Ban đêm, mặt đất, mái nhà, lá cây và cả cơ thể ta liên tục mất nhiệt bằng cách phát tia hồng ngoại lên bầu trời. Khi trời quang, phần lớn tia ấy bay thẳng ra vũ trụ lạnh giá và gần như không có gì gửi lại; khi trời nhiều mây, đáy mây (ấm hơn khoảng không bên trên rất nhiều) hấp thụ rồi phát ngược hồng ngoại xuống, như một tấm chăn. Vì thế đêm trời quang, lặng gió là đêm lạnh nhất, đọng sương nhiều nhất và là đêm dễ có sương muối ở vùng núi.
Cảnh quen thuộc ở Việt Nam
Ở Đà Lạt (Lâm Đồng), những đêm mùa khô trời trong vắt, sao dày đặc, thì sáng ra lạnh buốt; đêm mây mù kéo về thì ấm hơn hẳn. Ở miền Bắc, sau khi gió mùa đông bắc tràn về mang mưa phùn, tới lúc trời hửng và quang mây, những đêm tiếp theo mới là đêm rét nhất, vùng núi như Sa Pa (Lào Cai), Mẫu Sơn (Lạng Sơn), Mộc Châu (Sơn La) có thể có sương muối phủ trắng cỏ.
Người làm nông có kinh nghiệm từ lâu: "đêm trời trong, sáng sương muối". Kinh nghiệm dân gian này hoàn toàn khớp với vật lý.
Cơ chế: một cuộc trao đổi tia hồng ngoại
Mọi vật đều phát xạ
Mọi vật có nhiệt độ đều phát ra bức xạ điện từ. Ở nhiệt độ quen thuộc (0–40 °C), bức xạ ấy chủ yếu là hồng ngoại xa, bước sóng quanh 10 micromét, mắt không thấy. Vật càng nóng phát càng mạnh. Đồng thời mọi vật cũng nhận bức xạ từ các vật xung quanh.
Một vật nguội đi hay ấm lên tuỳ việc nó phát ra nhiều hơn hay nhận về nhiều hơn. Trong phòng kín, bạn nhận bức xạ từ tường, trần gần bằng nhiệt độ mình, nên cuộc trao đổi gần như hoà. Dưới bầu trời đêm, "trần nhà" là bầu trời.
Bầu trời quang "lạnh" tới mức nào
Bầu trời không trống rỗng hoàn toàn: hơi nước, khí CO₂ và các khí khác trong khí quyển cũng phát hồng ngoại xuống. Nhưng ở dải bước sóng khoảng 8–13 micromét, gọi là cửa sổ khí quyển, không khí gần như trong suốt. Tia hồng ngoại của mặt đất ở dải này bay thẳng ra vũ trụ, nơi lạnh khoảng −270 °C, và không có gì phát lại.
Kết quả: với một bề mặt nằm ngửa, bầu trời quang hoạt động như một cái trần lạnh hơn không khí xung quanh rất nhiều, có thể lạnh hơn khoảng mười tới vài chục độ, tuỳ độ ẩm. Không khí càng khô, cửa sổ càng "mở", trời càng lạnh. Đó là lý do sa mạc, cao nguyên khô có chênh lệch ngày đêm rất lớn.
Mây là tấm chăn
Giọt nước trong mây hấp thụ hầu như toàn bộ hồng ngoại, kể cả ở cửa sổ khí quyển. Đáy mây thấp chỉ lạnh hơn mặt đất vài độ, nên nó phát xuống gần như ngang với lượng mặt đất phát lên. Cuộc trao đổi trở về gần hoà, mặt đất nguội rất chậm. Mây càng thấp, càng dày, chăn càng ấm. Mây ti mỏng trên cao lạnh hơn nhiều nên chỉ là "chăn mỏng".
Vì sao còn cần lặng gió
Khi mặt đất nguội vì bức xạ, nó làm lớp không khí sát nó nguội theo. Nếu có gió, không khí bị khuấy trộn, mang khí ấm hơn từ trên cao xuống, mặt đất không lạnh sâu được. Nếu lặng gió, lớp khí lạnh đọng lại sát mặt đất, nặng hơn nên không bốc lên, ngày càng lạnh hơn. Hình thành một lớp nghịch nhiệt: càng gần mặt đất càng lạnh, ngược với ban ngày.
Khí lạnh nặng còn chảy xuống chỗ trũng như nước. Vì vậy thung lũng, lòng chảo, chân dốc thường lạnh hơn sườn đồi vào đêm quang lặng gió, và sương muối hay đọng ở đáy thung lũng trước.
(Lớp nghịch nhiệt này cũng làm âm thanh ban đêm đi xa hơn — đó là câu chuyện của âm học, có bài riêng.)
Bảng: ba kiểu đêm
| Kiểu đêm | Mặt đất mất nhiệt | Sáng hôm sau |
|---|---|---|
| Trời quang, lặng gió, không khí khô | Rất nhanh | Lạnh nhất; nhiều sương; vùng núi phía Bắc mùa đông dễ có sương muối |
| Trời quang, có gió | Nhanh nhưng bị gió bù | Lạnh vừa, ít sương hơn |
| Nhiều mây thấp, mây dày | Chậm | Ấm hơn, chênh lệch ngày đêm nhỏ, ít hoặc không có sương |
Những hệ quả nhìn thấy được
Sương muối khi nhiệt kế vẫn trên 0 °C
Nhiệt độ trong bản tin thời tiết đo ở độ cao khoảng 1,5–2 m trong lều khí tượng che chắn. Đêm quang lặng gió, lá cỏ, nóc xe, mái tôn có thể lạnh hơn con số ấy vài độ. Vì vậy có sương muối trên cỏ dù bản tin báo vài độ trên 0. Sương muối gây hại lớn cho chè, rau màu và cây ăn quả ở vùng núi phía Bắc; nông dân thường được khuyến cáo che phủ, tưới nước hoặc hun khói để giảm hại.
Sương đọng dưới bầu trời, không đọng dưới mái hiên
Sáng ra, xe máy để ngoài sân ướt đẫm, yên xe đọng sương; xe để dưới mái hiên vẫn khô. Mái hiên chặn tầm nhìn lên bầu trời lạnh, che xe khỏi việc mất nhiệt bằng bức xạ. Cỏ ngoài bãi trống đẫm sương, cỏ dưới tán cây khô hơn.
Làm đá bằng bầu trời
Năm 1775, Robert Barker gửi Hội Hoàng gia Anh bản mô tả cách người dân vùng Bắc Ấn Độ làm đá vào những đêm mùa đông trời quang: đặt nước trong khay đất nung nông, kê trên rơm khô trong những hố cạn. Không khí không xuống dưới 0 °C, nhưng nước trong khay vẫn có lúc đóng một lớp băng mỏng, vì nó mất nhiệt lên bầu trời quang và được rơm cách nhiệt với mặt đất ấm.
Làm mát bằng bức xạ ngày nay
Các nhà khoa học đang phát triển vật liệu phản xạ gần hết ánh nắng nhưng phát mạnh hồng ngoại đúng ở cửa sổ khí quyển. Năm 2014, một nhóm ở Đại học Stanford công bố trên tạp chí Nature một vật liệu như vậy, nguội xuống dưới nhiệt độ không khí ngay cả dưới nắng trưa. Đây là hướng nghiên cứu cho mái nhà, tấm làm mát không tốn điện.
Hiểu lầm thường gặp
- "Đêm quang lạnh vì không có mây che gió." Mây không chặn gió; gió thậm chí làm đêm đỡ lạnh. Mây giữ ấm bằng cách phát hồng ngoại xuống.
- "Sương rơi từ trên trời xuống." Sương không rơi; nó ngưng tụ ngay trên bề mặt đã nguội xuống dưới điểm sương. Vì thế mặt trên của lá đọng sương nhiều, mặt dưới ít.
- "Sương muối là sương có muối." Sương muối là hơi nước đông thành tinh thể băng trên bề mặt, trắng như muối rắc. Không có muối nào.
- "Nhiệt độ trên 0 °C thì không có băng." Bề mặt hướng lên trời quang có thể lạnh hơn không khí vài độ, nên băng vẫn hình thành.
Tự quan sát / tự thử an toàn
Hai nhiệt kế, hai mái che
- Chọn một đêm trời quang, ít gió (xem ứng dụng thời tiết: lượng mây thấp, gió nhẹ).
- Đặt hai nhiệt kế giống nhau lên hai miếng xốp nhỏ trên sân: một cái ở bãi trống, nhìn thẳng lên trời; một cái dưới gầm bàn, ghế đá hoặc mái hiên.
- Sáng sớm trước khi mặt trời mọc, đọc cả hai. Cái ngoài trời thường thấp hơn rõ, có khi vài độ.
- Lặp lại vào một đêm nhiều mây. Chênh lệch nhỏ đi đáng kể.
Chĩa nhiệt kế hồng ngoại lên trời
Nếu có nhiệt kế hồng ngoại cầm tay, chĩa thẳng lên bầu trời quang vào ban đêm (không bao giờ chĩa vào mặt trời, mà ban đêm thì không có lo ấy). Số đọc thường rất thấp, có khi dưới mức thấp nhất máy đo được và báo lỗi. Chĩa vào một đám mây thấp: số đọc tăng vọt. Bạn vừa "đo" được tấm chăn mây.
Tìm sương theo bầu trời
Sáng sớm, so sánh yên xe, nóc ô tô, lá cây dưới bầu trời trống và dưới mái che. Chụp ảnh lại. Ở vùng núi phía Bắc mùa đông, nếu thấy sương muối, hãy để ý nó nhiều nhất ở chỗ trũng, chỗ trống và trên mặt hướng lên trời.
Lưu ý an toàn: đêm lạnh vùng núi, mặc đủ ấm khi ra ngoài sớm; không đốt lửa sưởi trong phòng kín (ngộ độc khí CO); đi đứng cẩn thận vì sương muối làm đường, bậc thềm trơn.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao đêm trời quang lạnh hơn đêm nhiều mây?
Vì mặt đất mất nhiệt bằng cách phát hồng ngoại lên trời. Trời quang, phần lớn tia đó thoát ra vũ trụ; trời nhiều mây, đáy mây hấp thụ và phát hồng ngoại ngược xuống như tấm chăn, nên mặt đất nguội chậm hơn.
Vì sao có sương muối dù nhiệt độ trên 0 độ?
Nhiệt độ bản tin đo ở độ cao khoảng 1,5–2 m. Đêm quang lặng gió, bề mặt cỏ, lá, mái nhà có thể lạnh hơn vài độ do bức xạ lên trời, xuống dưới 0 °C, nên hơi nước đông thành băng trên đó.
Cửa sổ khí quyển là gì?
Là dải bước sóng hồng ngoại khoảng 8–13 micromét mà khí quyển gần như trong suốt. Bức xạ nhiệt của mặt đất ở dải này thoát thẳng ra vũ trụ khi trời quang, là lý do chính khiến mặt đất nguội nhanh về đêm.
Vì sao xe để dưới mái hiên không đọng sương?
Mái hiên che xe khỏi bầu trời lạnh, và chính mái hiên phát hồng ngoại xuống. Xe không nguội xuống dưới điểm sương nên không đọng sương.
Vì sao đêm lặng gió lạnh hơn đêm có gió?
Khi lặng gió, khí lạnh sát mặt đất không bị khuấy trộn với khí ấm hơn trên cao, nên tích lại và lạnh dần. Gió trộn không khí và bù nhiệt cho mặt đất.
