Vì sao trời lạnh thở ra khói: hơi thở thành mây nhỏ thế nào

Hơi thở của ta ấm (khoảng 32–35 °C) và gần như bão hoà hơi nước. Khi nó gặp không khí lạnh, hai luồng hoà trộn và hỗn hợp bị dư hơi nước so với mức nó có thể giữ, nên phần dư ngưng lại thành hàng tỉ giọt nước li ti. Đám giọt ấy tán xạ ánh sáng, trông như làn khói trắng, rồi tan đi trong vài giây khi hoà loãng vào không khí khô hơn. "Khói" khi thở thực chất là một đám mây nhỏ.

Thấy ở đâu, lúc nào

Ở Việt Nam, cảnh này quen thuộc với người miền Bắc vào những sáng mùa đông có gió mùa đông bắc tràn về, nhất là ở vùng núi: Sa Pa (Lào Cai), Mẫu Sơn (Lạng Sơn), Đồng Văn (Tuyên Quang), Mộc Châu (Sơn La). Ở Đà Lạt (Lâm Đồng), sáng sớm mùa khô cũng đôi khi thấy được. Ở miền Nam gần như không gặp ngoài trời, nhưng bạn vẫn thấy nó khi mở cửa kho lạnh, tủ cấp đông của siêu thị, hay đứng trước máy lạnh đang thổi mạnh.

Không có một nhiệt độ cố định mà dưới đó hơi thở mới thành khói. Nó phụ thuộc vào cả nhiệt độ lẫn độ ẩm của không khí. Không khí càng lạnh và càng ẩm, khói càng dễ thấy và càng lâu tan. Trong không khí ẩm như sau mưa, có khi khoảng 10–12 °C đã thấy; trong không khí hanh khô, có thể phải lạnh hơn thế nhiều.

Cơ chế: phép trộn tạo ra "quá bão hoà"

Không khí giữ hơi nước có giới hạn

Ở mỗi nhiệt độ, một mét khối không khí chỉ chứa được tối đa một lượng hơi nước nhất định. Vượt mức đó, phần dư sẽ ngưng tụ. Giới hạn này tăng rất nhanh theo nhiệt độ. Ở 35 °C, không khí giữ được khoảng 40 gam hơi nước mỗi mét khối; ở 20 °C khoảng 17 gam; ở 10 °C khoảng 9 gam; ở 0 °C chỉ khoảng 5 gam.

Điểm quan trọng là đường giới hạn này cong, không thẳng: đi từ ấm xuống lạnh, sức chứa giảm nhanh hơn theo cấp số, không giảm đều.

Vì sao trộn hai khối khí "chưa bão hoà" lại sinh ra nước

Hơi thở ra ở khoảng 34 °C, độ ẩm gần 100%, chứa gần 40 gam hơi nước mỗi mét khối. Không khí buổi sáng ở 5 °C có thể chỉ chứa 5–6 gam. Khi một phần hơi thở trộn với vài phần không khí lạnh, nhiệt độ và lượng hơi nước của hỗn hợp đều nằm ở khoảng giữa, theo tỉ lệ trộn.

Nhưng vì giới hạn chứa hơi nước cong, nên "điểm giữa" của phép trộn thường nằm phía trên đường giới hạn: hỗn hợp có nhiều hơi nước hơn mức nó giữ được ở nhiệt độ mới. Phần dư ngưng tụ ngay. Các nhà khí tượng gọi đây là mây hình thành do hoà trộn, cùng cơ chế với vệt mây trắng sau máy bay phản lực bay cao.

Nói bằng hình ảnh: hai cái cốc đều chưa đầy, đổ chung vào một cốc nhỏ hơn thì tràn. Cốc "nhỏ hơn" ở đây chính là sức chứa hơi nước của không khí sau khi hơi thở bị làm lạnh.

Vì sao khói tan nhanh

Khi trộn thêm nhiều không khí lạnh nữa, hỗn hợp càng gần với không khí xung quanh, vốn chưa bão hoà. Lúc đó các giọt nước li ti bay hơi trở lại, khói biến mất. Không khí xung quanh càng khô, khói tan càng nhanh. Đứng trong sương mù, khói thở hầu như không tan mà hoà lẫn vào sương.

Bảng: khi nào hơi thở thành khói

Bảng dưới là hướng dẫn định tính. Ranh giới thực tế mờ, tuỳ hơi thở mạnh hay nhẹ, có gió hay không.

Họ hàng của làn khói thở

"Khói" từ vòi ấm nước sôi

Nhìn kỹ vòi ấm nước đang sôi, ngay sát miệng vòi có một khoảng vài centimét trong suốt, rồi mới tới làn trắng. Khoảng trong suốt ấy mới là hơi nước thật, vốn vô hình như mọi chất khí. Làn trắng phía sau là những giọt nước li ti đã ngưng tụ khi hơi gặp không khí nguội. Cùng cơ chế với hơi thở, chỉ là nóng hơn nhiều. Đừng đưa tay vào khoảng trong suốt đó: hơi nước 100 °C gây bỏng nặng hơn nước sôi vì khi ngưng tụ trên da nó nhả thêm nhiệt.

Khói từ ống xả xe buổi sáng lạnh

Đốt xăng sinh ra hơi nước. Sáng lạnh, ống xả xe nhả làn khói trắng dày hơn bình thường: phần lớn là hơi nước ngưng tụ, giống hơi thở. Khi máy và ống xả nóng lên, làn trắng nhạt đi. Khói trắng dày kéo dài khi máy đã nóng thì lại là chuyện khác, nên đem xe đi kiểm tra.

Hồ nước bốc "khói" sáng sớm

Sáng mùa đông, mặt ao hồ, sông ấm hơn không khí bốc lên những làn sương mỏng. Hơi nước bốc ra từ mặt nước ấm gặp không khí lạnh và ngưng tụ, đúng như hơi thở. Ở xứ lạnh người ta gọi là "khói biển". Ở miền Bắc, có thể thấy trên sông Hồng, hồ Tây vào những sáng rét, lặng gió.

Trâu bò thở ra khói

Trâu bò có lượng khí thở lớn và ấm, nên vào sáng rét ở vùng núi, đàn trâu thở ra những làn khói to, rất ăn ảnh. Cũng vì thế người ta hay thấy khói từ mũi ngựa trong ảnh tuyết.

Mây sau máy bay

Ở độ cao khoảng 9–12 km, không khí lạnh dưới −40 °C. Khí thải động cơ phản lực nóng và chứa nhiều hơi nước, trộn với không khí rất lạnh sinh ra vệt trắng. Về bản chất vật lý, vệt mây ấy là anh em với làn khói thở của bạn (ở trên đó giọt nhanh chóng đông thành tinh thể băng).

Hiểu lầm thường gặp

• "Khói thở là hơi nước." Hơi nước thì vô hình. Cái ta thấy là nước lỏng dạng giọt cực nhỏ, như mây và sương mù.
• "Thở ra khói là vì hơi thở nóng." Chỉ đúng một nửa. Hơi thở mùa hè vẫn nóng như thế mà không thành khói. Phải có không khí đủ lạnh để phép trộn vượt ngưỡng bão hoà.
• "Thấy khói thở là nhiệt độ dưới một con số cố định." Không có con số cố định nào. Độ ẩm quyết định nhiều không kém nhiệt độ.
• "Hơi trắng từ ấm nước không nóng bằng chỗ sát vòi." Đúng là làn trắng đã nguội bớt, nhưng vẫn có thể gây bỏng ở gần. Còn chỗ trong suốt sát vòi là nóng nhất.

Liên quan gần: kính đeo mắt bị mờ khi bước từ ngoài trời lạnh vào phòng ấm, hay cốc nước đá "đổ mồ hôi", là ngưng tụ trên bề mặt lạnh, có bài riêng trong danh mục này. Còn khói thở là ngưng tụ ngay trong không khí, không cần bề mặt.

Tự quan sát / tự thử an toàn

Ngắm và chụp khói thở

• Đứng quay lưng về phía mặt trời buổi sáng hoặc đứng cạnh một nền tối (cửa gỗ, bụi cây), khói thở trắng hiện rõ nhất khi được chiếu sáng từ bên cạnh hoặc từ phía sau.
• Thử thở bằng mũi, thở mạnh bằng miệng, rồi thổi qua môi chụm lại. Thổi mạnh qua môi chụm làm không khí giãn nở và trộn nhanh, khói thường ít hơn hoặc tan nhanh hơn.
• Ghi lại nhiệt độ và độ ẩm từ ứng dụng thời tiết mỗi lần thấy khói. Sau vài tuần, bạn sẽ tự vẽ được "bảng khói thở" cho nơi mình ở.

Tự làm khói thở ở xứ nóng

1. Lấy một cái tô hoặc nồi kim loại sạch, cho vào ngăn đá 20–30 phút.
2. Lấy ra, úp miệng tô lại gần miệng (không chạm môi), thở ra nhẹ vào lòng tô.
3. Nhìn kỹ: không khí trong tô lạnh, nên làn hơi thở có thể kịp tạo một thoáng mù trắng mờ, đồng thời thành tô bị phủ một lớp hơi nước.

Cách dễ hơn: đứng trước cửa ngăn đá tủ lạnh vừa mở và thở ra nhẹ. Đừng giữ cửa tủ mở lâu.

Quan sát khoảng trong suốt ở vòi ấm

Với người lớn đi cùng, đứng cách xa ấm nước đang sôi, nhìn ngang vòi ấm dưới ánh sáng tốt. Bạn sẽ thấy khoảng trong suốt sát vòi trước khi làn trắng xuất hiện. Không đưa tay, mặt hay giấy lại gần.