Tại sao gió lại thổi thành từng cơn giật thay vì thổi đều đặn?

Khi đứng ngoài trời vào một ngày lộng gió, cảm giác quen thuộc ập đến với bất kỳ ai không phải là một lực đẩy êm ả và đồng đều.

Đó luôn là một cú xô bất ngờ làm tốc vạt áo, tiếp nối bởi một khoảng lặng kéo dài khiến người ta ngỡ như gió đã ngừng hẳn, rồi lại bất thình lình quăng quật bằng một đợt gió rít mới. Hiện tượng này trái ngược hoàn toàn với bản chất ban đầu của gió trên quy mô khí quyển hành tinh.

Theo Cơ quan Khí quyển và Đại dương quốc gia Mỹ (NOAA), gió vốn hình thành do sự chênh lệch áp suất giữa các khối khí trải rộng hàng trăm kilômét và biến chuyển chậm rãi qua nhiều giờ đồng hồ.

Nguồn dẫn động của tự nhiên diễn ra vô cùng kiên nhẫn và êm đềm, nhưng kết quả chạm tới mặt đất lại đứt quãng và giật cục. Điều bí ẩn này xảy ra hoàn toàn bên trong tầng biên khí quyển - lớp không khí dày khoảng một kilômét tính từ mặt đất trở lên.

Thực tế, khái niệm gió giật không phải là một hiện tượng tự nhiên có đường biên ranh giới rõ ràng như một hạt mưa, mà phụ thuộc vào các quy chuẩn đo lường. Cơ quan Thời tiết quốc gia Mỹ (NWS) định nghĩa gió giật là sự biến động tốc độ nhanh chóng với độ chênh lệch từ 10 knot (khoảng 18,5 km/h) trở lên giữa đỉnh gió và khoảng lặng.

Trong khi đó, Tổ chức Khí tượng thế giới (WMO) lại căn cứ vào mức gió trung bình 3 giây cao nhất trong một khung thời gian 10 phút. Con số 3 giây này xuất phát từ giới hạn cơ học của những chiếc máy đo gió dạng cốc quay từ thập niên 1950, vốn cần khoảng thời gian đó mới có thể bắt kịp tốc độ luồng khí.

Nếu cú xô đẩy của gió chỉ diễn ra trong vài giây rồi biến mất, nó được coi là một cơn gió giật; nhưng nếu vận tốc tăng vọt ít nhất 16 knot và duy trì trên ngưỡng 22 knot suốt một phút trọn vẹn, NWS sẽ phân loại đó là một cơn dông tố.

Nguyên nhân cốt lõi khiến gió không thể thổi đều đặn nằm ở lực ma sát bề mặt bên trong tầng biên khí quyển. Theo giáo trình khoa học khí quyển của Đại học bang Pennsylvania, đây là vùng không khí phản ứng với bề mặt địa hình trong vòng chưa đầy một giờ đồng hồ.

Trên cao, không khí lướt đi êm ả, nhưng khi chạm tới mặt đất, lực cản từ cây cỏ, đồi núi và các công trình nhân tạo sẽ kìm hãm dòng chảy. Lực hãm này chỉ tác động mạnh nhất lên lớp không khí sát mặt đất; càng lên cao, ảnh hưởng của lực cản càng giảm dần, hình thành nên hiện tượng gọi là biên dạng gió logarit.

Nghiên cứu của giáo sư Chris Bretherton tại Đại học Washington và tài liệu của tác giả Roland Stull chỉ ra rằng trên một đồng cỏ thoáng đãng, tốc độ gió ở độ cao 100 mét có thể đạt tới 23 dặm/giờ, nhanh gần gấp đôi so với mức 12 dặm/giờ ghi nhận ở tầm ngang đầu người.

Chính sự chênh lệch vận tốc giữa các lớp khí nằm cạnh nhau đã làm uốn cong dòng chảy, biến lực ma sát thành nguồn gốc sản sinh ra các vòng xoáy cuộn tròn. Một vòng xoáy hoạt động như một cỗ máy hoán đổi không khí liên tục: một bên bốc lên cao và một bên trút xuống thấp.

Nhánh không khí trút xuống sẽ mang theo khối khí tốc độ cao từ trên cao - nơi chưa hề bị mặt đất làm chậm - ném thẳng xuống đầu người đi đường. Ngược lại, nhánh bốc lên sẽ nâng lớp không khí tù đọng sát mặt đất lên cao, tạo ra những khoảng lặng ngắn ngủi.

Do đó, một cơn gió giật thực chất là luồng gió mượn từ trên tầng cao, rơi xuống đúng khoảnh khắc chúng ta bước qua.

Các vòng xoáy khí quyển này không tồn tại đơn lẻ mà vỡ vụn thành vô số quy mô khác nhau. Nhà khoa học Lewis Fry Richardson từ năm 1922 đã đúc kết hiện tượng truyền động lượng này: các vòng xoáy khổng lồ rộng hàng kilômét liên tục vỡ thành các vòng xoáy nhỏ hơn, cho đến khi bị độ nhớt của không khí hấp thụ hoàn toàn và chuyển hóa thành nhiệt.

Mức độ gồ ghề của địa hình quyết định trực tiếp cường độ gió giật. Một khu vực ngoại ô với nhiều nhà cửa và cây cối sẽ có độ nhám bề mặt lớn hơn nhiều so với một mặt hồ phẳng lặng, khiến tốc độ gió trung bình thấp hơn nhưng các cú xô đẩy lại dữ dội hơn hẳn.

Nhiệt lượng mặt trời cũng đóng vai trò quyết định chu kỳ gió giật trong ngày. Theo các chuyên gia tại Đại học Wisconsin, ánh nắng hun nóng mặt đất vào buổi chiều tạo ra các cột khí nhiệt đối lưu bốc lên dữ dội, xáo trộn tầng biên và đưa luồng khí chuyển động nhanh từ trên cao xuống sát bề mặt.

Khi màn đêm buông xuống, mặt đất nguội nhanh tạo nên lớp nghịch nhiệt ngăn chặn quá trình xáo trộn; mặt đất trở nên tĩnh lặng trong khi gió trên cao được giải phóng khỏi lực cản, hình thành nên dòng tia ban đêm chảy cuồn cuộn trên mái nhà.

Sức tàn phá của những cơn gió giật đã trở thành thông số thiết kế hàng đầu cho các kỹ sư xây dựng. Trên thang sức gió Beaufort, một cơn gió giật 20 dặm/giờ chỉ gây đung đưa cành cây, nhưng khi vượt mốc 50 dặm/giờ, các mảnh vỡ công trình bắt đầu bị thổi bay.

Kỷ lục gió giật bề mặt lớn nhất trong lịch sử từng được WMO xác minh thuộc về trận bão nhiệt đới Olivia quét qua đảo Barrow ngoài khơi nước Úc vào năm 1996, ghi nhận mức gió giật lên tới 113,2 m/s (tương đương 408 km/h).

Cơn gió giật kỷ lục đó cũng mang cùng một bản chất vật lý với cú đẩy làm bay chiếc ô trên phố: sự giao thoa mãnh liệt giữa luồng khí trên cao và sự hỗn loạn của bề mặt hành tinh nơi con người sinh sống.