Gió hình thành từ chênh lệch áp suất như thế nào?

Tuy nhiên, không nên hiểu rằng mọi luồng gió đều chạy theo một đường thẳng từ áp cao sang áp thấp. Độ chênh áp quyết định lực thúc đẩy ban đầu, còn lực Coriolis do Trái Đất tự quay và ma sát gần bề mặt làm thay đổi hướng cũng như tốc độ chuyển động thực tế của không khí.

Áp suất khí quyển tạo điều kiện hình thành gió

Áp suất khí quyển là lực do khối lượng không khí phía trên tác dụng lên một đơn vị diện tích. Khi lượng không khí phân bố không đều giữa các khu vực, áp suất tại các nơi đó cũng khác nhau. Vùng có áp suất cao và vùng có áp suất thấp vì thế tạo thành một trường chênh lệch áp suất trong khí quyển.

Chênh lệch này thường liên quan đến sự nóng lên và lạnh đi không đồng đều của bề mặt Trái Đất. Không khí ấm có xu hướng nở ra và bốc lên, góp phần làm giảm áp suất ở gần mặt đất; không khí lạnh có xu hướng chìm xuống, góp phần tạo áp suất cao hơn. Vì vậy, sự khác biệt nhiệt độ có thể gián tiếp tạo ra những vùng áp cao và áp thấp, từ đó hình thành chuyển động không khí.

Điểm quan trọng là nhiệt độ không trực tiếp “đẩy” không khí thành gió theo nghĩa đơn giản. Chuỗi cơ chế là: chênh lệch nhiệt → thay đổi phân bố và chuyển động của không khí → hình thành chênh lệch áp suất → lực gradient khí áp thúc đẩy không khí chuyển động.

Lực gradient khí áp đẩy không khí từ áp cao về áp thấp

Khi áp suất không giống nhau giữa hai khu vực, khí quyển xuất hiện lực gradient khí áp. Lực này có hướng từ vùng áp suất cao về vùng áp suất thấp và là lực cơ bản khởi động chuyển động ngang của không khí.

Có thể hình dung đơn giản bằng một quả bóng được bơm căng. Không khí bên trong có áp suất cao hơn môi trường bên ngoài. Khi mở đường thoát, không khí nhanh chóng di chuyển ra ngoài để làm giảm chênh lệch áp suất. Trong khí quyển, nguyên lý cân bằng chênh lệch áp suất cũng diễn ra trên quy mô rất lớn.

Điều này giải thích vì sao nói gió hình thành do sự chênh lệch áp suất, chứ không phải vì bản thân “áp cao” hay “áp thấp” tự tạo ra một luồng gió riêng biệt.

Chênh lệch áp suất càng lớn thì gió càng mạnh

Không chỉ sự tồn tại của áp cao và áp thấp quan trọng; mức độ thay đổi áp suất trên một khoảng cách mới quyết định độ mạnh của lực gradient khí áp.

Nếu áp suất thay đổi rất nhanh trong một khoảng cách ngắn, gradient khí áp lớn và không khí được gia tốc mạnh hơn. Ngược lại, nếu áp suất thay đổi từ từ trên một khoảng cách lớn, lực thúc đẩy yếu hơn và gió thường nhẹ hơn. NOAA và Met Office đều mô tả mối liên hệ này qua gradient áp suất và khoảng cách giữa các vùng áp suất.

Trên bản đồ thời tiết, gradient này thường được nhận biết thông qua các đường đẳng áp. Những đường đẳng áp nằm gần nhau biểu thị áp suất thay đổi nhanh theo khoảng cách và thường gắn với gió mạnh hơn; các đường nằm xa nhau biểu thị gradient yếu hơn và thường đi kèm gió nhẹ hơn.

Vì vậy, không thể chỉ nhìn thấy một vùng áp thấp rồi kết luận rằng ở đó chắc chắn có gió rất mạnh. Cần xem cả độ chênh áp và khoảng cách mà áp suất thay đổi.

Vì sao gió không thổi thẳng từ áp cao đến áp thấp?

Nếu chỉ có lực gradient khí áp tác động, không khí sẽ chuyển động trực tiếp từ áp cao về áp thấp. Nhưng trong khí quyển thực, Trái Đất đang tự quay nên chuyển động của không khí chịu ảnh hưởng của lực Coriolis.

Lực Coriolis làm luồng khí đang chuyển động bị lệch:

·         Ở Bắc bán cầu, không khí bị lệch về bên phải so với hướng chuyển động

·         Ở Nam bán cầu, không khí bị lệch về bên trái so với hướng chuyển động

Do đó, gió thực tế thường không đi theo đường thẳng nối áp cao với áp thấp. Chuyển động quanh các hệ thống áp suất có thể tạo thành những đường cong hoặc dạng xoáy. Ở Bắc bán cầu, gió có xu hướng xoáy theo chiều kim đồng hồ quanh áp cao và ngược chiều kim đồng hồ quanh áp thấp; ở Nam bán cầu thì chiều xoáy ngược lại.

Gần mặt đất còn có ma sát với địa hình, cây cối, công trình và bề mặt đất. Vì vậy, hướng và tốc độ gió quan sát được tại một địa điểm có thể khác đáng kể so với chuyển động lý tưởng của không khí ở độ cao lớn.

Từ chênh lệch áp suất đến gió thực tế diễn ra theo chuỗi nào?

Có thể tóm tắt sự hình thành gió thành một chuỗi nguyên nhân rõ ràng:

Bề mặt Trái Đất nhận nhiệt không đều

→ nhiệt độ không khí khác nhau giữa các khu vực

→ không khí nóng lên, lạnh đi và phân bố lại

→ xuất hiện vùng áp suất tương đối cao và thấp

→ hình thành gradient khí áp

→ lực gradient khí áp làm không khí chuyển động

→ Trái Đất tự quay làm hướng chuyển động bị lệch

→ ma sát và địa hình tiếp tục điều chỉnh tốc độ, hướng gió gần mặt đất.

Trên quy mô toàn cầu, sự chênh lệch bức xạ Mặt Trời giữa vùng xích đạo và vùng cực góp phần tạo ra các vùng nhiệt và áp suất khác nhau. Những chênh lệch này duy trì các hệ thống hoàn lưu khí quyển và các kiểu gió quy mô lớn.

Ở quy mô nhỏ hơn, cùng nguyên lý có thể tạo ra các hiện tượng như gió biển – gió đất hoặc các luồng gió địa phương, khi sự nóng lên và lạnh đi khác nhau giữa các bề mặt làm thay đổi phân bố áp suất.

Vì vậy, sự hình thành gió bắt đầu từ sự chênh lệch áp suất khí quyển. Lực gradient khí áp là cơ chế trực tiếp thúc đẩy không khí từ vùng áp cao về vùng áp thấp; gradient càng lớn thì lực thúc đẩy càng mạnh. Tuy nhiên, hướng gió thực tế còn chịu tác động của lực Coriolis, ma sát và địa hình. Hiểu được chuỗi nhiệt độ → áp suất → gradient khí áp → chuyển động không khí giúp giải thích vì sao gió xuất hiện, vì sao gió có cường độ khác nhau và vì sao hướng gió không đơn giản là một đường thẳng từ áp cao đến áp thấp.