu tố mây – những giọt nước và hạt băng) nhỏ đến mức trọng lượng của chúng cân bằng với lực ma sát ngay cả khi chúng rơi với tốc độ nhỏ. Tốc độ rơi của các hạt nước chỉ bằng vài phần mười cm trong 1 giây. Tốc độ rơi của những hạt băng còn nhỏ hơn.

Tốc độ rơi nói trên tương ứng với không khí không chuyển động. Chuyển động rối của không khí làm cho những giọt nước và hạt băng nhỏ bé đó nói chung không rơi xuống được, mà chúng được giữ lơ lửng trong không khí rất lâu và di chuyển khi xuống thấp khi lên cao cùng với các yếu tố rối. Mây bị các dòng không khí vận chuyển. Nếu độ ẩm tương đối trong không khí chứa mây giảm, mây sẽ bốc hơi.

Trong những điều kiện nhất định, một phần những yếu tố mây lớn lên và nặng đến mức rơi xuống đất dưới dạng giáng thuỷ. Bằng con đường đó, nước trở lại mặt đất từ khí quyển.

Tập hợp những sản phẩm ngưng kết ở sát ngay mặt đất được gọi là sương mù. Giữa mây và sương mù không có sự khác biệt cơ bản trong cấu trúc. ở vùng núi có thể có những trường hợp mây xuất hiện ngay trên sườn. Đối với người quan sát từ dưới thung lũng, thì đó là mây; còn đối với người quan sát ở ngay trên sườn núi thì đó là sương mù.

Có những đám mây đôi khi chỉ tồn tại trong một thời gian rất ngắn. Chẳng  hạn những đám mây tích chỉ tồn tại trong vòng 10 – 15 phút. Điều đó có nghĩa là những giọt nước tạo thành mây vừa mới xuất hiện lại bốc hơi nhanh chóng. Có khi mây tồn tại rất lâu, song không có nghĩa mây là tập hợp cố định được thành tạo bởi cùng những giọt nước hay hạt băng nhất định trong thời gian dài.

Thực tế mây luôn ở trong quá trình hình thành và mất đi liên tục (bị bốc hơi, thường người ta nói không đúng là tan đi). Một số phần tử mây bốc hơi, những phần tử khác lại xuất hiện. Quá trình hình thành mây duy trì rất lâu, và mây chỉ là phần nhìn thấy được của khối nước chung bị cuốn vào trong quá trình này trong một thời điểm nhất định.

Hiện tượng này biểu hiện đặc biệt rõ trong quá trình tạo mây ở vùng núi. Nếu không khí liên tục trườn qua núi, tới độ cao nào đó, nó lạnh đi đoạn nhiệt đến mức mây xuất hiện. Những đám mây này dường như gắn liền bất động với đỉnh núi. Nhưng thực ra, khi di chuyển cùng với không khí, phần phía trước của chúng luôn bốc hơi do không khí sau khi trườn qua núi bắt đầu hạ xuống. ở sườn đón gió mây luôn tạo thành do hơi nước được không khí đưa lên cao.

Trạng thái lơ lửng của mây cũng là giả tạo. Nếu mây không thay đổi độ cao thì điều đó không có nghĩa là những phần tử tạo thành nó không rơi xuống dưới. Hạt chất lỏng và chất rắn trong mây có thể rơi xuống, song khi tới chân mây nơi không khí chưa bão hoà, chúng bốc hơi. Kết quả là mây dường như vẫn tồn tại trên  một độ cao.

2. Cấu trúc vĩ mô và độ nước của mây

Theo cấu trúc riêng mây chia làm ba loại:

a/ Mây nước (giọt nước) chỉ tạo thành bởi những giọt nước. Mây này có thể tồn tại không những ở nhiệt độ dương mà cả dưới nhiệt độ âm. Trong trường hợp này, giọt nước ở trạng thái quá lạnh, điều này rất thường xảy ra trong khí quyển.

b/ Mây hỗn hợp tạo thành bởi hỗn hợp những giọt nước quá lạnh và hạt băng dưới nhiệt độ âm nhất định.

c/ Mây băng chỉ tạo thành bởi các hạt băng ở nhiệt độ âm tương đối thấp.

Vào mùa nóng, phần lớn mây nước tạo thành ở những tầng khí quyển dưới, mây hỗn hợp – ở những tầng trung bình, còn mây băng ở những tầng trên. Vào mùa lạnh, dưới nhiệt độ thấp, mây hỗn hợp và mây băng có thể xuất hiện ở sát mặt đất. Cấu trúc giọt nước trong mây có thể duy trì đến nhiệt độ khoảng –10^oC (đôi khi tới nhiệt độ thấp hơn). ở nhiệt độ thấp hơn, ngoài những giọt nước còn có các hạt băng, đó là mây hỗn hợp.

Mây cao nhất trong tầng đối lưu quan trắc thấy ở nhiệt độ khoảng 30 – 50^oC, thông thường có cấu trúc tinh thể thuần nhất.

Kích thước của các yếu tố mây biến đổi rất lớn từ vài phần mười đến vài phần trăm micron. Tuỳ thuộc vào những điều kiện hình thành và giai đoạn phát triển mây có thể có cấu tạo đồng nhất, có trường hợp lại cấu tạo bởi các  giọt nước có kích thước rất khác nhau.

Do ngưng kết, bán kính các phần tử mây có thể lớn tới khoảng 20 micron, hạt băng tan và các giọt nước với bán kính đạt 100 – 200 micron. Với kích thước lớn như vậy, giọt nước bắt đầu rơi từ mây dưới dạng mưa phùn hay mưa. Bán kính của giọt nước mưa có thể đạt tới vài nghìn micron, tức là vài mm.

Các hạt băng trong mây cũng có dạng và kích thước khác nhau. Các giọt nước quá lạnh dưới nhiệt độ thấp tạo thành các hạt băng, đó là những mảnh tinh thể băng hay khối băng sáu cạnh với đường kính 10 – 20 cm. Trong quá trình thăng hoa tiếp đó (quá trình hoá băng) trên những nhánh băng này lại phát triển các nhánh băng khác tạo thành  các ngôi sao băng sáu cạnh.

Lượng giọt nước trong một đơn vị không khí thể tích mây không lớn: từ 100 trong 1cm3 ở phần dưới tầng đối lưu đến một vài giọt trong 1cm3 ở phần trên  tầng đối lưu. Số hạt băng trong mây còn nhỏ hơn: khoảng 0,1 hạt trong 1 cm3.

Người ta gọi lượng nước trong mây dưới dạng lỏng và rắn là độ nước của mây. Mặc dù số giọt nước và hạt băng trong đơn vị thể tích của không khí mây đáng kể, song những yếu tố này nhỏ đến mức lượng nước dưới dạng chất lỏng trong mây không lớn lắm. Trong mây gồm những giọt nước, cứ mỗi mét khối không khí mây có khoảng 0,2 – 0,5g nước. Trong mây băng độ nước nhỏ hơn nhiều, chỉ vài phần trăm hay vài phần nghìn gam trong 1 mét khối.

Điều đó cũng dễ hiểu, nếu ta nhớ rằng độ ẩm tuyệt đối của khối khí chỉ vài gam trong 1 mét khối, còn ở những lớp trên cao dưới nhiệt độ thấp, chỉ vài phần mười gam. Khi ngưng kết, không phải toàn bộ mà chỉ một phần hơi nước chứa trong không khí chuyển sang trạng thái lỏng. Vì vậy, độ nước của mây còn nhỏ hơn độ ẩm tuyệt đối của không khí.

3. Bảng phân loại mây quốc tế

Mây trong tầng đối lưu rất đa dạng. Tuy nhiên, có thể xếp chúng vào một số dạng cơ bản.

Bảng phân loại mây đầu tiên được L. Gôravôđôm ở Anh đưa ra vào khoảng hơn 150 năm trước đây vào cuối thế kỷ 19. Từ đó đến nay bảng phân loại này thay đổi nhiều lần nhưng không có thay đổi cơ bản. Trong bảng phân loại mây quốc tế hiện tại, mây chia làm 10 loại chính theo hình dạng bề ngoài.

Trong những loại chính này, người ta còn phân biệt một số biến dạng và những đặc điểm phụ đáng kể; ngoài ra, còn phân biệt những dạng trung gian.

Dưới đây sẽ mô tả tóm tắt những loại mây chính này.

Phân loại mây theo dạng mây và theo tầng.

Tất cả các loại mây vừa kể trên thường gặp ở tầng nằm giữa mực biển và đỉnh tầng đối lưu, qui định chia làm ba tầng. Vì vậy, đối với mỗi loại mây ta có thể chỉ những tầng nào thường gặp. Giới hạn của những tầng này ở những vĩ độ khác nhau cũng khác nhau.

Tầng trên cùng  của mây ở miền cực trung bình tới độ cao khoảng từ 3 đến 8km, ở miền ôn đới từ 5 đến 13 km và ở miền nhiệt đới từ 6 đến 18 km. Tầng mây giữa ở miền cực từ 2 đến 4 km, ở miền ôn đới từ 2 đến 7 km và ở miền nhiệt đới từ 2 đến 8 km. Tầng mây dưới cùng ở mọi vĩ độ – từ mặt đất đến độ cao 2 km.

Trong 10 loại mây kể trên, thì 3 loại đầu là mây ti, mây ti tích và mây ti tầng thường gặp ở tầng trên; mây cao tích ở giữa, mây vũ tằng và mây tằng ở tầng dưới.

Mây cao tằng thường phân bố ở tầng giữa nhưng cũng thường lan tới những tầng trên.

Chân (bề mặt phía dưới) của mây tích và mây vũ tích thường thấy ở tầng dưới cùng nhưng đỉnh của chúng thường lan tới tầng giữa và đôi khi đến tầng trên.

4. Mô tả những loại mây chính

Khi mô tả, ngoài dạng bên ngoài của mây, ta sẽ xét sơ lược cả cấu trúc vĩ mô của chúng.

Mây ti (Ci), mây ti tích (Cc), mây ti tằng (Cs) của tầng trên cùng là những mây cao nhất của tầng đối lưu. Chúng thường thấy ở nhiệt độ thấp nhất, và cấu tạo bởi những hạt băng. Bề ngoài, những đám mây của ba dạng này đều có màu trắng nửa trong suốt và ít che ánh sáng mặt trời.

Sự khác nhau giữa ba dạng mây chính này như sau: mây ti có dạng là những sợi, những dãy hay những giải dạng tơ biệt lập.

Mây ti tích (Cc) là những dãy hay những lớp mây có cấu trúc gồm nhiều nắm nhỏ, cầu nhỏ, những nếp cuộn xoắn (như lông cừu). Thường những đám mây ti tích giống như gợn sóng trên mặt nước hay mặt cát.

Tên 10  loại chính của mây

Mây ti tằng Cs là những màn mỏng trong suốt trắng đục, che khuất một phần hay toàn bộ bầu trời. Đôi khi chúng cũng có cấu trúc dạng tơ. Những đám mây dạng này thường gây nên hiện tượng quang học được gọi là quầng, đó là những vòm sáng pha màu bao quanh đĩa mặt trời hay mặt trăng với bán kính 22 và 46o hay đó là nhiều tập hợp khác nhau của các cung sáng.

Những hiện tượng này xảy ra do quá trình khúc xạ của tia sáng trong hạt băng và quá trình phản hồi từ các bề mặt của chúng gây nên.

Mây cao tích (Ac) ở tầng giữa là những lớp hay dãy mây màu trắng hay xám (hay vừa trắng vừa xám). Những đám mây này tương đối mỏng, tuy vậy vẫn che khuất Mặt Trời ít nhiều.

Những lớp hay là những dải mây này gồm những luống mây, những tấm tròn, những bản phẳng thường sắp xếp thành dãy. Chiều rộng của các phần mây này trong bầu trời khoảng 1 và 5o.

Mây cao tích rất đa dạng. Hiện tượng quang học đặc trưng cho chúng là những vòng tròn màu có bán kính không lớn lắm (chừng vài độ) bao quanh Mặt Trời hay Mặt Trăng. Tán có liên quan với hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng do các giọt nước trong mây. ở những đám mây này cũng thường thấy sắc cầu vồng: những cạnh của mây nằm phía trước Mặt Trời có thể có màu của cầu vồng. Sắc cầu vồng cũng chỉ cho thấy rằng mây cao tích cấu tạo bởi cùng những giọt nước  nhỏ. Dưới nhiệt độ thấp, những giọt nước này trở nên quá lạnh.

Mây cao tằng (As) cơ bản cũng thuộc tầng giữa tuy nhiên mây cũng có thể lan đến tầng trên. Độ dày của chúng tới hàng mấy km, bề ngoài chúng có dạng là những lớp mây màu sáng, màu sữa xám che một phần hay toàn bộ bầu trời. Qua từng phần của lớp mây có thể nhìn thấy Mặt Trời hay Mặt Trăng nhưng dưới dạng những điểm như nhìn qua kính mờ.

Mây cao tằng là những đám mây hỗn hợp điển hình: ngoài những giọt nước trong mây còn có những hạt tuyết nhỏ. Vì vậy, những đám mây này thường cho giáng thuỷ. Nhưng giáng thuỷ này yếu và vào mùa nóng chúng thường bốc hơi trên đường tới mặt đất. Mùa đông, mây cao tằng thường cho tuyết nhỏ.

Mây vũ tằng (Ns) có nguồn gốc chung với mây cao tằng. Nhưng mây này có độ dày lớn hơn, chiều dày của chúng khoảng vài km, bắt đầu từ tầng dưới song cũng lan đến tầng giữa và thường tới cả tầng trên. Phần trên của mây có cấu tạo giống như mây cao tầng còn ở phần dưới có thể có những giọt nước lớn và những hạt tuyết.

Vì vậy, mây vũ tằng có màu xám hơn, điểm sáng không thể chiếu qua nó được. Mây này thường cho mưa phùn hay tuyết tới mặt đất.

Dưới những lớp mây vũ tằng thường có những tập hợp mây thấp bị xé nhỏ không có hình dạng đặc biệt, tối sẫm trên nền những đám mây này.

Mây tằng tích ở tầng dưới là những dãy hay những lớp màu xám hay trắng đục, hầu như bao giờ cũng có những phần tối. Những mây này cũng cấu tạo bởi những phần tử như trong mây cao tích, đó là những mảnh tròn, cuộn, khối tròn, nhưng có dạng lớn hơn với bề rộng biểu kiến hơn 5o.

Những phần tử cấu trúc này phần lớn thường có sắp xếp thành những dãy. Đa số mây tằng tích cấu tạo bởi những giọt nhỏ đồng nhất ở nhiệt độ âm – những giọt nước quá lạnh và không cho giáng thuỷ. Có khi mây tằng tích cho sương giá nhỏ hay tuyết nhỏ (dưới nhiệt độ thấp).

Mây tằng (Sb) cũng phát triển ở tầng dưới. Đó là mây ở gần mặt đất nhất; ở vùng đồng bằng, chúng có thể chỉ cách mặt đất vài chục mét. Đó là lớp mây đồng nhất màu xám có cấu trúc giọt và cho mưa phùn. Nhưng ở nhiệt độ âm tương đối thấp, trong mây có thể xuất hiện cả những phần tử rắn, khi đó mây có thể cho những tinh thể băng hình kim, tuyết nhỏ, tuyết hạt. Mây này không gây nên hiện tượng quầng; qua mây hình dáng mặt trời hiện ra rất rõ.

Đôi khi mây tằng có dạng những mảnh bị xé nhỏ; khi đó người ta gọi chúng là mảnh mây tằng.

Mây tích (Cu): đó là những đám mây riêng biệt ở tầng dưới và tầng giữa, thông thường dày đặc và với đường viền rõ nét, phát triển theo chiều thẳng đứng dưới dạng những quả đồi, vòm, tháp. Chúng có dạng như phần trên của chiếc bắp cải, dưới ánh mặt trời, chúng có màu trắng sáng, chân mây hơi tối, ít nhiều có dạng phẳng.

Khi nằm đối diện với Mặt Trời, mây có vẻ tối với những đường viền rõ nét. Mây này thường bị chia cắt nhiều đến mức tạo thành những dãy. Đôi khi mây tích có phần ngoài rìa bị xé nhỏ gọi là những mảnh mây tích (Cufra).

Mây tích hoàn toàn cấu tạo bởi những giọt nước và thông thường không cho giáng thuỷ.

Tuy nhiên, ở vùng nhiệt đới, độ nước của mây lớn do kết quả của sự kết hợp tương hỗ giữa các giọt nước, mây tích cũng có thể cho mưa nhỏ.

Mây vũ tích (Cb) là giai đoạn phát triển kế tiếp của mây tích. Chúng là những khối mây tích dày phát triển mạnh theo chiều thẳng đứng dưới dạng núi hay tháp, thường phát triển từ tầng dưới cùng cho đến tận tầng trên cùng. Khi che khuất Mặt Trời, mây vũ tích có dạng tối và giảm độ chiếu sáng rất nhiều.

Đỉnh của chúng phẳng và có cấu trúc dạng sợi như mây tích, nhiều khi có dạng đặc trưng hình đe. Phần trên cùng của mây vũ tích cấu tạo bởi những hạt băng, những giọt nước có kích thước khác nhau và những giọt lớn nhất.

Mây này cho giáng thuỷ rào rất lớn đôi khi kèm theo mưa đá, mùa đông cho tuyết rất dày và tuyết bông (tiếp theo sẽ xét kỹ hơn). Vì vậy, người ta còn gọi mây tích là mây dông. Trên nền của mây tích nhiều khi thấy hiện tượng cầu vồng. Dưới chân của mây tích cũng như của mây vũ tích, thường thấy những mảnh mây (loại mảnh mây tằng hay mảnh mây tích).

(Tài liệu tham khảo: Trần Công Minh, Giáo trình Khí hậu và khí tượng đại cương)