Một nhà vật lí thế kỉ 18 lần đầu tiên dự đoán sự tồn tại của một dàn hợp xướng sóng khí quyển quét qua Trái đất. Cuối cùng các nhà khoa học đã tìm thấy chúng.
Khí quyển của chúng ta là một nơi hỗ lốn đến mức nó từ chối mọi phép phân tích, kể cả những thuật toán khí tượng phức tạp nhất ngày nay. Thế nhưng sự phức tạp của nó không khiến nhà khoa học Pháp Pierre-Simon Laplace thôi mổ xẻ một phương diện đơn giản của hành trạng khí quyển hồi cuối thế kỉ 18. Mặc dù chưa từng nhìn thấy một bản đồ thời tiết toàn cầu, nhưng Laplace đã phát triển một lí thuyết tiên đoán rằng các sóng áp suất cỡ lục địa sẽ đều đặn quét khắp địa cầu.
“Việc lập mô hình khí quyển theo kiểu giấy-bút như vậy là vô cùng thô cho đến thế kỉ 20, thế nhưng Laplace đã làm được,” lời của David Randall, một nhà khoa học khí quyển tại Đại học Colorado. “Tôi nghĩ điều đó thật tuyệt vời.”
Ý tưởng của Laplace đã khởi xướng một cuộc truy lùng kéo dài hàng thế kỉ, tìm kiếm những sóng như thế. Thế nhưng các dao động ấy vừa êm dịu vừa quá đồ sộ, ngoan cố không chịu biểu hiện chúng thậm chí trước một số tên tuổi vĩ đại nhất trong các ngành khoa học vật chất.
Cuối cùng, cuộc tìm kiếm ấy đã kết thúc. Một bộ cơ sở dữ liệu khí tượng mới tuyệt vời vừa tiết lộ thứ mà hàng triệu số đo áp kế đã bỏ lỡ: một tập hợp sóng chạy khắp Trái đất, phủ Trái đất trong một tấm chăn lốm đốm gồm những vùng áp cao và áp thấp. Phát hiện ấy là một sự xác thực quá tuyệt vời cho một lí thuyết xưa lơ xưa lắc.
“Đây là một công trình thật sự tuyệt vời,” lời của Leo Donner, một nhà địa vật lí tại Đại học Princeton, người không liên quan gì với nghiên cứu trên.
Các nhà khoa học vừa phát hiện một tập hợp phức tạp gồm các sóng áp suất chạy khắp Trái đất ở tốc độ vượt quá đa số máy bay phản lực.
Các phím piano của Trái đất
Laplace tự hỏi lực hấp dẫn của Mặt trăng làm nén không khí xung quanh hành tinh chúng ta đến mức nào, và ông đã tiến hành phân tích các kiểu sóng có thể xuất hiện do đó. Ông tưởng tượng khí quyển là một lớp chất lưu mỏng trên một quả cầu trơn nhẵn, và ông kết luận rằng lực hấp dẫn sẽ ép một lớp sóng xuống đất, ở đó chúng sẽ truyền đi ít nhiều theo phương ngang – các gợn sóng hai chiều ôm lấp bề mặt hành tinh. “Ông thật sự là người đầu tiên đi tới bức tranh này trong đầu mình,” theo lời Kevin Hamilton, một giáo sư tại Đại học Hawaii, và là đồng tác giả của nghiên cứu mới trên. “Quả là một nhận thức bất ngờ.”
Laplace không đặt tên cho các sóng này cũng chẳng tính toán tường tận hành trạng của chúng, còn các nhà khoa học khí quyển ngày nay mô tả chúng là “mode bình thường” – các sóng cộng hưởng giống như sự ngân rung của một cái chuông. Mode đơn giản nhất làm tăng áp suất ở một bán cầu và làm giảm áp suất ở bán cầu kia. Các mode giàu năng lượng hơn thì tạo ra những vùng loang lỗ nhỏ hơn có áp suất cao thấp khác nhau. Chúng chạy quanh địa cầu ở tốc độ vượt quá đa số máy bay thương mại, chủ yếu truyền sang đông và sang tây.
Mặc dù Laplace khởi sự bằng cách nghĩ tới tác động của Mặt trăng, nhưng các sóng ấy phát sinh nhiều hơn từ các nhiễu loạn nói chung của Trái đất: Những cơn bão thịnh nộ. Gió đập vào các dãy núi. Nhiễu loạn từ đó khuấy động lên thêm. Một phần năng lượng từ những xoáy cuộn tập thể này hình thành nên mode bình thường, đó chỉ là những tông mà khí quyển có thể phản hồi. “Tựa như một con mèo đang bước đi trên các phím đàn piano vậy,” Randall nói. “Sự ấn ngẫu nhiên có thể bạn biết những dây nào trên đàn piano.”
Laplace tiêm ý tưởng vào đầu người ta rằng những sóng như vậy có thể tồn tại, và toán học của ông đem lại cho các nhà vật lí công cụ để tính toán sự lên dây của khí quyển. Nhưng liệu có ai đó có khả năng nghe được các nốt của nó không?
Khoảng cùng thời gian khi Laplce đi tới mô hình của ông, các nhà thám hiểm và nhà tự nhiên học, trong đó có Alexander von Humboldt, để ý thấy áp suất ở vùng nhiệt đới tăng lên và giảm xuống sau mỗi 12 giờ. Nhịp đều đặn theo ngày như vậy liên quan đến các biến thiên sức nóng từ Mặt trời, nhưng các nhà lí thuyết không thể giải thích vì sao hiệu ứng lại lớn đến vậy. Bí ẩn đó tiếp tục thách đố các nhà khoa học trong gần một thế kỉ, cho đến khi Lord Kelvin dự đoán vào năm 1882 rằng chu kì sưởi nóng của Mặt trời cộng hưởng với một trong các “dao động tự do” của Laplace. Ông nghĩ Mặt trời có thể cung cấp sức đẩy ngoại cỡ bởi lẽ nó tạo ra các dao động ở đúng tần số của một trong các dao động của Laplace, y hệt như một ca sĩ opera có thể làm vỡ cốc rượu bằng một giọng ngân có độ cao thích hợp. Tuyên bố của ông hóa ra không đúng – các nhà nghiên cứu hồi thập niên 1960 đã xác nhận một hiện tượng phức tạp hơn làm khuếch đại tác động của Mặt trời – nhưng nó đã thôi thúc các nhà khoa học tính toán các chi tiết định lượng của lí thuyết Laplace và tính chính xác tần số mà những mode bình thường phải có.
Mãi đến thập niên 1980 thì những nốt thấp nhất khớp với các tiên đoán đó mới xuất hiện trong tư liệu khoa học, trước tiên từ một phân tích của Taroh Matsuno, một nhà khí tượng học Nhật Bản, rồi đến một phân tích khác của Hamilton và Rolando Garcia, nay làm việc tại Trung tâm Quốc gia Nghiên cứu Khí quyển. Hamilton và Garcia tình cờ bắt gặp bộ dữ liệu lí tưởng: một trạm thời tiết ở Indonesia thuộc địa đã thực hiện các phép đo áp suất hàng giờ trong gần một thế kỉ, chỉ bỏ lỡ hai số ghi trong 79 năm.
Các sóng áp suất cao (màu đỏ) và áp suất thấp (màu xanh) truyền vòng quanh Trái đất. Bốn quả cầu này tiêu biểu cho bốn mode khác nhau của sóng áp suất.
Số liệu ấy vừa tỉ mỉ vừa bền bỉ, các nhà nghiên cứu đã dùng một chiếc kính hiển vi để ghi lại những dịch chuyển của thủy ngân nhỏ đến một phần trăm của một inch. Phân tích số liệu này và những bộ dữ liệu khác, Hamilton và Garcia đã có thể tìm ra vết tích của một trong những mode bình thường dài nhất.
Các sóng ngắn hơn hình như nằm ngoài tầm với cho đến năm ngoái, khi Trung tâm châu Âu Dự báo Thời tiết Trung hạn công bố một bộ dữ liệu gọi là ERA5. Sản phẩm kết hợp số liệu từ hàng nghìn trạm mặt đất, khí cầu thời tiết và vệ tinh, và nó sử dụng các mô hình thời tiết để lấp đầy những chỗ khuyết một cách thông minh. Kết quả là một bộ dữ liệu hướng tới tái dựng thông tin y hệt như được thu nhận bởi một mạng lưới trạm thời tiết toàn cầu phân bố cách nhau 10 km và nhận số đo mỗi giờ từ năm 1979 đến 2016.
Takatoshi Sakazaki, một giáo sư trợ giảng tại Đại học Tokyo ở Nhật Bản, đã không tìm kiếm các sóng Laplace khi ERA5 trình làng. Ông vốn tập trung vào các biến thiên nhiệt độ, và ông xem các cực đại áp suất là tín hiệu nhiễu không mong muốn. Nhưng khi ông nhận thấy chúng có thể là mode bình thường, ông đã đặt chúng trên các kì vọng lí thuyết, và đây rồi: “Tôi thấy chúng ăn khớp gần như hoàn hảo,” ông nói.
Sakazaki không chắc kết quả tìm kiếm của ông có ý nghĩa như thế nào, vì thế ông liên hệ Hamilton, người từng là cố vấn nghiên cứu hậu tiến sĩ của ông, nhằm kiểm tra xem các cực đại ấy có đáng quan tâm không.
Đáng lắm. Hamilton đã dành hàng thập kỉ trước năm 1980 sàng lọc dữ liệu trạm thời tiết tìm kiếm dấu hiệu của những tông khí quyển thấp nhất. Nay trong hộp thư của mình, ông bất ngờ có bằng chứng của một bản giao hưởng trọn vẹn.
Sakazaki và Hamilton cùng nhau phân tích cấu trúc ba chiều đầy đủ của các sóng một cách tường tận hơn bao giờ hết; họ công bố kết quả của mình trên số ra tháng Bảy của Tập san Khoa học Khí quyển (Jounal of the Atmospheric Sciences). Nghiên cứu của họ mô tả chi tiết hành trạng của hàng tá sóng ngoài số ít đã được tìm thấy hồi thập niên 1980. Một số sóng năng lượng cao nhất xoay vòng từ áp suất cao xuống áp suất thấp cả tá lần khi chúng chạy vắt qua hành tinh; chuyển động tự quay của Trái đất làm phát sinh thêm những tập hợp sóng khác nữa. Toàn bộ kết quả của họ khớp chính xác với các tiên đoán dựa trên các phương trình của Laplace. “Khi tôi nhìn thấy điều này tôi cứ hình dung rằng Laplace và Kelvin và những người thời ấy hẳn sẽ hào hứng biết mấy nếu thấy kết quả này,” Hamilton nói.
Bài của Charlie Wood trên Quanta Magazine, tháng 8/2020
