Mây hình thành từ hơi nước trong khí quyển thế nào?

Mây hình thành khi không khí ẩm đạt trạng thái bão hòa

Ở một nhiệt độ nhất định, nước lỏng và hơi nước có thể đạt trạng thái cân bằng. Khi một khối không khí ẩm nguội đi mà lượng hơi nước chưa thay đổi nhiều, áp suất hơi bão hòa giảm và độ ẩm tương đối tăng. Đến điểm sương, không khí đạt trạng thái bão hòa; khi tiếp tục làm lạnh hoặc được bổ sung thêm hơi nước, ngưng tụ có thể chiếm ưu thế so với bay hơi. NOAA mô tả điểm bão hòa này là điều kiện nhiệt độ cần thiết để hơi nước ngưng tụ trên các hạt nhân ngưng tụ và tạo giọt mây.

Vì thế, nhiều hơi nước chưa chắc tạo ra mây. Một khối khí ấm có thể chứa khá nhiều hơi nước nhưng vẫn chưa bão hòa. Ngược lại, cùng lượng hơi nước đó, chỉ cần nhiệt độ giảm đủ thấp thì khối khí có thể đạt điểm sương và bắt đầu tạo các hạt mây. Điều quyết định không chỉ là “có bao nhiêu nước trong không khí”, mà còn là mối quan hệ giữa lượng hơi nước và nhiệt độ.

Không khí đi lên, giãn nở và nguội đi

Trong khí quyển, chuyển động đi lên là một cơ chế làm lạnh đặc biệt hiệu quả. Áp suất giảm theo độ cao, nên một khối khí đi lên sẽ giãn nở và thực hiện công lên môi trường xung quanh. Nếu quá trình diễn ra đủ nhanh để trao đổi nhiệt với môi trường là nhỏ, nội năng của khối khí giảm và nhiệt độ hạ xuống; đó là làm lạnh đoạn nhiệt. UCAR mô tả cùng chuỗi này: không khí đi lên, áp suất giảm, khối khí giãn nở và nguội, rồi hơi nước bắt đầu ngưng tụ khi nhiệt độ đủ thấp.

Trước khi khối khí bão hòa, tốc độ giảm nhiệt lý tưởng của không khí chưa bão hòa xấp xỉ 9,8°C cho mỗi kilomet tăng độ cao. NOAA gọi đây là suất giảm nhiệt đoạn nhiệt khô. Khi ngưng tụ bắt đầu, nhiệt ẩn được giải phóng nên khối khí không còn nguội theo đúng mức 9,8°C/km; tốc độ giảm nhiệt sau bão hòa nhỏ hơn và thay đổi theo nhiệt độ, áp suất và lượng ẩm. Vì vậy, con số 9,8°C/km chỉ mô tả giai đoạn chưa bão hòa, không phải toàn bộ phần không khí nằm trong mây.

Hạt nhân ngưng tụ giúp giọt mây xuất hiện

Các phân tử nước không dễ tự tập hợp thành giọt ổn định trong không khí hoàn toàn sạch. Khí quyển thực tế chứa nhiều aerosol rất nhỏ như muối biển, bụi đất và khói. Những hạt có thể làm bề mặt cho hơi nước ngưng tụ được gọi là hạt nhân ngưng tụ mây hay CCN.

Khi không khí tiến tới bão hòa, phân tử nước bám lên các hạt hút ẩm và lớp nước quanh chúng phát triển thành giọt mây. NOAA mô tả CCN là các hạt nhỏ cỡ micromet làm bề mặt cho sự ngưng tụ; các hạt này nhỏ hơn nhiều so với giọt mây hình thành quanh chúng. NASA cũng lưu ý rằng trong khí quyển thực, aerosol có vai trò thiết yếu vì chúng cho phép giọt mây hình thành gần trạng thái bão hòa thay vì đòi hỏi mức quá bão hòa rất lớn như trong không khí sạch lý tưởng.

Do đó, một đám mây không phải một khối nước liên tục. Nó gồm số lượng rất lớn các giọt và hạt băng riêng lẻ, liên tục nhận thêm hoặc mất bớt phân tử nước tùy điều kiện xung quanh. Nồng độ và tính chất aerosol có thể làm thay đổi số lượng và kích thước giọt, nhưng mắt xích bắt buộc của cơ chế vẫn là hơi nước chuyển pha trên các hạt nhân phù hợp.

Từ giọt nước và tinh thể băng đến đám mây nhìn thấy

Khi hơi nước ngưng tụ, nó tạo ra các giọt nước rất nhỏ. Ở những vùng lạnh hơn, mây có thể chứa tinh thể băng hoặc đồng thời có nước lỏng và băng. NASA mô tả mây theo đúng bản chất này: tập hợp các giọt nước, hạt băng hoặc cả hai; bản thân hơi nước vẫn là khí vô hình. Khi số lượng các hạt mây đủ lớn, chúng tán xạ ánh sáng và tạo nên phần mây mà chúng ta nhìn thấy.

Pha rắn không xuất hiện đơn giản ngay khi nhiệt độ xuống dưới 0°C. Các giọt nước siêu lạnh có thể tồn tại dưới điểm đóng băng nếu chưa có hạt nhân băng thích hợp; trong những điều kiện khác, hơi nước có thể lắng đọng trực tiếp thành tinh thể băng. Vì thế, một đám mây lạnh có thể gồm nước lỏng siêu lạnh, băng hoặc hỗn hợp hai pha chứ không nhất thiết chỉ có băng.

Đến đây đã hình thành mây, nhưng chưa đồng nghĩa sẽ có mưa. Các giọt mây ban đầu rất nhỏ và có thể được chuyển động không khí giữ lơ lửng. Việc chúng lớn lên thành hạt mưa, tuyết hoặc dạng giáng thủy khác là giai đoạn vi vật lý tiếp theo, không phải điều kiện bắt buộc để một đám mây xuất hiện.

Độ ẩm và chuyển động không khí cùng quyết định nơi mây xuất hiện

Không khí có thể đạt bão hòa bằng nhiều con đường, nhưng làm lạnh do nâng lên là cơ chế rất thường gặp. Mặt đất nóng lên tạo đối lưu; địa hình buộc gió đi lên sườn núi; tại front, không khí ấm bị nâng trên khối khí lạnh; ở vùng áp thấp, hội tụ gần mặt đất cũng có thể đẩy không khí lên cao. Dù nguyên nhân nâng khác nhau, kết quả nhiệt động lực học giống nhau: áp suất giảm, khối khí giãn nở, nhiệt độ hạ và khả năng đạt điểm sương tăng.

Bão hòa cũng có thể đạt được nếu một vùng không khí nhận thêm đủ hơi nước mà nhiệt độ không tăng tương ứng. NASA nêu hai con đường tổng quát: làm lạnh không khí tới mức hơi nước chuyển pha, hoặc tăng lượng hơi nước cho tới khi điều kiện ngưng tụ hay lắng đọng được đáp ứng. Trong khí quyển tự nhiên, hai quá trình này thường diễn ra cùng với vận chuyển và trộn khí, nên vị trí hình thành mây phụ thuộc đồng thời vào nguồn ẩm và trường chuyển động.

Bởi vậy, độ ẩm tương đối tại mặt đất không đủ để cho biết chắc nơi nào sẽ có mây. Chênh lệch giữa nhiệt độ và điểm sương cho biết khối khí còn phải nguội bao nhiêu để đạt bão hòa, còn chuyển động thẳng đứng quyết định khối khí có được đưa tới mức lạnh đó hay không. Một lớp khí ẩm đang hạ xuống và ấm lên có thể làm mây tan, trong khi một lớp khí ít ẩm hơn nhưng được nâng đủ cao vẫn có thể đạt bão hòa.

Mây phát triển khi ngưng tụ thắng bay hơi và tan khi điều kiện đảo ngược

Rìa một đám mây là vùng chuyển tiếp liên tục. Giọt mây vẫn bay hơi trong khi các giọt khác đang nhận thêm hơi nước. Nếu không khí tiếp tục đi lên và nguội, hoặc tiếp tục được cấp ẩm, ngưng tụ có thể vượt bay hơi và lượng nước ngưng tụ trong mây tăng. Khi không khí hạ xuống, bị nén và ấm lên, hoặc không khí khô trộn vào, độ ẩm tương đối giảm; bay hơi tăng và mây mỏng dần.

NOAA mô tả mây theo đúng cân bằng động này: mây hình thành và phát triển khi lượng hơi nước ngưng tụ trên các hạt nhân lớn hơn lượng nước bay hơi khỏi giọt; mây tiêu tán khi chiều ngược lại chiếm ưu thế. Vì các quá trình đó diễn ra liên tục, đường biên và hình dạng mây có thể thay đổi nhanh dù từ xa đám mây trông như một vật thể có ranh giới rõ.

Sự hình thành mây từ hơi nước là kết quả của một chuỗi vật lý liên kết. Không khí có hơi ẩm phải đạt bão hòa, phổ biến nhất nhờ được nâng lên, giãn nở và làm lạnh tới điểm sương. Hơi nước sau đó ngưng tụ trên các hạt nhân ngưng tụ để tạo giọt nước, hoặc tạo tinh thể băng trong điều kiện thích hợp. Khi các hạt mây tích tụ đủ nhiều, chúng tạo thành đám mây nhìn thấy; mây tiếp tục phát triển nếu ngưng tụ chiếm ưu thế và tan đi khi bay hơi trở lại mạnh hơn.