Khí quyển và thermal – Phần 4: Dòng nâng trong thermal

🌪️ Lốc bụi

Lõi hẹp của một cơn gió xoáy sẽ kéo theo bụi (dust), lá cây và các mảnh vụn làm trông thấy được sự nhiễu loạn dưới mặt đất hoặc tạo thành cột bụi cao trong những khu vực đất trống. Những cơn lốc bụi này được biết dưới tên gọi theo tiếng Úc là “willy-willies” còn ở những nơi khác gọi là “dust devils” (tiếng Việt là lốc bụi). Lốc bụi xuất hiện khi một thermal bốc lên trong điều kiện “siêu đoạn nhiệt” (superadiabatic). Không khí gấp rút xô vào để thế chỗ trong vùng phía dưới của thermal thường có một chút chuyển động xoay do hiệu ứng Coriolis nếu như nó đã trôi trong không khí một khoảng thời gian. Khi những luồng khí này gặp nhau, chúng quay mạnh lên tương tự như một vận động viên trượt băng quay nhanh hơn khi tay của anh ta/cô ta thu vào trong. Luồng khí quay (hay dòng xoáy) này sẽ nhanh chóng bị mất sức xô (ngang) của nó chỉ còn lại sự tăng tốc của thermal giãn không khí theo phương thẳng đứng và làm cho cột xoáy khí chặt hơn khi càng lên cao, nó rất giống với một cột xoáy của xi-rô sẽ mỏng đi khi bạn rút chiếc thìa ra khỏi nó.

🌪️ Nguyên lý lốc bụi

Lốc bụi được hình thành khi thermal thăng lên trong điều kiện có hệ số giảm nhiệt siêu đoạn nhiệt (superadiabatic lapse rate). Lốc bụi nằm dưới thermal đang thăng lên, đánh dấu đường đi, kích thước và thường cả độ cao cũng như thời lượng của nó.

Lốc bụi đôi khi vươn tới độ cao của mây thermal, nhưng thường nó ngừng lại ngay dưới mức này, thường nó chỉ cao từ một mét tới khoảng một trăm mét. Tuy nhiên trong một số vùng hoang mạc thì chúng có thể cao hẳn lên đến một ngàn mét trong môi trường đầy rẫy bụi mà thermal mạnh. Trong những khu vực này, độ cao của lốc bụi sẽ thể hiện cao độ tối thiểu của thermal cũng như thời lượng của nó. Tuy nhiên, đôi khi lốc bụi vẫn còn sau khi thermal đã hết tạo dòng nâng dùng được, như nhiều phi công lao tới lốc bụi đã phải thất vọng nhận ra. Việc quan sát cao độ và tốc độ cũng như thời lượng của lốc bụi giúp bạn đánh giá được thời lượng của thermal tạo ra chúng. Đại đa số các lốc bụi đều xoay ngược chiều kim đồng hồ ở Bắc Bán Cầu và cùng chiều kim đồng hồ ở Nam Bán Cầu. Chúng là một hiện tượng áp thấp (low pressure phenomena). Có vài lốc bụi xoay theo chiều ngược lại thì có lẽ do chuyển động quay được tạo ra trong vùng nhiễu loạn hoặc di chuyển qua một vách núi. Có một số giả định rằng hành vi của lốc bụi làm không khí trong thermal quay, quả thực vậy, các đám mây thermal quay (rotating thermal cloud) đã từng được nhìn thấy trong một số dịp hiếm hoi. Nó giống như là không khí tiếp tục quay phía trên của cơn lốc mặc dù nó hầu như đã ngừng quay do lực cản (drag) khi thermal rời khỏi lớp không khí siêu đoạn nhiệt. Trên cơ sở này, khá là hợp lý khi trông chờ một tốc độ leo tốt hơn khi quay ngược với dòng lốc bụi (quay theo chiều kim đồng hồ hoặc quay phải ở Bắc Bán Cầu) khi ở trong dòng nâng mạnh của lớp không khí siêu đoạn nhiệt. Lý do vì sao lại có tốc độ leo tốt hơn khi quay ngược dòng trong luồng khí quay (spinning air) là vì tốc độ quay vòng của bạn sẽ chậm hơn cho nên cần góc nghiêng nhỏ hơn để cân đối với lực văng (centrifugal force). Góc nghiêng ít hơn thì bạn sẽ có tốc độ tụt tốt hơn. Một điều cũng quan trọng đó là để vào thermal lốc bụi thì đi ngược với luồng của nó vì lý do an toàn. Nếu bạn vào luồng khí xoay vòng xuôi theo hướng của nó, bạn sẽ gặp xuôi gió mạnh đột ngột (strong tailwind), có thể làm bạn bị thất tốc. Nếu bạn vào thermal theo hướng ngược với luồng gió thì bạn sẽ gặp ngược gió (headwind) mạnh dần, như thể hiện trong hình dưới đây, giúp bạn cơ động tốt hơn. Một cơn lốc bụi là một thực thể ổn định mà trong đó không khí từ bên ngoài không thể thâm nhập vào lốc bụi dọc theo cột của nó và pha loãng nó. Không khí bên ngoài chỉ có thể thâm nhập vào trong nó từ phía dưới nơi mà tốc độ quay còn chậm do gần mặt đất như thể hiện trong hình dưới đây. Không khí phía ngoài cột lốc bụi quay và thăng lên như minh họa dưới đây trong khi bên trong lõi cột lốc bụi có thể xuất hiện dòng hướng xuống do áp suất thấp. Một ví dụ về hành vi này có thể được thấy khi quấy một cốc cà phê với dòng hướng lên phía ngoài và xoáy trũng ở giữa. Tâm của lốc bụi nói chung là rõ ràng hơn so với rìa của nó. Sự tàn lụi của một lốc bụi xuất hiện khi nguồn cấp không khí ấm nuôi thermal bị cạn hoặc có một số hiệu ứng địa hình cản trở tiến trình của nó. Lốc bụi tất nhiên sẽ di chuyển hướng lên trên dốc núi và thực tế khá phổ biến trên những mặt dốc được đốt nóng. Một lốc bụi có thể tiếp tục tồn tại thêm một chút sau khi thermal đã tắt, nhưng nó sẽ sớm bị mất năng lượng và sụp đổ. Các thầy phù thủy ở Phi Châu có nghề tiêu diệt lốc bụi bằng cách chạy xuyên qua chúng, làm cho dân chúng phải kinh sợ về khả năng tiêu diệt ma quỷ của họ.

Góc nhìn từ trên xuống ở hình trên thể hiện đường đi của lốc bụi tương ứng với gió. Nếu một thermal di chuyển theo gió hoặc bốc lên thẳng đứng khỏi tầng gió mặt đất, nói chung nó sẽ vòng sang trái so với đường đi của lốc bụi ở Bắc Bán Cầu và vòng sang phải ở Nam Bán Cầu. Sự hiểu biết này có thể giúp bạn định vị thermal dựa trên hướng di chuyển của lốc bụi. Hình dưới đây thể hiện một cơn lốc bụi uốn khúc như thế nào lên đến một thermal. Các lốc bụi rất cao có thể nhìn thấy được chúng đi theo những tuyến đường nhấp nhô theo các cơn gió khác nhau. Lý do lốc bụi di chuyển theo một góc so với hướng gió là do ma sát ở mép trước của lốc bụi làm nó nhận nhiều lực đẩy sang một bên của không khí. Cường độ của lốc bụi có thể khá đa dạng tùy theo kích cỡ và tốc độ quay của chúng. Thực vậy, một số lốc bụi đã từng thổi bay cả những chiếc nhà di động như những vòi rồng (tornado) thực thụ. Mặc dù lốc bụi trông như một vòi rồng tí hon, chúng được tạo ra bởi các điều kiện dưới mặt đất và thăng lên từ bề mặt đất trong khi đó vòi rồng phát triển do sự mất ổn định ở trên cao và đi xuống từ những đám mây. Điển hình là gió luân chuyển xung quanh với sức gió 24 km/h (6.7 m/s) trong một lốc bụi rộng 30 m và có lẽ cũng phù hợp với các mục đích của môn thể thao hàng không. Vận dụng lốc bụi như những chỉ điểm thermal và là nguồn nâng không phải là không có rủi ro. Trong phạm vi ranh giới của lốc bụi có thể thấy có nhiễu loạn dữ dội (cũng như sự bào mòn của cát lên mép trước của cánh bay). Nhiễu loạn này từng phá vỡ một số phương tiện bay và khiến một số khác bị mất kiểm soát. Nguy cơ thảm họa này đưa chúng ta đến một công thức để bay trong lốc bụi được an toàn như sau:

🪂 Bay trong lốc bụi

🚫 Không bay vào lốc bụi dưới 300 m so với mặt đất.
🚫 Không bay vào lốc bụi thấp hơn đỉnh cột bụi nhìn thấy được.
🚫 Không vận dụng những lốc bụi quá lớn và dữ dội ở độ cao thấp.
🔄 Quay theo hướng ngược với hướng xoay của lốc bụi.
🗺️ Định vị thermal dựa vào lốc bụi, nằm bên trái đường di chuyển của lốc bụi nếu ở Bắc Bán Cầu và nằm bên phải nếu ở Nam Bán Cầu.
🆕 Lốc bụi mới hình thành là những chỉ điểm thermal đáng tin cậy hơn so với lốc bụi cũ.

Lốc bụi thịnh hành và mạnh mẽ nhất trong các khu vực hoang mạc. Một số “con quỷ” này có thể có đường kính lên đến 1 km hoặc hơn. Ở các khu vực xanh thì lốc bụi hiếm hơn, ngắn hơn và thấp hơn về quy mô. Một phần của nguyên nhân là sự thiếu hụt bụi để đẩy lên cao. Tác giả của cuốn sách này từng có lần bay trong một thermal ở Pennsylvania ở độ cao 1,500 m với hàng “đàn” lá ngô xoay vòng trong thermal trông như một đám diều hâu. Chúng tôi gọi nó là “leaf devil” (lốc lá). Trong một dịp khác, chúng tôi được chứng kiến một cơn lốc được hình thành từ một mặt đá lộ thiên ở New Hampshire, mà nó không cuốn theo bụi nhưng nó tạo ra âm thanh trên mặt đá nghe như tiếng phụt (fizzing) của pháo hoa. Một vấn đề khác nữa mà chúng ta nên đề cập tới đó là “water devil” (lốc nước), thứ xuất hiện khi một cơn lốc bụi di chuyển qua mặt nước. Dạng lốc này thường có thời gian tồn tại ngắn và không bốc lên quá cao nhưng chúng cho thấy đang có điều kiện thermal hoạt động tốt.

✨ Điều kiện thermal lý tưởng

Sự dịch chuyển của các khối khí tới một khu vực đóng vai trò to lớn quyết định tính ổn định của không khí và tạo ra tiềm năng thermal. Front nóng và các khối khí nóng nói chung không có lợi cho thermal bởi vì chúng tải theo hơi ẩm sẽ làm giảm sự đốt nóng do ánh nắng bị tán xạ. Hơi ẩm tự nó nhận nhiệt lượng trực tiếp từ mặt trời và làm nóng khí quyển trước khi thermal có thể phát triển. Các khối khí lạnh nói chung là những nguồn thermal tốt. Điều này là bởi chúng thường mang tới không khí trong, khô và làm khí quyển trở nên kém ổn định khi bề mặt bên dưới của chúng được đốt nóng. Điều này không phải luôn là trường hợp như chúng ta đã thấy trong chủ đề về khối khí gió biển (sea breeze air mass), là một thứ ổn định. Nhưng front lạnh từ vùng cực thì hầu như luôn luôn làm phát sinh nhiều thermal. Ở miền Đông nước Mỹ và Bắc Âu những front dạng này được chào đón vì chúng mang tới điều kiện bay tốt. Đáng tiếc là chúng được kéo đi bởi áp cao và do vậy khối khí kéo theo giáng xuống từ từ. Các thermal mạnh vẫn thăng lên xuyên qua lớp không khí giáng này, nhưng chúng hơi bị làm chậm lại. Vấn đề thực tế là khối khí áp suất cao vượt trội tạo ra nghịch nhiệt giáng (subsidence inversion) và do đó nó tạo ra một giới hạn cho thermal. Vì lý do này, ở miền Đông nước Mỹ bình thường thermal ngừng lại ở tầng nghịch nhiệt ở độ cao 2,000 m so với mực nước biển và trần mây 4,000 m là hiếm, nó là cảnh tượng hết sức rực rỡ. Ở mặt khác, các vùng hoang mạc thì thời kỳ bay đẹp nhất là khi có một hệ thống áp thấp tọa lạc bao trùm lên khu vực. Không khí thăng lên một cách yếu ớt trong khu áp thấp làm giảm tính ổn định ở trên cao và hỗ trợ cho tiến trình của thermal. Thermal thăng lên độ cao trên 7,000 m không phải là bất thường trong những khu vực này bởi vì nghịch nhiệt thường không hiện diện ở đây. Hầu hết các khu giữ áp thấp trong hoang mạc đều là áp thấp nhiệt (heat lows - vùng áp thấp nhiệt). Khu áp thấp thường không phải là điều kiện tạo ra thermal trong các vùng ẩm ướt bởi vì không khí thăng lên ở đó tạo nhiều mây và mưa. Các phi công ở các khu vực xanh (không phải vùng hoang mạc) phải đối mặt với các hệ thống áp cao với độ cao thấp (do nghịch nhiệt). Trong các khu vực ẩm ướt hơn thì nhu cầu cần thiết nhất là một điều kiện khô. Trái lại, ở vùng hoang mạc thì một chút độ ẩm là thứ nên có bởi vì nếu có thêm một chút hơi ẩm vào thermal sẽ giúp cho nó nhẹ hơn và thăng lên tốt hơn. Thermal ẩm hơn cũng tạo ra mây là thứ chỉ điểm thermal tuyệt vời ở trên cao.

✨ Điều kiện thermal tốt

Trời trong và nắng chói
Gió nhẹ cho đến vừa phải
Front lạnh, áp cao và khô trong khu vực xanh, ẩm ướt.
Áp thấp và có chút hơi ẩm trong vùng hoang mạc.

🪂 Dòng nâng trong một thermal

Khi một thermal lý tưởng thăng lên, nó tự tạo nên một hình dạng lý tưởng như một cây nấm tự cuộn từ trong ra như một vòng khói, minh họa ở hình dưới đây. Không khí thăng lên trong vùng lõi hay vùng tâm thermal di chuyển hướng thẳng lên với tốc độ gấp khoảng hai lần so với tốc độ ở vùng đỉnh thermal. Do vậy có khả năng là gần vùng đỉnh thì tốc độ nâng chậm đi trong khi những phi công khác đang leo gần về phía bạn từ bên dưới. Đừng luôn nghĩ rằng họ có kỹ năng bay thermal tốt hơn trong tình huống này mà đơn giản là vì vị trí của họ đang ở trong vùng khí thăng nhanh hơn.

Khi thermal thăng lên, nó đội không khí ở bên trên lên và đẩy chúng sang hai bên tạo ra vùng giáng (sink) và nhiễu loạn dọc theo rìa của thermal. Một khu vực nhiễu loạn trộn lẫn xuất hiện tại mép trước của thermal như trong minh họa. Vùng giáng và nhiễu loạn thường là thứ tiên báo trước về thermal cho phi công. Khi một thermal lý tưởng thăng lên, nó liên tục nở ra vì nó tiếp nhận thêm không khí và nằm trong môi trường áp suất giảm dần. Nó được tiếp tế từ bên dưới nếu vẫn còn không khí đã được làm nóng ở phía dưới và đồng thời cuốn theo không khí từ bên hông, thứ có thể bổ trợ thêm cho cường độ thermal nếu đó là lượng khí nóng còn sót lại từ thermal trước hoặc sẽ làm loãng thermal nếu nó là không khí lạnh. Một số xoáy cuộn và một vài nhánh tách rời của thermal bị bỏ lại đằng sau như trong hình minh họa dưới đây. Có lẽ chắc chắn rằng những thermal lý tưởng tồn tại trong tự nhiên từ hàng ngàn báo cáo của phi công đã mô tả hình thái dòng nâng trong thermal như trong sách giáo khoa. Tuy nhiên, cũng có nhiều trường hợp lõi thermal “lởn vởn”, nhiều lõi và có cường độ khác nhau. Chúng sẽ được xem xét và so sánh cụ thể ở phần sau.

Sự hoà trộn, Vùng giáng và Dòng nâng quanh một thermal

📉 Vùng giáng thermal

Trong các điều kiện không ổn định, chúng ta biết rằng không khí thăng lên sẽ “muốn” tiếp tục thăng lên nữa. Chúng ta cũng nên biết rằng không khí bị đẩy xuống sẽ muốn duy trì chuyển động xuống dưới nếu nó vẫn duy trì được nhiệt độ lạnh hơn so với không khí xung quanh trong một khí quyển có hệ số giảm nhiệt bất ổn định. Không khí giáng này hoạt động tương tự như một “thermal âm” (negative thermal). Trong điều kiện thermal hoạt động tốt, không khí giáng sẽ rất nhiều. Thường thì thermal càng mạnh, vùng giáng cũng càng mạnh. Tuy nhiên, bởi vì thermal chiếm khoảng 1/10 không gian bầu trời hoặc ít hơn, nên không khí giáng sẽ phân bố rộng hơn và không tập hợp lại thành những lõi giáng mạnh thẳng đứng. Vùng giáng giữa các thermal (interthermal sink) thường mạnh nhất khi ở trên cao, nơi có thermal rộng và có khả năng tốt hơn để bắt đầu một vùng giáng rộng hơn. Nếu thermal được tập hợp bởi núi, những hiệu ứng địa hình khác hay hiệu ứng phố thermal, vùng giáng cũng có thể có trật tự và phân bố rộng hơn. Đôi lúc chính sách tốt nhất khi bị rơi vào một vùng giáng trong một khoảng thời gian dài đó là chuyển hướng 90° so với đường bay hiện tại của bạn và hy vọng rằng bạn đã bay dọc theo trục dọc của một vùng giáng hình elip và nhờ vậy có thể thoát khỏi vùng giáng.

📝 Tổng kết

Chúng ta cố gắng kéo dài hành trình khám phá của mình ở trên trời cao bằng hy vọng bay tự do tới bất cứ đâu có thể. Một trong những phương tiện tốt nhất để bay mà phi công bay soaring có thể tìm thấy đó chính là thermal. Sự chuyên chở này giống như những khinh khí cầu thăng lên thiên đường. Vấn đề duy nhất đó là phần lớn chúng vô hình, do đó chúng ta phải hiểu về hành vi của chúng nhờ đó có thể đưa ra những phỏng đoán tốt nhất về việc phải tìm chúng như thế nào, ở đâu và khi nào. Thermal phong phú và thực tế có thể tìm thấy ở bất cứ nơi đâu vào nhiều thời điểm khác nhau. Chúng có đặc tính đa dạng khác nhau về: cường độ, nhiễu loạn, kích cỡ, thời lượng độ bền và độ cao. Chỉ có kinh nghiệm, sự hiểu biết kèm theo một chút may mắn mới mang đến cho bạn khả năng tìm được thermal tốt nhất trong điều kiện sẵn có. Bây giờ thì chúng ta đã có một nền tảng kiến thức tốt về hành vi của thermal để sẵn sàng đi sâu hơn vào thế giới đầy mê hoặc của các dòng nâng.