Vật lí và đời sống: "Tìm hiểu về mây"

Đôi điều về mây
Mây được tạo thành bởi các giọt nước cực nhỏ (mây ấm), những tinh thể băng li ti, hoặc cả 2 . Trong điều kiện
thích hợp, các giọt nước li ti có thể ngưng tụ tạo thành giọt nước lớn và có thể rơi xuống đất tạo thành mưa.
Người ta chưa hiểu một cách hoàn chỉnh quá trình hình thành cũng như phát triển của mây, nhưng các nhà khoa
học đã phát triển những lý thuyết giải thích cấu trúc của mây bằng cách nghiên cứu những tính chất vật lý vi mô
của từng giọt nước. Những bước tiến trong công nghệ radar và vệ tinh cho phép những nghiên cứu sâu hơn về
mây trên quy mô lớn.
Hình thành
Lượng nước có thể tồn tại ở dạng hơi cực đại trong không khí tỉ lệ với nhiệt độ. Khi không khí không thể giữ
thêm hơi nước được nữa, nó đạt trạng thái bão hoà. Độ ẩm tỉ đối là 100%. Nếu độ ẩm tỉ đối vượt quá 100%,
không khí ở trạng thái quá bão hoà. Hơi nước dư thừa sẽ ngưng tụ cho đến khi độ ẩm tỉ đối trở lại 100%. Không
khí mát có điểm bão hoà thấp hơn không khí nóng. Sai khác này chính là cơ sở cho sự hình thành của mây. Khi
không khí bão hoà được làm mát, nó không thể giữ được cùng một lượng hơi nước như trước. Nếu điều kiện
thích hợp, hơi nước sẽ ngưng tụ. Một khả năng khác là nước vẫn ở dạng hơi, và không khí ở trạng thái quá bão
hoà. Người ta thấy rằng nước tồn tại ở trạng thái quá bão hoà khá phổ biến, và chỉ ngưng tụ khi độ ẩm đạt đến
120%. Tính chất này là do sự căng mặt ngoài lớn của mỗi giọt nước, khiến chúng khó kết hợp để tạo thaàn giọt
lớn hơn.
Va chạm - kết tụ
Một lý thuyết giải thích cách thức từng giọt nước xử sự để tạo thành mây là quá trình va chạm - kết tụ. Những
giọt nước lơ lửng trong không khí, va chạm với nhau, chúng va chạm đàn hồi và nảy ra xa nhau hoặc kết hợp
với nhau. Cuối cùng, giọt nước trở nên đủ lớn và rơi xuống đất. Quá trình va chạm - kết tụ không đóng một vai
trò quan trọng trong sự hình thành của mây với cùng một lý do rằng các giọt nước có sức căng mặt ngoài khá
cao, ngăn cản sự kết tụ xảy ra trên diện rộng trước khi chúng rơi xuống mặt đất.
Quá trình Bergeron
Tor Bergeron đã phát hiện ra cơ chế cơ bản cho sự hình thành của mây. Quá trình Bergeron chỉ ra rằng nếu có
các hạt tinh thể nước (băng) trong không khí lượng hơi nước mà không khí có thể giữ được giảm xuống. Sự
xuất hiện của các hạt băng sẽ khiến cho không khí bão hoà trở nên quá bão hoà, hơi nước dư thừa sẽ ngưng tụ
thành băng trên bề mặt của hạt. Những hạt băng ban đầu trở thành hạt nhân của một tinh thể băng lớn hơn. Quá
trình này chỉ xảy ra ở nhiệt độ cỡ -40 °C. Sức căng mặt ngoài của giọt nước cho phép nó vẫn tồn tại ở trạng thái
lỏng dưới điểm đông đặc. Nếu điều đó xảy ra, ta gọi đó là nước chậm đông. Quá trình Bergeron dựa trên sự
tương tác của nước chậm động với các hạt băng. Nếu có quá ít các hạt băng, các giót lớn sẽ không thể hình

thành. Người ta đã thành công viêc gieo mầm cho một đám mây bằng các hạt băng nhân tạo để kích thích mưa.
Việc gieo nhiều hạt băng nhân tạo sẽ khiến cho các hạt ngưng tụ nhỏ đi, phương pháp này được sử dụng ở các
vùng có nguy cơ mưa đá.
Giả thuyết pha động (Dynamic phase hypothesis)
Điểm đáng chú ý thứ 2 trong sự hình thành của mây là sự phụ thuộc của nó vào dòng đối lưu. Khí các hạt ngưng
tụ thành giọt nước, nó sẽ bị lực hấp dẫn kéo xuống. Giọt nước ngay lập tức bị phung phí và mây không bao giờ
hình thành. Tuy nhiên, nếu không khí nóng tương tác với không khí lạnh, hình thành các dòng đối lưu, khí nóng
nhẹ hơn chuyển động lên phía trên. Chúng giữ cho các hạt nước ở trong không trung. Thêm vào đó, dòng khí
được làm mát khi càng lên cao, hơi ẩm trong dùng khí ngưng tụ lại, cung cấp thêm các giọt nước cho đám việc
hình thành mây. Dòng khí đi lên có thể đạt tới vận tốc 300km/h. Một hạt băng có thể xoay vòng qua vài dòng
khí nóng trước khi trở nên quá lạnh và rơi xuống đất. Bổ đôi những viên đá trong trận mưa đá, ta thấy nó có
dạng giống củ hành tây, đó là các lớp được hình thành bởi các dòng khí nóng khác nhau. Người ta đã thấy
những viên nước đá trong một trận mưa đá với đường kính gần 20cm.
Phân loại mây
Mây được phân loại theo độ cao và hình dạng của nó. Dạng mây thường thấy nhất là mây dạng tầng tầng lớp
lớp ("mây tầng") hoặc thành từng đống ("mây tích"). Những dạng mây này thường ở độ cao cỡ 2km. Những
đám mây có dạng tương tự ở vùng cao nhất của tầng đối lưu gọi là "mây ti tầng" và "mây ti tích". Ở độ cao
trung bình trong tần đối lưu gọi là "mây trung tần" và "mây trung tích".
Ngoài ra còn có mây dông, thủ phạm của bão, có kích thước cực lớn, trải dài từ vài trăm met so với mặt đất đến
đỉnh tần đối lưu.