Chúng ta quý trọng bầu khí quyển này. Nó giúp chúng ta luôn được ấm áp. Nếu không có nó, trái đất sẽ trở thành một quả cầu băng tuyết không một bóng người với nhiệt độ bình quân là âm 60 độ F. Ngoài ra, bầu khí quyển này có thể hấp thụ hoặc giảm thiểu tác hại của các tia vũ trụ, tia cực tím, và những tác hại tương tự. Nhìn chung, lớp khí đệm của bầu khí quyển có khả năng bảo vệ tương đương lớp bê-tông dày mười lăm foot, và nếu không có nó thì các tác hại từ không gian bên ngoài có thể cắt chúng ta thành nhiều mảnh nhỏ. Ngay cả những hạt mưa cũng có thể khiến chúng ta bất tỉnh nếu không đi qua lớp khí đệm có khả năng giảm thiểu tốc độ rơi của chúng.
Điều nổi bật nhất đối với bầu khí quyển của chúng ta là: nó không có nhiều. Nó trải dài với độ dày khoảng 120 dặm, nếu chúng ta quan sát từ trái đất thì rõ ràng đây là độ dày đáng kể, nhưng nếu bạn giảm kích cỡ của trái đất bằng quả địa cầu để bàn thì nó chỉ có độ dày bằng vài lớp véc–ni.
Khoa học chia bầu khí quyển thành bốn lớp không đồng đều: tầng đối lưu, tầng bình lưu, tầng giữa, và tầng điện ly (ngày nay thường gọi là thượng tầng). Tầng đối lưu là phần gần gũi với chúng ta. Chỉ có nó mới chứa đủ hơi ấm và oxy giúp chúng ta sống và hoạt động hiệu quả, dù rằng khi bạn lên cao thì nó không còn thích hợp với sự sống nữa. Từ mặt đất hướng lên, tầng đối lưu có độ dày khoảng mười dặm tại xích đạo và khoảng sáu đến bảy dặm tại vùng ôn đới.
Bên trên tầng đôi lưu là tầng bình lưu. Khi bạn trông thấy một đám mây bão trải dài với hình chiếc đe, đó là lúc bạn đang trông thấy ranh giới giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu. Ranh giới này được gọi là vùng đỉnh của tầng đối lưu và được khám phá năm 1902 bởi một người Pháp khi ông đang ở trên một khinh khí cầu, Léon–Philippe Teisserenc de Bort. Đỉnh tầng đối lưu không cách xa chúng ta lắm, một chiếc thang máy hiện đại của các tòa nhà cao tầng có thể đưa chúng ta đến đó trong vòng hai mươi phút, dù rằng người ra sẽ khuyên bạn không nên tham gia chuyến đi này. Việc gia tăng độ cao đột ngột mà không có thiết bị điều áp ít nhất cũng khiến bạn bị sưng phổi và bị tác hại não bộ. Khi cửa thang máy được mở ra, những người bên trong nhất định sẽ tử vong hoặc trong tình trạng nguy kịch. Dù chúng ta có được trang bị thiết bị điều áp thì đây cũng là một chuyến đi chẳng hề dễ chịu chút nào. Ở độ cao sáu dặm nhiệt độ ở đó có thể lên đến 70 độ F, và bạn sẽ phải cần đến thiết bị cung cấp oxy.
Sau khi bạn rời khỏi tầng đối lưu, nhiệt độ sẽ ấm dần, lên đến 40 độ F, nhờ bởi hiệu ứng hấp thụ của khí ozon (de Bort khám phá khí ozon trong một thử nghiệm táo bạo vào năm 1902). Sau đó nhiệt độ giảm xuống còn âm 130 độ F tại tầng giữa của khí quyển trước khi tăng vọt lên 2.700 độ F hoặc hơn tại thượng tầng khí quyển, tại đây nhiệt độ giữa ban ngày và ban đêm có thể chênh lệch hàng nghìn độ. Nhiệt độ thực ra cũng chỉ là sự đo lường hoạt động của các phân tử. Ở độ cao bằng mực nước biển, các phân tử không khí rất dày đặc nên một phân tử chỉ có thể di chuyển một khoảng cách cực nhỏ
– khoảng ba phần triệu inch – trước khi va đập vào nhau. Vì có hàng nghìn tỷ các phân tử không ngừng va đập vào nhau nên có nhiều nhiệt lượng được phát ra. Nhưng tại độ cao của thượng tầng khí quyển, cách mặt đất hơn năm mươi dặm, không khí loãng đến mức hai phân tử không khí xuất hiện cách nhau hàng dặm và gần như không thể va đập vào nhau. Thế nên mặc dù mỗi phân tử khí ở đây rất ấm, có rất ít sự va đập giữa chúng nên cũng có rất ít nhiệt lượng được phát ra. Đây là tin tốt cho các vệ tinh và các tàu không gian vì nếu nhiệt độ ở đây cao hơn thì mọi thiết bị không gian nhân tạo đều bị nổ tung.
Dù thế, các tàu không gian phải cẩn thận khi ở không gian bên ngoài, đặc biệt là trong chuyến quay về trái đất, chẳng hạn như tàu con thoi Columbia đã cho thấy bi kịch xảy ra vào tháng Hai 2003. Dù không khí ở đây rất loãng, nếu tàu không gian chúi xuống với một góc quá hẹp – hơn sáu độ – hoặc quá nhanh thì nó có thể va đập mạnh vào các phân tử với bản chất dễ cháy này. Ngược lại, nếu tàu không gian bay về trái đất và tiếp xúc với thượng tầng khí quyển với góc quá rộng, nó sẽ bật nảy lên và quay ngược lại không trung, giống như một viên sỏi nảy lên trên mặt nước.
“Thậm chí trong hoàn cảnh tốt nhất”, người leo núi Peter Habeler đã viết về trạng thái trên đỉnh Everest, “mỗi bước đi ở độ cao như thế đòi hỏi bạn phải rất cố gắng. Bạn phải lê chân từng bước một, bạn luôn gặp nguy cơ kiệt sức, điều này có thể dẫn đến việc bạn phải trả giá bằng mạng sống của mình”. Trong cuốn The Other Side of Everest, nhà làm phim người Anh tên là Matt Dickinsn đã mô tả những gì Howard Somervell, trong một cuộc thám hiểm đỉnh Everest, cảm nhận, “nhận thấy khí quản bị ép chặt, ngạt thở nghiêm trọng, và với nỗ lực tuyệt vời Somervell cố gắng bật ho để đẩy lùi sự tắc nghẽn này”. Sở dĩ Somervell bị ngạt thở như thế là do nước nhầy ở thanh quản.
Con người có thể tử vong ở độ cao hơn 25.000 foot – đây là giới hạn mà các nhà leo núi thường gọi là Ranh giới của Thần chết – nhưng nhiều người vẫn kiệt sức hoặc ngã bệnh nghiêm trọng khi mới lên đến độ cao 15.000 foot. Sự nhạy cảm không liên hệ gì với sự khỏe mạnh.
Giới hạn chịu đựng độ cao của con người có lẽ là 5.500 mét, tương đương 18.000 foot, nhưng ngay cả những người đã quen với độ cao cũng khó có thể chịu đựng được những độ cao như thế trong khoảng thời gian dài. Frances Ashcroft, trong cuốn Life at the Extremes, lưu ý rằng có những mỏ lưu huỳnh xuất hiện ở độ cao 5.800 mét, nhưng các thợ mỏ vẫn thích tuột xuống 460 mét sau mỗi chiều làm việc và leo lên trở lại vào sáng hôm sau, họ không thích liên tục sống ở độ cao đó. Những người đã quen sống ở độ cao như thế thường đã trải qua hàng nghìn năm tiến hóa để có được lá phổi và bộ ngực lớn hơn mức bình thường. Hơn nữa, ở độ cao hơn 5.500 mét thì ngay cả một phụ nữ đã thích nghi tốt với nó cũng không thể cung cấp đủ oxy cho bào thai để bào thai có thể phát triển hoàn thiện.
Vào những năm 1780 khi người ta tạo ra các khinh khí cầu thử nghiệm tại châu Âu, họ cảm thấy ngạc nhiên khi nhận thấy rằng càng lên cao nhiệt độ càng giảm. Nhiệt độ giảm khoảng 3 độ F tương ứng với mỗi một nghìn foot độ cao. Theo lập luận đúng là: bạn càng tiến gần nguồn nhiệt thì bạn càng cảm thấy nóng hơn. Một lời giải thích ở đây là: bạn không thực sự tiến gần về phía mặt trời. Mặt trời cách xa chúng ta chín mươi ba triệu dặm. Việc di chuyển vài nghìn foot về phía mặt trời cũng giống như việc bước thêm một bước hướng về phía một vụ cháy rừng xảy ra ở Úc trong khi bạn đang đứng ở Ohio, và bạn mong đợi rằng mình sẽ ngửi thấy mùi khói. Lời giải thích này lại đưa chúng ta quay trở lại với vấn đề về mật độ của các phân tử trong bầu khí quyển. Ánh nắng mặt trời tiếp năng lượng cho các nguyên tử. Nó giúp các nguyên tử không khí di chuyển linh hoạt hơn, và trong trạng thái sinh động này chúng va chạm vào nhau, tạo ra nhiệt. Khi bạn cảm thấy mặt trời nóng hơn trên lưng mình vào ngày hè, đó là do quá trình va chạm tạo nhiệt này. Bạn càng lên cao thì mật độ các nguyên tử càng giảm, và thế nên quá trình va chạm ít xảy ra và nhiệt cũng ít được tạo ra.
Không khí là thứ thường khiến người ta bị nhầm lẫn. Ngay khi ở độ cao ngang bằng mực nước biển, chúng ta thường nghĩ rằng không khí là thứ không có trọng lượng. Nhưng khi không khí chuyển động, chẳng hạn một cơn bão hoặc một cơn gió mạnh, bạn sẽ lập tức nhận thấy rằng nó có trọng lượng đáng kể. Tổng cộng quanh chúng ta có đến 5.200 triệu triệu tấn không khí – 25 triệu tấn trong mỗi dặm vuông – một lượng không phải là không lớn. Khi hàng triệu tấn không khí di chuyển với vận tốc ba mươi hoặc bốn mươi dặm/giờ, chẳng có gì phải ngạc nhiên khi trông thấy các ngọn cây nghiêng ngả hoặc các ngôi nhà bị tốc mái. Theo lời Anthony Smith thì, điều kiện thời tiết bình thường có thể chứa đến 750 triệu tấn khí lạnh bị đè chặt bên dưới một tỷ tấn không khí ấm hơn.
Rõ ràng trong thế giới bên trên chúng ta không hề thiếu năng lượng chút nào. Sấm sét trong một cơn giông bão có năng lượng tương đương lượng điện đủ để dùng cho toàn nước Mỹ trong suốt bốn ngày. Các đám mây bão có thể đạt độ cao từ sáu đến mười dặm và chứa các luồng gió hướng lên và hướng xuống di chuyển với vận tốc hàng trăm dặm/giờ. Các luồng gió này di chuyển cạnh nhau, đây là lý do khiến các phi công không muốn bay trong điều kiện thời tiết như thế này. Tóm lại, các hạt của mây bị nhiễm điện. Vì một số lý do nào đó mà chúng ta vẫn chưa hiểu hết được các hạt bên trên thường mang điện tích dương và thường bị cuốn đi bởi các luồng khí bên trên đám mây. Các hạt nặng hơn lắng lại bên dưới, mang điện tích âm. Các hạt mang điện tích âm này bị hút về phía mặt đất mang điện tích âm, và thật may mắn cho bất kỳ thứ gì xuất hiện trên đường đi của chúng. Ánh chớp của tiếng sét di chuyển với vận tốc 270.000 dặm/giờ và có thể đốt nóng không khí quanh nó lên đến 50.000 độ F, nóng hơn nhiều lần so với nhiệt độ bề mặt của mặt trời. Tại bất kỳ thời điểm nào, chúng ta có khoảng 1.800 cơn bão sấm sét đang diễn ra quanh trái đất – khoảng 40.000 cơn bão/ngày. Suốt ngày lẫn đêm, mỗi giây đồng hồ có một trăm cơn bão sấm sét tấn công trái đất. Bầu trời là khoảng không gian không ngừng hoạt động.
Hầu hết những hiểu biết của chúng ta chỉ mới xuất hiện trong khoảng thời gian rất gần đây. Các tia nước, thường xuất hiện ở độ cao 30.000 đến 35.000 foot, có thể di chuyển với vận tốc 180 dặm/giờ và ảnh hưởng đến thời tiết trên toàn thế giới, tuy nhiên không ai nghĩ đến sự tồn tại của chúng mãi đến khi các phi công đâm sầm vào chúng trong cuộc Chiến tranh Thế giới II. Thậm chí ngày nay sự hiểu biết của chúng ta về các hiện tượng diễn ra trong bầu khí quyển cũng còn rất hời hợt. Một loại sóng chuyển động không đều được gọi là sự nhiễu loạn của khí quyển thường tấn công các chuyến bay. Có khoảng hai mươi tai nạn như thế được ghi nhận mỗi năm. Chúng không liên hệ gì đến cấu trúc của các đám mây hay bất kỳ thứ gì khác có thể nhận ra được bằng mắt thường hoặc bằng hệ thống ra–đa. Chúng là những lỗ thủng không khí xuất hiện trong bầu trời. Trong một tai nạn điển hình, một máy bay di chuyển từ Singapore đến Sydney đang bay trên không phận Úc trong điều kiện bay hoàn toàn bình thường, đột nhiên nó rơi xuống ba trăm foot – đủ để hất văng những hành khách không thắt dây an toàn lên trần máy bay. Hai mươi người bị thương tích, một người bị thương nặng. Không ai biết đâu là nguyên nhân tạo ra các lỗ thủng không khí như thế này.
Quá trình không khí di chuyển quanh bầu khí quyển được gọi là sự đối lưu. Không khí nóng ẩm từ khu vực xích đạo dâng lên cao mãi đến khi nó đến được vùng đỉnh của tầng đối lưu và toả rộng ra. Khi nó di chuyển hướng xa vùng xích đạo và mát dần, nó lắng chìm xuống. Khi nó đến vùng đáy của tầng đối lưu, một phần của nó tìm đến khu vực có áp suất thấp để lấp đầy khu vực đó và quay trở lại vùng xích đạo, hoàn tất chu kỳ của nó.
Tại vùng xích đạo quá trình đối lưu thường diễn ra ổn định và thời tiết thường ít thay đổi, nhưng tại vùng ôn đới thì thời tiết thường thay đổi theo mùa, mang tính cục bộ, và tùy tiện, điều này dẫn đến quá trình xung đột bất tận giữa luồng không khí có áp suất cao và luồng không khí có áp suất thấp. Luồng không khí có áp suất thấp được tạo ra bởi luồng không khí đang dâng lên, luồng không khí này mang theo các phân tử nước vào bầu trời, hình thành các đám mây và cuối cùng tạo ra các cơn mưa. Luồng không khí ấm có thể mang theo nhiều hơi nước hơn so với luồng không khí lạnh, đây là lý do tại sao các cơn bão nhiệt đới vào mùa hè lại thường là các cơn bão khốc liệt nhất. Thế nên các khu vực có áp suất thấp thường có nhiều mây và mưa, còn các khu vực có áp suất cao nhiều nắng và thời tiết ổn định. Khi hai luồng không khí này tiếp xúc với nhau, chúng ta dễ dàng nhận ra chúng qua các đám mây. Ví dụ, các đám mây tầng – loại mây không có hình dáng nhất định khiến chúng ta có cảm giác bầu trời u ám – xuất hiện khi hơi nước bốc lên không vượt qua được luồng không khí ổn định bên trên, thế nên chúng tỏa rộng ra, trông như khói bay lên và đụng phải trần nhà. Thật thế, nếu bạn quan sát một người hút thuốc lá, bạn có thể hình dung được mọi việc diễn ra như thế nào khi bạn quan sát khói thuốc lá bay lên. Trước tiên, nó bay thẳng lên trên, sau đó nó lan rộng ra thành một lớp khuếch tán gợn sóng. Chiếc máy tính tốt nhất trên thế giới, sau khi đo lường các thay đổi trong không gian, vẫn không thể cho bạn biết rằng luồng khói này sẽ hình thành theo hình thức nào, thế nên bạn có thể hiểu được các khó khăn mà các nhà khí tượng học phải đối mặt trong khi họ cố gắng đưa ra các dự báo về thời tiết trên thế giới.
Những gì chúng ta biết được ngày nay là: do hơi nóng từ mặt trời được phân bố không đều nên những khác biệt về áp suất không khí xuất hiện trên trái đất. Không khí không chịu được trạng thái này, thế nên nó di chuyển vòng quanh để cân bằng áp suất trên trái đất. Gió chỉ là luồng không khí di chuyển từ nơi này đến nơi khác để cân bằng áp suất. Khí luôn di chuyển từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp, sự chênh lệch áp suất càng lớn thì tốc độ gió càng cao.
Tốc độ gió, giống như hầu hết những hiện tượng tích lũy, phát triển theo cấp số nhân, thế nên một luồng gió di chuyển với vận tốc hai trăm dặm/giờ không phải mạnh hơn mười lần so với luồng gió di chuyển với vận tốc hai mươi dặm/giờ, mà là mạnh hơn gấp một trăm lần – thế nên nó có khả năng tàn phá mạnh hơn nhiều. Một cơn bão nhiệt đới có thể liên tục tạo ra đủ năng lượng để một quốc gia cỡ trung (chẳng hạn Anh hoặc Pháp) dùng trong một năm.
Người đầu tiên chú ý đến xung lực của bầu khí quyển trong quá trình nó hướng đến trạng thái thăng bằng là Edmond Halley và người đầu tiên khảo sát tỉ mỉ nó là Briton George Hadley vào thế kỷ mười tám, ông nhận thấy rằng luồng khí hướng lên và luồng khí hướng xuống thường tạo ra các “ngăn” (từ đó được gọi là “ngăn Hadley”). Dù chuyên môn là một luật sư, Hadley lại rất quan tâm đến thời tiết (xét cho cùng thì ông cũng là một người Anh) đồng thời ông đề xuất mối tương quan giữa các “ngăn”, sự xoay tròn của trái đất, và những biến tấu cụ thể của không khí. Tuy nhiên, chính Giáo sư kiêm kỹ sư tại học viện Ecole Polytechnique tại Paris, Gustave–Gaspard de Coriolis, đã khám phá chi tiết các mối tương quan này vào năm 1835, thế nên chúng ta gọi đó là hiệu ứng Coriolis. (Chính Coriolis đã tạo ra dụng cụ làm lạnh bằng nước, ngày nay chúng ta gọi là dụng cụ Corios). Trái đất xoay tròn với vận tốc 1.041 dặm/ giờ tại đường xích đạo, tốc độ này càng giảm khi bạn càng hướng gần hai cực, ví dụ tại London hoặc Paris thì tốc độ này giảm xuống còn 600 dặm/giờ. Nếu bạn đứng tại đường xích đạo thì sự xoay tròn của trái đất khiến bạn di chuyển một chặng đường khá dài – khoảng 40.000 kilomet – trước khi bạn quay trở lại vị trí cũ. Tuy nhiên, nếu bạn đứng bên cực Bắc, bạn chỉ di chuyển vài foot để hoàn tất một vòng, tuy nhiên trong cả hai trường hợp bạn đều phải mất 24 tiếng đồng hồ để hoàn tất một vòng như thế. Thế nên, chúng ta có thể nói rằng bạn càng ở gần đường xích đạo thì bạn càng di chuyển ở tốc độ nhanh.
Hiệu ứng Coriolis giải thích tại sao bất kỳ thứ gì di chuyển qua không khí theo đường thẳng hướng đến chiều xoay của trái đất thường có xu hướng ngả sang phải ở Bắc bán cầu và ngả sang trái ở Nam bán cầu khi trái đất xoay tròn bên dưới nó. Bạn hãy hình dung bạn đang đứng tại tâm của một chiếc đĩa lớn đang xoay và ném một quả bóng cho một người đang đứng tại mép của chiếc đĩa này. Khi quả bóng đến được mép của chiếc đĩa, người chộp bóng đã di chuyển đến một vị trí mới và quả bóng lướt qua phía sau anh ta. Từ góc độ của anh ta, anh ta có cảm giác như thể quả bóng di chuyển theo đường cong hướng ra phía sau anh ta. Đó là hiệu ứng Coriolis. Hiệu ứng Coriolis cũng giải thích tại sao các khẩu súng của thủy quân cần phải chỉnh sang trái hoặc sang phải nếu muốn bắn trúng mục tiêu; một viên đạn đại bác bắn đi mười lăm dặm sẽ có độ lệch khoảng một trăm yard (1 yard = 0,914 mét).
* * *
Dù thời tiết đóng vai trò quan trọng trong thực tiễn, thật bất ngờ khi biết rằng khí tượng học vẫn chưa phải là một môn khoa học chính thức mãi đến cuối thế kỷ mười tám.
Sở dĩ như thế một phần là do môn khí tượng học đòi hỏi sự đo lường chính xác về nhiệt độ, và nhiệt kế là loại dụng cụ khó chế tạo hơn so với bạn nghĩ. Để nhiệt kế có thể đo lường chính xác thì chúng ta cần phải có một ống thủy tinh có bề mặt lõi rất phẳng, và đó không phải việc dễ làm. Người đầu tiên khắc phục được khó khăn này là Daniel Gabriel Fahrenheit, một chuyên gia chế biến dụng cụ người Hà Lan, ông tạo ra một nhiệt kế chính xác vào năm 1717. Tuy nhiên, vì một số lý do nào đó ông chia độ ống đo nhiệt này theo chuẩn nước đóng băng ở 32 độ và sôi ở 212 độ. Vì cách chia độ kỳ quặc này khiến nhiều người bối rối, vào năm 1742 Anders Celsius, một nhà thiên văn học người Thụy Điển, sáng chế ra một hệ thống chia độ mới. Chứng minh rằng hiếm khi nào các nhà phát minh có thể giúp vấn đề hoàn toàn hợp lý và chính xác, Celsius chia độ lại theo hệ thống: nước sôi ở không độ và đóng băng ở một trăm độ, nhưng chẳng bao lâu sau ông đảo ngược lại.
Người được xem là cha đẻ của khí tượng học hiện đại là một dược sĩ người Anh tên là Luke Howard, ông nổi tiếng ngay từ đầu thế kỷ mười chín. Ngày nay người ta nhớ đến Howard chủ yếu về việc ông đã đặt tên cho các loại mây vào năm 1803. Dù ông là một thành viên tích cực và được tôn trọng tại Hội Linnaean và vận dụng các phương châm của Linnaean trong các hoạt động của mình, Howard lại chọn Hội Askesian vốn là một Hội ít tiếng tăm hơn để công bố hệ thống phân loại mới của mình. (Hội Askesian, như bạn có thể nhớ lại ở một chương trước đây, là một tổ chức có những thành viên hiến mình cho việc theo đuổi oxit nitrat, thế nên chúng ta chỉ có thể hy vọng rằng họ chỉ quan tâm chút ít đến những phát kiến quan trọng của Howard).
Howard phân loại mây thành ba nhóm: mây tầng là những đám mây có nhiều lớp, mây tích là những đám mây mịn, và mây ti là những đám mây mỏng mượt như lông tơ ở trên cao, loại mây này thường là dấu hiệu cho thấy thời tiết sắp trở lạnh. Sau đó ông còn thêm vào nhóm thứ tư là loại mây mưa hay còn gọi là mây dông. Điểm đặc biệt nơi hệ phân loại cơ bản của Howard là nó có thể kết hợp lẫn nhau để mô tả mọi hình dáng và kích cỡ của các đám mây – mây ti tầng, mây tích mưa, và vân vân. Phát kiến này lập tức trở thành bước đột phá không chỉ tại Anh quốc. Thi sĩ Johann von Goethe ở Đức lấy cảm hứng từ hệ phân loại này để sáng tác bốn bài thơ tặng Howard.
Hệ phân loại của Howard được bổ sung suốt nhiều năm sau đó, đến mức bộ sách giáo khoa về khí tượng học International Cloud Atlas phải được chia thành hai tập, nhưng thật lạ là sự phân loại mây của Howard vẫn không được phổ biến với những người không chuyên ngành khí tượng học. Một tập bản đồ mỏng hơn nhiều được xuất bản năm 1896 đã chia mây thành chín loại cơ bản. Đây là cơ sở dẫn đến thành ngữ “chín tầng mây”.
Một đám mây tích mùa hè có chiều rộng hàng trăm yard chỉ chứa khoảng hai mươi lăm đến ba mươi ga–lông nước – “đủ để đổ đầy bồn tắm”, theo lời James Trefil. Bạn có thể hình dung được điều này khi bạn đi xuyên qua một đám sương mù – sương mù thực ra chỉ là một đám mây không thể bay cao. Trefil nói, “Nếu bạn bước đi 100 yard xuyên qua một đám sương mù điển hình, bạn chỉ đi xuyên qua nửa inch vuông nước – không đủ để bạn hớp một ngụm nước”. Tóm lại, các đám mây không phải là nguồn nước lớn. Tại bất kỳ khoảnh khắc nào, chỉ khoảng 0,035% nước của trái đất được tích lũy nơi các đám mây bồng bềnh trên bầu trời.
Quá trình hoạt động của nước thay đổi tùy theo nơi mà nó rơi xuống. Nếu nó rơi xuống đất màu mỡ, nó sẽ thấm xuống đất hoặc bốc hơi ngược trở lên trong vài tiếng đồng hồ hoặc vài ngày. Tuy nhiên, nếu nó thấm sâu xuống mạch nước ngầm, có thể phải sau vài năm nó mới quay trở lại với bầu trời – thậm chí hàng nghìn năm nếu nó thực sự thấm quá sâu. Khi bạn ngắm nhìn mặt hồ, điều này có nghĩa là bạn đang ngắm nhìn các phần tử nước đã tồn tại ở đó suốt hàng chục năm. Nước tại các đại dương thường tồn tại ở đó suốt hàng trăm năm. Nhìn chung khoảng 60% nước mưa quay trở lại bầu khí quyển trong vòng một hoặc hai ngày. Khi đã bốc hơi, nó trải qua hơn một tuần lễ – Drury nói rằng mười hai ngày – trên bầu trời trước khi rơi xuống mặt đất.
Quá trình bốc hơi diễn ra khá nhanh, như bạn có thể quan sát sự tồn tại của một vũng nước trong một ngày hè. Ngay cả Địa Trung Hải cũng sẽ cạn khô trong một nghìn năm nếu nó không được bổ sung nước liên tục. Một sự kiện như thế đã xảy ra cách đây khoảng sáu triệu năm và tạo ra hiện tượng mà khoa học gọi là Messinian Salinity Crisis. Khi ấy sự vận động của các lục địa đã đóng chặt eo biển Gibraltar. Thực ra khi Địa Trung Hải khô, lượng nước bốc hơi của nó tạo thành các cơn mưa nước ngọt rơi xuống các biển khác, làm giảm độ mặn của các biển này, khiến các biển này đủ loãng để đóng băng với diện tích lớn hơn so với thường lệ. Khu vực đóng băng rộng lớn đẩy lùi nhiệt của mặt trời vì thế trái đất phải trải qua kỷ băng hà.
Theo những gì chúng ta biết, chúng ta có thể khẳng định rằng chỉ cần một thay đối nho nhỏ nơi trái đất cũng có thể tạo ra những hậu quả nghiêm trọng vượt khỏi trí tưởng tượng của chúng ta. Một sự kiện như thế, như chúng ta sẽ thấy ở những chương sau, có thể đã tạo ra chúng ta.
Đại dương thực sự là nhà máy điện cung cấp năng lượng cho các hoạt động diễn ra trên bề mặt trái đất. Thật thế, các nhà khí tượng học xem đại dương và bầu khí quyển là hai bộ phận trong cùng một hệ thống, đây là lý do tại sao chúng ta cần phải chú ý đến chúng. Nước là yếu tố kỳ diệu có thể giữ nhiệt và giải nhiệt. Mỗi ngày, dòng nước ấm từ vịnh Mehico qua Đại Tây Dương đến châu Âu mang theo một lượng nhiệt tương đương với lượng than đá của cả thế giới trong suốt mười năm, chính vì thế mà Anh quốc và Ireland có mùa đông ôn hòa hơn so với Canada và Nga.
Nhưng nước cũng ấm lên rất chậm, đây là lý do tại sao nước tại các hồ thiên nhiên và các hồ bơi nhân tạo lại mát lạnh ngay khi thời tiết rất nóng. Vì lý do đó nên thường có sự chậm trễ nơi các lời dự báo về giai đoạn giao mùa. Thế nên mùa xuân có thể chính thức bắt đầu nơi Bắc bán cầu vào tháng Ba, nhưng mãi đến tháng Tư hầu hết các khu vực khác trên thế giới mới bước vào mùa xuân.
Các đại dương trên thế giới không hoàn toàn giống nhau. Sự khác biệt giữa chúng về nhiệt độ, độ mặn, độ sâu, tỷ trọng, và vân vân có ảnh hưởng to lớn đến cách chúng truyền nhiệt đi khắp nơi, từ đó điều này ảnh hưởng đến khí hậu. Ví dụ, Đại Tây Dương có độ mặn lớn hơn so với Thái Bình Dương, và đây cũng là điều tốt. Nước càng mặn thì tỷ trọng của nó càng lớn, nước nặng hơn luôn chìm xuống bên dưới. Nếu không có lượng muối lớn hơn thì các dòng nước từ Đại Tây Dương sẽ chảy ngược lên Bắc cực, làm ấm Nam cực nhưng lại lấy đi hơi ấm quý báu của châu Âu. Tác nhân chính đem lại hơi ấm cho trái đất được biết là sự tuần hoàn nhiệt. Sự tuần hoàn nhiệt xuất nguồn từ những dòng nước rất sâu bên dưới bề mặt – quá trình này được khám phá bởi nhà khoa học thám hiểm Count von Rumford vào năm 1797 [1]. Những gì xảy ra ở đây là: các dòng nước trên bề mặt, khi chúng đến vùng lân cận châu Âu, trở nên dày đặc và lắng sâu xuống dưới và bắt đầu chảy ngược về Nam bán cầu. Khi chúng đến Nam cực, chúng nhập vào các dòng chảy quanh Nam cực và trôi ra Thái Bình Dương. Quá trình này diễn ra rất chậm – có thể mất 1.500 năm để nước di chuyển từ bắc Đại Tây Dương đến giữa Thái Bình Dương – nhưng lượng nhiệt và lượng nước ở đây rất lớn, và tác động của nó đối với khí hậu là vô cùng.
(Về việc một giọt nước phải mất bao lâu để di chuyển từ biển này sang biển khác, câu trả lời ở đây là: các nhà khoa học có thể đo lường các hợp chất trong nước chẳng hạn như cloruafloruacacbon và xác định xem nó tồn tại bao lâu trong không khí. Qua việc so sánh các kết quả đo lường ở các độ sâu và vị trí địa lý khác nhau họ có thể lập biểu đồ hợp lý về sự vận động của nước).
Sự tuần hoàn nước không chỉ lưu chuyển nhiệt mà còn giúp trộn đều các chất dinh dưỡng khi dòng nước lên và xuống, giúp các sinh vật biển tồn tại. Đáng tiếc là dường như sự tuần hoàn này cũng rất dễ thay đổi. Theo sự mô phỏng của máy tính, chỉ cần có sự thay đổi đôi chút về độ mặn của nước biển – chẳng hạn khi các tảng băng ở đảo băng tan chảy – cũng có thể tác hại nghiêm trọng đến quá trình tuần hoàn nước.
Có một điều kỳ quặc là ngày nay mặt trời tỏa ánh sáng với cường độ lớn hơn 25% so với khi hệ mặt trời mới hình thành. Điều này khiến trái đất của chúng ta nóng hơn. Thật thế, theo lời nhà địa chất Aubrey Manning thì, “Sự thay đổi đáng kể này đã tác động mạnh đến trái đất và ngày nay chúng ta có thể nhận thấy rõ tác hại ghê gớm này”.
Vậy thì cái gì giúp trái đất được mát mẻ?
Chính là sự sống. Hàng nghìn tỷ sinh vật nhỏ bé ở đại dương mà chúng ta dường như chưa bao giờ nghe nói đến – trùng có lỗ và gai vôi và tảo vôi – giữ lại lượng cacbon trong khí quyển, ở hình thức cacbon dioxit, khi chất này rơi xuống cùng nước mưa và sử dụng nó (kết hợp với các chất khác) để tạo thành lớp vỏ cứng của mình. Qua việc tích lũy cacbon trong lớp vỏ cứng, chúng giúp cacbon không bốc hơi ngược trở lại bầu khí quyển, nếu cacbon bốc hơi ngược lại bầu khí quyển thì nó sẽ trở thành nguyên nhân chính tạo ra hiệu ứng nhà kính. Cuối cùng, tất cả các sinh vật nhỏ bé này chết đi và lắng xuống đáy biển, tại đây chúng hình thành nên đá vôi. Nhìn chung, lượng cacbon hình thành nên đá vôi ở trái đất lớn hơn khoảng hai mươi nghìn lần so với lượng cacbon tồn tại trong bầu khí quyển. Cuối cùng hầu hết đá vôi đó sẽ tạo thành các núi lửa, cacbon sẽ quay trở lại bầu khí quyển và rơi xuống trái đất theo cơn mưa, đây là vòng tuần hoàn dài hạn của cacbon. Quá trình này diễn ra rất lâu – khoảng nửa triệu năm đối với một nguyên tử cacbon.
Đáng tiếc là nhân loại không quan tâm nhiều đến sự tuần hoàn cacbon và họ đã và đang nâng cao mật độ cacbon trong không khí. Người ta tính toán rằng kể từ năm 1850 chúng ta đã thải ra khoảng một trăm tỷ tấn cacbon vào không khí, mỗi năm lượng cacbon chúng ta thải vào không khí tăng lên khoảng bảy tỷ tấn. Nhìn chung, đó không phải là một lượng lớn. Thiên nhiên – chủ yếu qua sự phun trào núi lửa và sự phân rã thực vật – thải ra khoảng 200 tỷ tấn cacbon dioxit vào bầu khí quyển mỗi năm, gần ba mươi lần so với lượng cacbon con người thải ra qua xe cộ và các nhà máy. Nhưng bạn chỉ cần nhìn đám sương mù lơ lửng trong thành phố của chúng ta để cảm nhận được sự khác biệt do con người tạo ra ở đây.
Cho đến nay, đại dương và rừng của trái đất (có khả năng điều tiết lượng lớn cacbon) đã giúp chúng ta tránh được hậu quả do chính chúng ta tạo ra. Điều chúng ta lo sợ ở đây là sự ấm dần lên của trái đất. Khi không thể thích nghi, nhiều loài thực vật và cây cối sẽ chết, thải ra lượng cacbon lưu trữ của chúng và khiến vấn đề thêm tồi tệ. Thảm họa này đã từng xảy ra trong quá khứ xa xôi dù rằng không có sự can thiệp của con người. Lần cuối cùng gần đây nhất thảm họa này xảy ra cách đây sáu mươi nghìn năm.
____________
[1] Thuật ngữ này có nhiều ý nghĩa khác nhau tùy cách hiểu của từng người. Tháng Mười Một 2002, Carl Wunsch của MIT trình bày một báo cáo trong cuốn Science, “Sự tuần hoàn nhiệt là gì?’’, trong đó ông nói rằng thuật ngữ này được sử dụng để nói về ít nhất bảy hiện tượng khác nhau (sự tuần hoàn ở mức độ biển thẳm, sự tuần hoàn chịu sự chi phối của mật độ hoặc cường độ, và vân vân).