Khí cầu thời tiết là những quả bóng cao su bơm khí hydro hoặc heli, mang theo một thiết bị đo nhỏ gọi là máy thám không vô tuyến (radiosonde), bay thẳng lên tầng bình lưu để đo nhiệt độ, độ ẩm, áp suất và gió theo từng độ cao. Khắp thế giới có khoảng gần một nghìn trạm thả bóng như vậy, phần lớn thả hai lần mỗi ngày vào cùng một giờ quốc tế. Bóng nở to dần khi lên cao rồi vỡ ở độ cao khoảng 30 km, thiết bị rơi xuống nhờ một chiếc dù nhỏ.
Vì sao dự báo thời tiết cần thả bóng
Thời tiết không chỉ xảy ra ở mặt đất. Mây, mưa, bão, dòng phản lực được quyết định bởi những gì diễn ra ở cả một cột không khí dày hàng chục km. Trạm khí tượng mặt đất chỉ đo được lớp dưới cùng. Vệ tinh nhìn từ trên xuống, cho bức tranh rộng nhưng khó đo chính xác từng tầng. Máy bay thương mại gửi dữ liệu về, nhưng chỉ dọc theo đường bay và chủ yếu ở độ cao bay bằng.
Quả bóng thám không đi thẳng đứng qua toàn bộ tầng đối lưu, đo trực tiếp từng vài mét một. Đó là dữ liệu "chuẩn" mà các mô hình dự báo số và cả vệ tinh dùng để đối chiếu. Thiếu nó, dự báo vài ngày tới kém đi rõ rệt, đặc biệt dự báo mưa lớn và đường đi của bão.
Một chuyến bay của bóng thám không
- Chuẩn bị: quan trắc viên bơm bóng cao su bằng hydro hoặc heli. Khi còn ở mặt đất, bóng có đường kính khoảng một đến hai mét, tùy loại.
- Thả: bóng mang theo một sợi dây dài, cuối dây là chiếc dù nhỏ và hộp radiosonde nặng vài trăm gam. Dây dài để hộp đo không nằm trong vùng không khí bị bóng làm nhiễu.
- Bay lên: tốc độ lên khoảng năm mét mỗi giây, nghĩa là mất khoảng một tiếng rưỡi đến hai tiếng để lên tới đỉnh.
- Nở to: càng lên cao áp suất bên ngoài càng giảm, khí trong bóng nở ra. Đến gần đỉnh, bóng có thể to gấp nhiều lần lúc thả, đường kính vài mét.
- Vỡ: khi cao su căng quá mức, bóng vỡ, thường ở độ cao khoảng 30–35 km.
- Rơi: dù nhỏ bung ra, hộp đo rơi chậm xuống. Phần lớn không được thu hồi.
Trên suốt đường lên, radiosonde liên tục phát sóng vô tuyến về trạm mặt đất: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất. Gió được tính bằng cách theo dõi vị trí của hộp đo qua GPS: bóng trôi về hướng nào, nhanh bao nhiêu, nghĩa là gió ở tầng đó thổi như thế.
Giờ thả bóng: cả thế giới cùng một nhịp
Các trạm thám không trên toàn cầu thả bóng vào cùng một khung giờ theo giờ quốc tế (UTC), thường là 00 giờ và 12 giờ UTC, theo quy ước của Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO). Ở Việt Nam, múi giờ UTC+7, tức khoảng 7 giờ sáng và 7 giờ tối; bóng thường được thả sớm hơn mốc đó một chút để lên tới tầng giữa đúng giờ quan trắc.
Nhờ cùng một giờ, các nhà khí tượng có một "ảnh chụp" đồng thời của bầu khí quyển toàn cầu hai lần mỗi ngày. Đây là một trong những ví dụ hợp tác quốc tế lâu đời và bền bỉ nhất: dữ liệu được trao đổi gần như theo thời gian thực giữa các quốc gia, kể cả những nước bất đồng với nhau về nhiều chuyện khác.
Bóng thám không đo được những gì
| Đại lượng | Đo thế nào | Dùng để làm gì |
|---|---|---|
| Nhiệt độ | Cảm biến điện trở nhỏ | Tìm lớp nghịch nhiệt, xác định độ cao tầng đối lưu, tính độ bất ổn định của khí quyển |
| Độ ẩm | Cảm biến điện dung | Biết tầng nào có thể hình thành mây, khả năng mưa dông |
| Áp suất | Cảm biến áp hoặc tính từ độ cao GPS | Xác định độ cao các mặt đẳng áp dùng trên bản đồ thời tiết |
| Gió (hướng, tốc độ) | Theo dõi vị trí hộp đo bằng GPS | Vẽ bản đồ gió tầng cao, tìm dòng phản lực, dự báo đường đi của bão |
Có loại bóng mang thêm cảm biến ozon (ozonesonde), dùng để theo dõi tầng ozon. Có loại nhỏ hơn, không mang thiết bị, chỉ dùng để đo gió bằng cách nhìn theo bằng máy kinh vĩ, gọi là bóng pilot. Các sân bay và đội bay khinh khí cầu, dù lượn cũng hay thả những bóng nhỏ như thế để xem gió các tầng thấp.
Từ diều đến radiosonde: một chút lịch sử
- Thế kỷ 18–19: các nhà khoa học đo khí quyển bằng diều mang nhiệt kế và bằng chính khinh khí cầu có người lái. Lên cao đo đạc là việc nguy hiểm đến tính mạng.
- Cuối thế kỷ 19: người Pháp dùng bóng không người lái mang máy tự ghi. Máy ghi nhiệt độ, áp suất lên một trống giấy; phải đợi bóng rơi và có người nhặt được mới có số liệu.
- Đầu thế kỷ 20: nhờ những chuyến bóng như vậy, nhà khí tượng người Pháp Léon Teisserenc de Bort và nhà khoa học người Đức Richard Assmann độc lập nhận ra rằng trên một độ cao nhất định, nhiệt độ ngừng giảm. Đó là phát hiện ra tầng bình lưu.
- Cuối thập niên 1920 – đầu 1930: các nhà khoa học ở Pháp và Liên Xô, trong đó có Robert Bureau và Pavel Molchanov, chế tạo những máy đo đầu tiên phát số liệu về bằng sóng vô tuyến ngay trong lúc bay. Không còn phải đợi nhặt máy, radiosonde ra đời.
Nguyên lý ấy đến nay vẫn vậy, chỉ có thiết bị nhỏ hơn, nhẹ hơn và dùng GPS.
Tầng đối lưu, tầng bình lưu và những gì bóng nhìn thấy
Đi theo một quả bóng thám không là đi qua mấy tầng khí quyển:
- Tầng đối lưu: từ mặt đất lên khoảng 8 km ở vùng cực, khoảng 16–18 km ở vùng nhiệt đới như Việt Nam. Mọi hiện tượng thời tiết quen thuộc diễn ra ở đây. Nhiệt độ giảm dần theo độ cao, trung bình chừng 6,5°C mỗi km.
- Đỉnh tầng đối lưu: ở vùng nhiệt đới, nhiệt độ ở đây có thể xuống tới khoảng âm 70–80°C, lạnh hơn cả ở vùng cực ở cùng độ cao.
- Tầng bình lưu: nhiệt độ ngừng giảm rồi tăng dần nhờ tầng ozon hấp thụ tia cực tím. Không khí rất khô, gần như không có mây. Bóng thường vỡ ở đâu đó trong tầng này.
Số liệu một lần thả thường được vẽ lên một loại giản đồ đặc biệt (giản đồ nhiệt động, phổ biến là dạng Skew-T). Người dự báo nhìn vào đó có thể đoán chiều nay có dông mạnh hay không, mây sẽ thấp tới đâu, có băng giá trên cao cho máy bay hay không.
Khí cầu thời tiết ở Việt Nam
Ở Việt Nam, công việc thám không vô tuyến do ngành khí tượng thủy văn đảm nhiệm, với một số trạm phân bố ở các miền. Số liệu được đưa vào hệ thống trao đổi toàn cầu của WMO và dùng trong các mô hình dự báo trong nước lẫn quốc tế. Vì Việt Nam nằm trên đường đi của nhiều cơn bão và áp thấp nhiệt đới từ Biển Đông, những lần thả bóng ở đây góp phần trực tiếp vào việc dự báo đường đi và cường độ bão.
Hộp radiosonde rơi xuống đôi khi được nông dân, ngư dân nhặt được. Đó là thiết bị đo khí tượng, không phải vật nổ. Nếu nhặt được, có thể báo cho đài khí tượng thủy văn gần nhất; nhiều hộp có in hướng dẫn liên hệ.
Góc nhìn hôm nay: những quả bóng ít ai để ý
Mỗi bản tin thời tiết người ta xem trên tivi hay điện thoại đều có một phần đóng góp từ những quả bóng được thả lặng lẽ lúc rạng sáng và chập tối. Ngay cả trong thời đại vệ tinh, chưa có gì thay thế hoàn toàn được phép đo trực tiếp ấy.
Muốn tìm hiểu thêm:
- Đọc phần khí quyển trong sách địa lý, vật lý phổ thông để nắm cấu trúc tầng đối lưu và bình lưu.
- Tìm các trang công bố số liệu thám không công khai của các trường đại học và cơ quan khí tượng; nhiều trang vẽ sẵn giản đồ Skew-T cho từng trạm, trong đó có các trạm ở Việt Nam.
- Ghé thăm các đài khí tượng nhân ngày Khí tượng Thế giới 23 tháng 3, khi nhiều nơi mở cửa cho học sinh tham quan.
Câu hỏi thường gặp
Khí cầu thời tiết là gì?
Là quả bóng cao su bơm hydro hoặc heli, mang theo máy thám không vô tuyến (radiosonde) để đo nhiệt độ, độ ẩm, áp suất và gió theo độ cao. Số liệu được phát về trạm mặt đất trong suốt chuyến bay và dùng cho dự báo thời tiết.
Bóng thám không bay cao bao nhiêu?
Thường lên tới khoảng 30–35 km, tức là vào tầng bình lưu, trước khi vỡ vì nở quá mức. Quãng đường lên mất khoảng một tiếng rưỡi đến hai tiếng.
Một ngày thả bóng thám không mấy lần?
Phần lớn trạm trên thế giới thả hai lần mỗi ngày, vào khoảng 00 giờ và 12 giờ theo giờ quốc tế UTC. Ở Việt Nam, đó là khoảng 7 giờ sáng và 7 giờ tối.
Bóng thám không vỡ rồi rơi xuống đâu?
Hộp đo rơi xuống nhờ một chiếc dù nhỏ, có thể cách điểm thả hàng chục đến hàng trăm km tùy gió. Phần lớn không được thu hồi; người nhặt được có thể báo cho đài khí tượng gần nhất.
Ai phát hiện ra tầng bình lưu?
Đầu thế kỷ 20, Léon Teisserenc de Bort (Pháp) và Richard Assmann (Đức) độc lập phát hiện ra rằng trên một độ cao nhất định nhiệt độ ngừng giảm, nhờ các chuyến bóng thám không không người lái. Đó là tầng bình lưu.
