Nếu bạn nghĩ những cơn mưa làm thời tiết thêm mát mẻ thì hãy quên ý nghĩ đó đi! Khi trút xuống, những giọt mưa khiêm tốn mang theo trên sức nặng của nó phần năng lượng tiêu tán từ khí quyển. Các nhà nghiên cứu ở Mĩ vừa chứng minh rằng năng lượng bị mất dưới dạng nhiệt bởi nước lỏng đang rơi và những hạt băng là ngang bằng với năng lượng gió bị mất do ma sát. Đội nghiên cứu đề xuất rằng với lượng mưa tăng thêm đã được dự báo là hệ quả của sự ấm lên toàn cầu, thì phần năng lượng bị dìm trong những cơn mưa có thể làm giảm năng lượng sinh gió có trong khí quyển.
Nhiều nhà vật lí khí hậu xem khí quyển là một động cơ nhiệt khổng lồ chạy theo chu trình gió và nước. Mặt trời sưởi ấm mặt đất, tạo ra phần nguồn nóng của động cơ với nhiệt độ trung bình 288 K, và khí quyển thực hiện công bằng cách dâng hơi nước về phía nguồn lạnh của động cơ, ở độ khoảng 15 km với nhiệt độ trung bình 255 K. Có xét đến tính hiệu quả kém của khí quyển, Olivier Pauluis ở trường Đại học New York và Juliana Dias ở Ban quản lí Đại dương và Khí quyển Quốc gia ở Boulder, Colorado, Mĩ, ước tính công suất toàn phần tính trên đơn vị diện tích bề mặt của động cơ là 5 Wm–2.
Hơi nước bốc lên rồi lạnh đi, ngưng tụ lại và rơi xuống dưới dạng nước hoặc băng. Không hề bị chậm đi trong khí quyển, nước mưa rơi xuống tới đất ở tốc độ vài trăm km/h. “Bạn nên mua cho mình một cái dù mới,” Pauluis. Luckily nói, khí quyển tiêu tán phần lớn năng lượng đó trong những xoáy cuộn nhỏ xíu xung quanh những giọt nước, duy trì tốc độ của chúng ở mức vài km/h.
Mưa rơi làm nóng khí quyển nhiều hơn người ta nghĩ. (Ảnh: iStockphoto.com)
Ngang bằng với gió
Vì động năng không tích lũy trong khí quyển, nên Pauluis và Dias cho rằng công suất toàn phần của động cơ nhiệt của họ xấp xỉ bằng tổng tốc độ tiêu hao năng lượng do ma sát không khí-không khí trong gió cộng với tốc độ tiêu hao năng lượng từ phía nước mưa. Chỉ riêng gió ước tính đã phân tán 1- 5 Wm–2, và cặp đôi tác giả đã tiến hành phép phân tích đầu tiên phát hiện ra sự tiêu hao năng lượng do mưa rơi. Tìm thấy giá trị đó trung bình vào khoảng 1,8 Wm–2, họ kết luận rằng sự tiêu hao năng lượng do lượng mưa cũng quan trọng ngang với sự tiêu hao do ma sát trong những cơn gió.
Erich Becker tại Viện Vật lí Khí quyển Leibniz ở Kühlungsborn, Đức, đã gọi nghiên cứu trên là “tinh vi”. Theo ông biết, “không ai trước đây từng nghĩ tới sự nóng lên vì ma sát do nước mưa như thế này.”
Pauluis và Dias đã khai thác dữ liệu thu từ Sứ mệnh Đo Lượng mưa Nhiệt đới (TRMM), một vệ tinh nhận ra các hạt nước và băng bằng cách cho phản xạ sóng vô tuyến lên chúng. Nó khảo sát sáu lớp bầu trời khác nhau – ngay phía trên mặt đất, rồi cách mặt đất 2, 4, 6, 10 và 15 km. Sóng vô tuyến phản xạ cho các nhà nghiên cứu biết kích cỡ và hàm lượng của những giọt mưa. Kích cỡ của giọt mưa cho biết tốc độ rơi tự do tối đa của chúng, thành ra nó cho biết lực kéo theo cần thiết để duy trì tốc độ đó. Rồi bằng cách nhân với quãng đường những giọt nước mưa rơi, cặp đôi nghiên cứu đã có thể tính ra tổng năng lượng tiêu hao do sự kéo theo tính trên lượng mưa.
Tiêu hao nhiều hơn trên các lục địa
Thông thường, năng lượng cục bộ bị mất do ma sát khi mưa liên hệ chặt chẽ với lượng mưa mà vùng đó nhận. “Nói cho chính xác thì sự tiêu hao trên các lục địa là nhiều hơn trên các đại dương,” Pauluis nói, điều đó phù hợp với thực tế là sự đối lưu diễn ra mạnh hơn trên các lục địa, đưa nước lên những độ cao lớn hơn.
Các mô hình khí hậu dự báo rằng khi nhiệt độ của Trái đất tăng lên, lượng mưa và độ cao từ đó nước mưa rời cũng tăng lên theo. Điều này có nghĩa là khí quyển sẽ tiêu hao nhiều năng lượng hơn để dâng hơi nước lên cao, và như thế có thể để lại năng lượng dành cho sự lưu thông không khí khắp hành tinh nhỏ hơn.
Từ quan điểm của Becker, đóng góp chủ yếu của nghiên cứu trên cho lĩnh vực nghiên cứu này là nó làm sáng tỏ một nguồn entropy đáng kể, cái trước đây người ta bỏ sót. Xu hướng của khí quyển là hấp thụ và phát xạ nhiệt không đều – xảy ra mạnh ở vùng nhiệt đới và kém ở hai cực – làm giảm entropy của nó. Phần entropy đó được tạo bởi chuyển động xoáy của gió nhưng đóng góp của mưa rơi là tương đương và cho đến nay vẫn bị bỏ sót. Tuy nhiên, Becker không nghĩ rằng sự điều chỉnh này đối với các mô hình khí hậu sẽ có tác động lớn đối với những dự báo biến đổi khí hậu. Nhưng nó đáng được xét tới.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science 335 953.
Trọng Nhân – thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com
