Mưa hình thành khi những điều kiện nào được đáp ứng?

Điều kiện đầu tiên là phải có đủ hơi nước trong khí quyển

Nước trên bề mặt Trái Đất liên tục chuyển thành hơi nước thông qua bay hơi; thực vật cũng bổ sung hơi nước vào khí quyển thông qua thoát hơi nước. Hơi nước sau đó được các dòng khí vận chuyển và phân bố trong khí quyển. Đây là nguồn nguyên liệu ban đầu cho quá trình hình thành mây và mưa.

Tuy nhiên, có hơi nước chưa đồng nghĩa với có mưa. Hơi nước phải đạt điều kiện thích hợp để chuyển từ trạng thái khí sang các giọt nước hoặc tinh thể băng. Vì vậy, lượng ẩm trong không khí là điều kiện cần, nhưng chưa đủ để tạo ra mưa.

Một yếu tố quan trọng là quá trình nâng không khí. Khi một khối không khí ẩm đi lên cao, nó giãn nở trong môi trường có áp suất thấp hơn và lạnh đi. Nếu tiếp tục lạnh đến điểm bão hòa, hơi nước bắt đầu ngưng tụ. NOAA cho biết sự nâng lên của không khí là một trong những cách phổ biến khiến không khí đạt trạng thái bão hòa và hình thành mây.

Không khí phải đủ lạnh và đạt trạng thái bão hòa để hơi nước ngưng tụ

Ngưng tụ là bước chuyển từ hơi nước sang nước lỏng hoặc băng. Khi không khí đạt trạng thái bão hòa, hơi nước có thể ngưng tụ trên những hạt cực nhỏ tồn tại trong khí quyển, gọi là hạt nhân ngưng tụ mây. Chúng có thể là bụi, muối biển, khói hoặc các hạt khác trong không khí.

Điều này giải thích vì sao sự hình thành mưa thường gắn với sự hình thành và phát triển của mây. Các giọt nước ban đầu rất nhỏ, nên chưa thể rơi xuống đất như những hạt mưa thông thường. USGS lưu ý rằng phần lớn các giọt nước trong mây có tốc độ rơi không đủ lớn để thắng dòng khí nâng chúng lên.

Có thể hình dung quá trình theo chuỗi:

Không khí ẩm → Không khí được nâng lên → Nhiệt độ giảm → Đạt bão hòa → Hơi nước ngưng tụ → Hình thành giọt mây

Đây mới là giai đoạn tạo ra mây. Để thực sự có mưa, các giọt mây còn phải trải qua một giai đoạn quan trọng hơn: tăng kích thước.

Các giọt nước trong mây phải phát triển đủ lớn để tạo thành hạt mưa

Giọt mây nhỏ không tự động biến thành hạt mưa. Chúng phải tiếp tục lớn lên nhờ các quá trình vật lý trong mây.

Một cơ chế quan trọng là va chạm và hợp nhất. Những giọt có kích thước khác nhau rơi với tốc độ khác nhau. Giọt lớn hơn thường chuyển động nhanh hơn, va chạm với các giọt nhỏ và hợp nhất thành giọt lớn hơn. Quá trình này tiếp diễn khiến một số giọt phát triển nhanh hơn phần còn lại. NOAA gọi đây là quá trình collision–coalescence, hay quá trình mưa ấm.

Ở những đám mây lạnh, sự phát triển của hạt giáng thủy còn có thể liên quan đến tinh thể băng. Hơi nước có thể lắng đọng lên tinh thể băng, làm chúng phát triển trong khi các giọt nước xung quanh bị suy giảm. Khi các hạt băng rơi xuống những lớp không khí ấm hơn, chúng có thể tan chảy và trở thành mưa. USGS mô tả cơ chế này là quá trình Bergeron–Findeisen.

Vì vậy, sự hình thành mưa không chỉ phụ thuộc vào việc “có mây”, mà còn phụ thuộc vào việc bên trong mây có cơ chế đủ hiệu quả để biến những hạt nước hoặc băng rất nhỏ thành các hạt đủ lớn hay không.

Hạt nước phải đủ lớn để thắng dòng khí nâng và rơi xuống

Đây là điều kiện quyết định để nước thực sự trở thành mưa.

Trong một đám mây, các giọt nước nhỏ có thể được giữ lơ lửng bởi chuyển động của không khí. Khi một giọt tiếp tục phát triển, vận tốc rơi của nó tăng lên. Đến một thời điểm, lực khiến giọt rơi xuống đủ lớn để nó không còn bị dòng khí nâng giữ lại. Khi đó, giọt bắt đầu rời khỏi đáy mây và rơi xuống dưới dạng giáng thủy.

USGS nhấn mạnh rằng để tạo ra một giọt mưa có kích thước đủ lớn, cần có quá trình phát triển đáng kể từ những giọt mây ban đầu; trong cơ chế va chạm và hợp nhất, hàng triệu giọt mây có thể liên quan đến việc tạo nên một hạt mưa.

Khi hạt nước tiếp tục rơi qua khí quyển, nhiệt độ và cấu trúc của các lớp không khí mà nó đi qua cũng ảnh hưởng đến trạng thái cuối cùng. Nếu hạt vẫn ở dạng lỏng khi chạm mặt đất, ta quan sát thấy mưa; nếu điều kiện nhiệt độ khác đi, nước có thể rơi dưới các dạng giáng thủy khác như tuyết, mưa đá hoặc mưa đông lạnh.

Do đó, một đám mây chưa chắc tạo ra mưa. Mây chỉ cung cấp môi trường chứa nước ngưng tụ; để có mưa, các hạt nước hoặc băng phải tiếp tục phát triển đủ lớn và vượt qua khả năng nâng đỡ của dòng khí.

Những điều kiện nào cần đồng thời đáp ứng để có mưa?

Có thể cô đọng sự hình thành mưa thành một chuỗi điều kiện liên tiếp:

1.    Có nguồn ẩm: Khí quyển phải chứa đủ hơi nước để cung cấp vật chất cho quá trình ngưng tụ

2.    Không khí đạt trạng thái bão hòa: Thường xảy ra khi không khí ẩm được nâng lên và lạnh đi đến mức thích hợp

3.    Có hạt nhân ngưng tụ: Hơi nước cần các hạt nhỏ trong khí quyển làm bề mặt để ngưng tụ thành giọt mây

4.    Mây tiếp tục phát triển: Các giọt nước hoặc tinh thể băng phải có điều kiện để tăng kích thước

5.    Hạt giáng thủy đủ lớn: Hạt nước phải đạt tốc độ rơi đủ để vượt dòng khí nâng trong mây

6.    Điều kiện nhiệt độ trên đường rơi phù hợp: Đối với mưa, hạt cuối cùng phải đến mặt đất ở trạng thái lỏng

Chuỗi này cho thấy sự hình thành mưa là kết quả của nhiều điều kiện liên kết với nhau, chứ không phải một hiện tượng xảy ra ngay khi hơi nước ngưng tụ.

Một hiểu nhầm phổ biến là “thấy mây đen thì chắc chắn sẽ mưa”. Thực tế, mây có thể chứa rất nhiều nước nhưng các hạt vẫn quá nhỏ để rơi xuống. Mưa chỉ xuất hiện khi quá trình phát triển hạt trong mây đủ mạnh để tạo ra các hạt có khả năng rơi xuống mặt đất.

Sự hình thành mưa có thể hiểu theo trình tự hơi nước → bão hòa → ngưng tụ → hình thành mây → phát triển giọt nước hoặc tinh thể băng → hạt đủ lớn → rơi xuống. Trong đó, nguồn ẩm và điều kiện bão hòa tạo nền tảng; ngưng tụ tạo ra các hạt mây; còn quá trình va chạm, hợp nhất hoặc phát triển tinh thể băng giúp các hạt đạt kích thước cần thiết để trở thành giáng thủy.