Bí ẩn thế kỷ: Hơn 200 năm sau khoa học mới giải mã thành công "thứ vô hình khổng lồ" bao quanh Trái Đất này

Laplace đã khởi động một sứ mệnh kéo dài hàng thế kỷ để tìm ra bí mật khổng lồ bao quanh Trái Đất.

Cùng với từ trường, bầu khí quyển giúp bảo vệ con người và mọi sinh vật sống trên Trái Đất khỏi các tác động có hại từ Mặt Trời và không gian vũ trụ (thiên thạch, tiểu hành tinh...).

Bầu khí quyển bảo vệ sự sống trên Trái Đất bằng cách tạo ra áp suất cho phép nước lỏng tồn tại trên bề mặt Trái Đất, hấp thụ bức xạ tia cực tím từ Mặt Trời, làm ấm bề ​​mặt thông qua quá trình giữ nhiệt (hiệu ứng nhà kính) và giảm nhiệt độ khắc nghiệt giữa ngày và đêm (biến thiên nhiệt độ ngày).

Tuy vậy, kiến thức của con người về khí quyển bao quanh Trái Đất vẫn chưa hoàn thiện. Bất chấp những phân tích bằng các thuật toán khí tượng tinh vi nhất hiện nay, những bí ẩn xoay quanh lớp khí dày đặc vẫn khiến giới khoa học đau đầu.

NHƯNG sự phức tạp của bầu khí quyển không ngăn được nhà khoa học người Pháp Pierre-Simon Laplace (1749-1827) 'bẻ khóa' một trong những vấn đề về 'hành vi khí quyển' vào cuối những năm 1700. 

Nhà vật lý thế kỷ 18 ấy lần đầu tiên dự đoán về sự tồn tại của sóng áp suất trong khí quyển quanh Trái Đất. Để rồi 220 năm sau, các nhà khoa học mới tìm thấy chúng.

1. Trí tuệ đỉnh cao thế kỷ 18

Mặc dù chưa bao giờ nhìn thấy bản đồ thời tiết toàn cầu, Laplace đã phát triển một lý thuyết dự đoán dựa trên phát hiện của mình rằng: Các sóng áp suất cỡ lục địa đã quét trên toàn cầu theo một chu kỳ nhất định.

Vào thời của thế kỷ 18, việc đặt ra những câu hỏi và đi tìm câu trả lời xoay quanh quả Địa Cầu là một thách thức không hề nhỏ. Do đó,ý tưởng ban đầu của Laplace đã khởi động một sứ mệnh kéo dài hàng thế kỷ để tìm ra những dòng sóng vô hình như vậy quanh Trái Đất.

Ban đầu, Laplace tự hỏi Mặt Trăng ép không khí xung quanh hành tinh của chúng ta ở mức độ nào, và ông bắt đầu phân tích các loại sóng có thể xuất hiện như một hệ quả có việc đó. 

Ông tưởng tượng bầu khí quyển như một chất lỏng mỏng trên một quả cầu nhẵn, và ông kết luận rằng lực hấp dẫn sẽ ghim một lớp sóng xuống mặt đất, nơi chúng sẽ di chuyển ít nhiều theo chiều ngang - những sự nhấp nhô hai chiều ôm lấy bề mặt hành tinh. 

Laplace không đặt tên cho những sóng này hoặc tính toán chi tiết hành vi của chúng, nhưng các nhà khoa học khí quyển hiện đại mô tả chúng là "chế độ bình thường - normal mode" của một hệ thống dao động với những làn sóng cộng hưởng như tiếng chuông ngân.

Chúng chạy vòng quanh thế giới với tốc độ (khoảng hơn 1000 km/giờ) vượt quá tốc độ của hầu hết các máy bay chở khách/máy bay dân dụng, chủ yếu theo hướng đông và hướng tây.

Nhà khoa học người Pháp Pierre-Simon Laplace (1749-1827). Ảnh: Britannica.

Nhà vật lý người Pháp cố gắng đưa ý tưởng này tiếp cận giới khoa học bấy giờ, ông thậm chí còn đưa công cụ cho các nhà vật lý tính toán hành vi của khí quyển. Nhưng có ai đủ hiểu biết để lắng nghe ông?

Cùng khoảng thời gian Laplace đưa ra mô hình của mình, các nhà thám hiểm và nhà tự nhiên học quốc tế trong đó có Alexander von Humboldt (1769-1859) nhận thấy rằng áp suất ở vùng nhiệt đới tăng và giảm 12 giờ một lần. Thời gian ban ngày chịu sự ảnh hưởng của Mặt Trời. Tuy nhiên, các nhà vật lý lý thuyết không thể giải thích tại sao tác động lại lớn như vậy. 

Bí ẩn tiếp tục gây khó hiểu cho các nhà khoa học trong gần một thế kỷ, cho đến khi nhà phát minh vĩ đại người Scotland William Thomson (1824-1907) năm 1882 dự đoán rằng chu kỳ nóng lên của Mặt Trời cộng hưởng với một trong những "dao động tự do" của Laplace. 

Ông nghĩ rằng Mặt Trời có thể tạo ra một lực đẩy quá lớn vì nó tạo ra rung động ở tần số chính xác của một trong những dao động của Laplace, giống như một ca sĩ Opera có thể làm vỡ ly rượu với đúng cao độ.

2. Hơn 200 năm sau...

Dự đoán đó sẽ không được đưa vào hồ sơ khoa học cho đến những năm 1980, với những phân tích đầu tiên của Taroh Matsuno - nhà khí tượng học Nhật Bản - và sau đó là nghiên cứu của Hamilton và Rolando Garcia (đến từ Trung tâm Nghiên cứu Khí quyển Quốc gia Mỹ). 

Hamilton và Rolando Garcia tình cờ tìm thấy bộ dữ liệu lý tưởng: Một trạm thời tiết ở Indonesia đã thực hiện các phép đo áp suất hàng giờ liền trong gần 1 thế kỷ.

Năm 2019, Trung tâm Dự báo Thời tiết Phạm vi Trung bình Châu Âu (ECMWF) phát hành một bộ dữ liệu có tên là ERA5. Nhiệm vụ của ERA5 là cung cấp các ước tính hàng giờ về một số lượng lớn các biến thiên khí hậu khí quyển, đất liền và đại dương. Dữ liệu bao phủ Trái Đất trên hệ thống lưới rộng 30 km và phân giải bầu khí quyển bằng 137 cấp độ từ bề mặt lên đến độ cao 80 km.

Sóng áp suất trong khí quyển chạy vòng quanh thế giới với tốc độ (khoảng hơn 1000 km/giờ) vượt quá tốc độ của hầu hết các máy bay chở khách. Nguồn: T. Sakazaki and K. Hamilton

ERA5 kết hợp các bài đọc từ hàng nghìn trạm mặt đất, khí cầu thời tiết và vệ tinh, đồng thời nó sử dụng các mô hình thời tiết để điền vào chỗ trống một cách thông minh. Kết quả là một tập dữ liệu nhằm mục đích tái tạo lại cùng một thông tin mà mạng lưới các trạm thời tiết trên toàn cầu đặt cách nhau 10 km và thực hiện đọc mỗi giờ từ năm 1979 đến năm 2016.

Takatoshi Sakazaki, một trợ lý giáo sư tại Đại học Kyoto ở Nhật Bản, đã không tìm kiếm sóng của Laplace khi ERA5 ra mắt. Ban đầu ông tập trung vào các biến đổi nhiệt độ. Nhưng khi nhận thấy điều khác lạ, Takatoshi Sakazaki liên hệ với Hamilton - người từng là cố vấn nghiên cứu sau tiến sĩ của ông - để tìm câu trả lời.

Hamilton đã dành nhiều thập kỷ trước năm 1980 để sàng lọc dữ liệu của trạm thời tiết để tìm ra các gợi ý "hành vi" của khí quyển. Giờ đây, trong tay ông có bằng chứng về "bản giao hưởng đầy đủ" của sóng áp suất trong khí quyển Trái Đất.

Takatoshi Sakazaki và Hamilton đã làm việc cùng nhau để phân tích cấu trúc ba chiều đầy đủ của sóng áp suất một cách chi tiết; họ đã công bố những phát hiện của mình trên số tháng 7/2020 của Tạp chí Khoa học Khí quyển (Journal of the Atmospheric Sciences) thuộc Hiệp hội Khí tượng Mỹ.

Nghiên cứu của họ trình bày chi tiết hành vi của hàng chục loại sóng được tìm thấy vào những năm 1980. Một số sóng năng lượng cao nhất thực hiện chu kỳ từ áp suất cao đến áp suất thấp hàng chục lần khi chúng trải dài quanh hành tinh; các tập hợp sóng bổ sung được tạo ra bởi sự quay của Trái Đất. 

Tất cả kết quả của họ khớp chính xác với các dự đoán dựa trên phương trình Laplace. "Tôi  nghĩ rằng Laplace, Kelvin và những nhà khoa học xuất chúng khác cách đây vài thế kỷ sẽ rất phấn khích khi thấy một thứ như thế này" - Hamilton chia sẻ.

Như vậy, phải mất hàng trăm năm sau, các nhà khoa học mới có thể hoàn thành nghiên cứu dang dở của nhà khoa học lừng danh người Pháp về sóng áp suất trong khí quyển. Bầu khí quyển, các tầng, các loại sóng... vẫn miệt mài và âm thầm làm nhiệm vụ bảo vệ sự sống của con người và mọi sinh vật trên Trái Đất.

Không có chúng, cần bằng nhiệt trên Trái Đất sẽ bị đảo lộn, đại dương sẽ bị sôi sục, thiên thạch khổng lồ khuấy đảo cuộc sống muôn loài... Đó là lý do, hiểu về bầu khí quyển là cách chúng ta hiểu về vai trò sống còn của nó, để làm sao duy trì sứ mệnh đó trong tương lai.

• Oxy từ Trái đất có thể làm rỉ sắt trên Mặt trăng