Sự Hình Thành Lốc Xoáy: Tìm Hiểu về Áp Suất Khí Quyển và Sự Xoay

Lốc xoáy là một trong những hiện tượng thời tiết có sức tàn phá khủng khiếp nhất trên Trái Đất. Việc hiểu rõ cách chúng hình thành là rất quan trọng để cải thiện hệ thống dự báo và cảnh báo, cuối cùng là cứu sống con người và giảm thiểu thiệt hại. Bài viết này sẽ đi sâu vào các quá trình phức tạp đằng sau sự hình thành lốc xoáy, tập trung vào vai trò thiết yếu của áp suất khí quyển và sự xoay.

Lốc Xoáy là gì?

Lốc xoáy là một cột không khí xoay dữ dội kéo dài từ một đám mây vũ tích (thường là một cơn giông) xuống mặt đất. Lốc xoáy có thể rất khác nhau về kích thước và cường độ, với tốc độ gió dao động từ dưới 100 km/h (62 mph) đến hơn 480 km/h (300 mph). Thang Fujita (và phiên bản cải tiến của nó, Thang Fujita Nâng cao) được sử dụng để đánh giá cường độ của một cơn lốc xoáy dựa trên thiệt hại mà nó gây ra.

Lốc xoáy xảy ra ở nhiều nơi trên thế giới, nhưng thường xuyên nhất ở khu vực "Hành lang Lốc xoáy" của Hoa Kỳ, trải dài khắp các đồng bằng trung tâm. Tuy nhiên, các cơn lốc xoáy đáng kể cũng đã được báo cáo ở Argentina, Bangladesh, Úc và một số vùng của châu Âu.

Vai trò của Áp suất Khí quyển

Áp suất khí quyển, lực do trọng lượng của không khí tác động lên một điểm nhất định, đóng một vai trò quan trọng trong sự hình thành và tăng cường của lốc xoáy. Lốc xoáy được đặc trưng bởi áp suất cực thấp ở trung tâm, tạo ra một lực chênh áp mạnh mẽ.

Lực Chênh Áp

Lực chênh áp (PGF) là lực phát sinh từ sự khác biệt về áp suất không khí. Không khí tự nhiên chảy từ vùng áp suất cao đến vùng áp suất thấp. Chênh lệch áp suất càng lớn, lực càng mạnh. Trong bối cảnh của một cơn lốc xoáy, áp suất cực thấp trong xoáy tạo ra một PGF rất mạnh, hút không khí nhanh chóng vào phía trung tâm của lốc xoáy.

Luồng không khí vào trong này góp phần làm tăng cường sự xoay của lốc xoáy. Khi không khí xoáy vào trong, nó bảo toàn mô-men động lượng (tương tự như một vận động viên trượt băng nghệ thuật thu tay vào khi đang quay), làm cho tốc độ quay tăng lên đáng kể. Áp suất ở tâm lốc xoáy càng thấp, PGF càng mạnh, và gió của lốc xoáy sẽ càng nhanh.

Sụt Áp và Ngưng tụ

Sự sụt giảm áp suất nhanh chóng trong một cơn lốc xoáy cũng dẫn đến việc giảm nhiệt độ. Khi không khí bốc lên và giãn nở trong môi trường áp suất thấp, nó sẽ nguội đi. Nếu không khí đủ ẩm, sự làm mát này có thể dẫn đến ngưng tụ, hình thành nên đám mây hình phễu có thể nhìn thấy được, đặc trưng của lốc xoáy.

Quá trình ngưng tụ giải phóng ẩn nhiệt, có thể làm ấm thêm không khí bên trong lốc xoáy, làm cho nó càng trở nên nổi. Lực nổi này có thể góp phần vào sự gia tăng tốc độ của không khí đi lên trong lốc xoáy, làm mạnh thêm dòng thăng và tăng cường cơn bão.

Tầm quan trọng của Sự Xoay: Xoáy Trung

Trong khi áp suất thấp là một thành phần chính, sự xoay cũng quan trọng không kém cho sự hình thành lốc xoáy. Loại lốc xoáy phổ biến nhất hình thành từ một cơn giông siêu ô, được đặc trưng bởi một dòng thăng xoay gọi là xoáy trung.

Xoáy Trung là gì?

Xoáy trung là một vùng xoay trong một cơn giông siêu ô, thường có đường kính vài km. Nó được hình thành bởi sự kết hợp của các yếu tố, bao gồm đứt gió theo chiều dọc và sự nghiêng của độ xoáy ngang.

• Đứt gió theo chiều dọc: Điều này đề cập đến sự thay đổi tốc độ và hướng gió theo độ cao. Trong môi trường thuận lợi cho sự phát triển của siêu ô, thường có đứt gió mạnh, với gió tăng tốc độ và đổi hướng (thường chuyển từ hướng nam sang hướng tây) khi độ cao tăng.
• Độ xoáy ngang: Đứt gió tạo ra độ xoáy ngang, về cơ bản là các đường quay vô hình song song với mặt đất.
• Nghiêng của độ xoáy: Dòng thăng của cơn giông có thể làm nghiêng độ xoáy ngang này thành chiều dọc, tạo ra một cột không khí xoay – chính là xoáy trung.

Xoáy trung là tiền thân quan trọng cho sự hình thành lốc xoáy. Nó cung cấp sự xoay ban đầu có thể được tập trung và tăng cường để hình thành một cơn lốc xoáy.

Sự hình thành Lốc xoáy từ một Xoáy Trung

Không phải tất cả các xoáy trung đều tạo ra lốc xoáy. Một số yếu tố ảnh hưởng đến việc liệu một xoáy trung có sinh ra lốc xoáy hay không, bao gồm:

• Sức mạnh của xoáy trung: Các xoáy trung mạnh hơn, quay chặt hơn có nhiều khả năng tạo ra lốc xoáy hơn.
• Sự hiện diện của dòng giáng sườn sau (RFD): RFD là một luồng không khí đi xuống bao quanh xoáy trung. Nó có thể giúp làm chặt vòng quay và đưa nó đến gần mặt đất hơn.
• Sự hiện diện của dòng giáng sườn trước (FFD): Mặc dù ít liên quan trực tiếp hơn đến sự hình thành lốc xoáy, FFD góp phần vào cấu trúc và động lực tổng thể của siêu ô.
• Điều kiện lớp Biên: Sự bất ổn và độ ẩm trong tầng khí quyển thấp cũng rất quan trọng.

RFD đóng một vai trò đặc biệt quan trọng. Khi nó đi xuống, nó có thể giúp kéo dài và tăng cường sự xoay của xoáy trung, hình thành một xoáy nhỏ hơn, tập trung hơn gần mặt đất. Xoáy này, được gọi là xoáy lốc xoáy hoặc xoáy trung tầng thấp, thường là tiền thân của một cơn lốc xoáy.

Khi xoáy lốc xoáy tăng cường, áp suất ở tâm của nó giảm đột ngột, làm tăng tốc thêm dòng không khí vào. Quá trình này có thể dẫn đến sự hình thành của một đám mây hình phễu có thể nhìn thấy, cuối cùng chạm xuống mặt đất, trở thành một cơn lốc xoáy.

Lốc xoáy không từ Siêu ô

Mặc dù hầu hết các cơn lốc xoáy hình thành từ các cơn giông siêu ô, một số cơn lốc xoáy, được gọi là lốc xoáy không từ siêu ô, có thể hình thành từ các loại bão khác. Những cơn lốc xoáy này thường yếu hơn và tồn tại ngắn hơn so với lốc xoáy từ siêu ô.

Vòi rồng trên cạn và Vòi rồng trên biển

Vòi rồng trên cạn và vòi rồng trên biển là những ví dụ về lốc xoáy không từ siêu ô. Chúng hình thành trên đất liền và trên mặt nước, và thường liên quan đến các đám mây tích đang phát triển hơn là các siêu ô. Chúng thường hình thành dọc theo các ranh giới nơi các luồng gió hội tụ tạo ra sự xoay gần bề mặt. Sự xoay này sau đó có thể được kéo dài lên trên bởi một dòng thăng, tạo thành một cơn lốc xoáy.

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành Lốc xoáy

Một số điều kiện khí quyển phải có mặt để lốc xoáy hình thành. Chúng bao gồm:

• Bất ổn định: Tình trạng không khí ấm, ẩm nằm bên dưới không khí lạnh hơn, khô hơn. Điều này tạo ra một bầu khí quyển có khả năng bất ổn định, nơi các khối không khí có thể dễ dàng bốc lên.
• Độ ẩm: Cần có đủ độ ẩm ở tầng khí quyển thấp để cung cấp năng lượng cho sự phát triển của giông bão và cung cấp sự ngưng tụ cần thiết cho việc hình thành mây phễu.
• Nâng lên: Một cơ chế để bắt đầu chuyển động đi lên, chẳng hạn như một front, đường khô, hoặc ranh giới dòng chảy ra.
• Đứt gió theo chiều dọc: Như đã thảo luận trước đó, đứt gió mạnh theo chiều dọc là rất quan trọng để tạo ra sự xoay trong một cơn giông.

Ví dụ Toàn cầu và Biến thể Khu vực

Mặc dù các nguyên tắc cơ bản của sự hình thành lốc xoáy là như nhau trên toàn thế giới, các biến thể khu vực tồn tại do sự khác biệt về địa lý, khí hậu và điều kiện khí quyển.

• Hoa Kỳ: Khu vực "Hành lang Lốc xoáy" dễ xảy ra lốc xoáy do sự va chạm của không khí ấm, ẩm từ Vịnh Mexico với không khí lạnh, khô từ Canada và Dãy núi Rocky. Điều này tạo ra một bầu không khí rất bất ổn định, thuận lợi cho sự phát triển của siêu ô.
• Argentina: Vùng đồng cỏ pampas của Argentina trải qua các điều kiện khí quyển tương tự như Đồng bằng Lớn của Hoa Kỳ, dẫn đến các lần xuất hiện lốc xoáy thường xuyên.
• Bangladesh: Bangladesh dễ bị tổn thương bởi lốc xoáy do địa hình thấp và tiếp xúc với không khí ẩm từ Vịnh Bengal. Những cơn lốc xoáy này thường liên quan đến các cơn giông dữ dội và có thể gây ra thiệt hại và mất mát sinh mạng đáng kể.
• Úc: Mặc dù ít thường xuyên hơn ở Hoa Kỳ, lốc xoáy vẫn xảy ra ở Úc, đặc biệt là ở các bang phía đông nam.
• Châu Âu: Lốc xoáy ít phổ biến hơn ở châu Âu so với Bắc Mỹ, nhưng chúng vẫn xảy ra, đặc biệt là ở Hà Lan, Đức và Ý. Những cơn lốc xoáy này thường yếu hơn và tồn tại ngắn hơn so với các đối tác ở Hoa Kỳ.

Vai trò của Công nghệ trong Dự báo Lốc xoáy

Những tiến bộ trong công nghệ đã cải thiện đáng kể khả năng dự báo và cảnh báo lốc xoáy của chúng ta. Chúng bao gồm:

• Radar Doppler: Radar Doppler có thể phát hiện chuyển động của các hạt mưa và băng trong một cơn giông, cho phép các nhà khí tượng học xác định các đặc điểm xoay như xoáy trung và xoáy lốc xoáy.
• Hình ảnh vệ tinh: Hình ảnh vệ tinh cung cấp một cái nhìn tổng quan rộng về các điều kiện khí quyển và có thể giúp xác định các khu vực có khả năng phát triển giông bão.
• Mô hình Dự báo Thời tiết Số: Các mô hình máy tính phức tạp này sử dụng các phương trình toán học để mô phỏng khí quyển và dự báo các điều kiện thời tiết trong tương lai. Các mô hình độ phân giải cao hiện có thể phân giải các đặc điểm như siêu ô và xoáy trung, cung cấp thông tin quý giá cho việc dự báo lốc xoáy.
• Người theo dõi bão: Các tình nguyện viên được đào tạo quan sát và báo cáo các sự kiện thời tiết khắc nghiệt, cung cấp thông tin thực địa có thể giúp xác minh dữ liệu radar và cảnh báo công chúng.

Thách thức trong Dự báo Lốc xoáy

Mặc dù có những tiến bộ về công nghệ, việc dự báo lốc xoáy vẫn là một nhiệm vụ đầy thách thức. Lốc xoáy là những hiện tượng quy mô tương đối nhỏ có thể hình thành và tan biến nhanh chóng, khiến chúng khó dự đoán một cách chính xác.

Một số thách thức trong việc dự báo lốc xoáy bao gồm:

• Dữ liệu không đủ: Khí quyển là một hệ thống phức tạp và hỗn loạn, và vẫn còn những lỗ hổng trong sự hiểu biết của chúng ta về các quá trình dẫn đến sự hình thành lốc xoáy.
• Hạn chế của Mô hình: Các mô hình dự báo thời tiết số không hoàn hảo và có thể gặp khó khăn trong việc mô phỏng chính xác các quá trình quy mô nhỏ liên quan đến sự hình thành lốc xoáy.
• Dự đoán cường độ Lốc xoáy: Mặc dù chúng ta thường có thể dự báo khả năng hình thành lốc xoáy, việc dự đoán cường độ của một cơn lốc xoáy vẫn là một thách thức lớn.

Biện pháp An toàn trong Cơn Lốc xoáy

Nếu cảnh báo lốc xoáy được ban hành cho khu vực của bạn, điều quan trọng là phải hành động ngay lập tức để bảo vệ bản thân và gia đình.

• Tìm nơi trú ẩn: Nơi an toàn nhất trong một cơn lốc xoáy là một hầm trú ẩn dưới lòng đất, chẳng hạn như tầng hầm hoặc hầm tránh bão. Nếu không có nơi trú ẩn dưới lòng đất, hãy đến một căn phòng bên trong ở tầng thấp nhất của một tòa nhà vững chắc, tránh xa cửa sổ.
• Cập nhật thông tin: Theo dõi các cảnh báo và cập nhật thời tiết từ các nguồn đáng tin cậy, chẳng hạn như Cơ quan Thời tiết Quốc gia hoặc phương tiện truyền thông địa phương.
• Bảo vệ bản thân: Nếu bạn đang ở trong xe hoặc ngoài trời, hãy nằm thẳng trong một con mương hoặc khu vực trũng thấp khác và che đầu bằng tay.
• Sau cơn lốc xoáy: Cảnh giác với các mối nguy hiểm như đường dây điện bị đứt và các tòa nhà bị hư hại. Tránh xa các mảnh vỡ và không vào các công trình bị hư hại cho đến khi chúng được các chuyên gia có trình độ kiểm tra.

Kết luận

Sự hình thành lốc xoáy là một quá trình phức tạp bao gồm sự tương tác tinh tế của áp suất khí quyển, sự xoay và các yếu tố khác. Mặc dù đã có nhiều tiến bộ trong việc tìm hiểu những hiện tượng này, cần có thêm nghiên cứu để cải thiện hệ thống dự báo và cảnh báo. Bằng cách hiểu khoa học đằng sau sự hình thành lốc xoáy, chúng ta có thể bảo vệ bản thân và cộng đồng của mình tốt hơn khỏi những sự kiện thời tiết tàn phá này.

Tài liệu đọc thêm và Nguồn tham khảo

• Cơ quan Thời tiết Quốc gia (NWS): https://www.weather.gov/
• Trung tâm Dự báo Bão (SPC): https://www.spc.noaa.gov/
• Phòng thí nghiệm Bão Quốc gia (NSSL): https://www.nssl.noaa.gov/