Mưa đá (Hail)

Quá trình hình thành mưa đá

Quá trình hình thành mưa đá khá phức tạp và liên quan mật thiết với cấu trúc bên trong của mây Cb. Nó bao gồm các giai đoạn chính sau:

• Hạt nhân ngưng kết: Quá trình bắt đầu với những hạt nhân ngưng kết nhỏ, ví dụ như bụi, muối biển, hoặc các hạt băng nhỏ li ti. Những hạt nhân này lơ lửng trong không khí và đóng vai trò là nền tảng cho sự hình thành mưa đá. Chúng được gọi là “hạt nhân băng”.
• Băng giá: Trong mây Cb, có những luồng khí bốc lên mạnh mẽ. Những hạt nhân ngưng kết được đẩy lên cao, nơi nhiệt độ xuống dưới 0°C. Tại đây, hơi nước trong không khí ngưng tụ trực tiếp thành băng (quá trình bốc hơi ngược) trên hạt nhân và đóng băng, tạo thành những hạt băng nhỏ.
• Va chạm và tích tụ: Khi những hạt băng nhỏ này rơi xuống hoặc bị cuốn vào dòng khí đi lên, chúng va chạm với những giọt nước siêu lạnh (nước lỏng ở nhiệt độ dưới 0°C). Những giọt nước này ngay lập tức đóng băng trên bề mặt hạt băng, làm cho nó lớn dần. Quá trình này được gọi là “bồi tụ”.
• Lớp vỏ đồng tâm: Quá trình va chạm, đóng băng và di chuyển lên xuống nhiều lần trong mây tạo ra cấu trúc lớp vỏ đồng tâm cho hạt mưa đá. Mỗi lớp thể hiện một chu kỳ đi lên và đi xuống trong mây. Sự khác biệt về nhiệt độ và lượng nước siêu lạnh ở các độ cao khác nhau trong mây dẫn đến sự hình thành các lớp băng với mật độ khác nhau.
• Rơi xuống đất: Cuối cùng, khi hạt mưa đá trở nên quá nặng để dòng khí nâng đỡ, nó rơi xuống đất. Tốc độ rơi của mưa đá phụ thuộc vào kích thước, hình dạng và khối lượng của nó, cũng như sức cản của không khí.

Đặc điểm của mưa đá

• Hình dạng và kích thước: Mưa đá thường có hình cầu hoặc hình nón cụt, nhưng cũng có thể bất thường do va chạm trong quá trình hình thành. Kích thước rất đa dạng, từ vài milimet đến vài centimet, thậm chí có thể đạt đường kính hơn 15cm. Hình dạng và kích thước của mưa đá bị ảnh hưởng bởi tốc độ dòng khí đi lên, hàm lượng nước siêu lạnh và thời gian mà hạt mưa đá tồn tại trong mây.
• Cấu trúc: Khi cắt đôi hạt mưa đá, ta có thể thấy cấu trúc lớp vỏ đồng tâm, thể hiện quá trình phát triển của nó. Các lớp này có thể trong suốt hoặc mờ đục, tùy thuộc vào tốc độ đóng băng và lượng khí bị giữ lại trong băng.
• Tốc độ rơi: Tốc độ rơi của mưa đá phụ thuộc vào kích thước, hình dạng và khối lượng của nó, cũng như mật độ không khí. Những hạt mưa đá lớn có thể rơi với tốc độ rất cao (hơn 160 km/h), gây thiệt hại đáng kể.

Tác hại của mưa đá

Mưa đá có thể gây ra những thiệt hại đáng kể cho nông nghiệp, phá hoại mùa màng, cây cối. Nó cũng có thể làm vỡ kính ô tô, mái nhà, và gây thương tích cho người và động vật. Mưa đá lớn có thể gây nguy hiểm cho máy bay đang cất cánh hoặc hạ cánh.

Phân loại kích thước

Mặc dù không có một tiêu chuẩn quốc tế thống nhất, mưa đá thường được phân loại theo kích thước so sánh với các vật thể quen thuộc. Một trong những thang phân loại phổ biến được sử dụng bởi Cơ quan Khí tượng Quốc gia Hoa Kỳ (NWS) như sau:

• Nhỏ: Đường kính < 0.6 cm (như hạt đậu)
• Vừa: Đường kính 0.6 – 1.9 cm (như hạt đậu Hà Lan)
• Lớn: Đường kính 2.0 – 5.1 cm (như quả bóng golf)
• Rất lớn/Khổng lồ: Đường kính > 5.1 cm (như quả bóng chày, quả bưởi, thậm chí lớn hơn)

Việc phân loại này giúp dễ dàng đánh giá mức độ nguy hiểm của mưa đá.

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành mưa đá

Sự hình thành mưa đá phụ thuộc vào một số yếu tố khí tượng quan trọng, bao gồm:

• Độ ẩm không khí: Độ ẩm cao cung cấp đủ hơi nước cho quá trình ngưng tụ và đóng băng, tạo ra nguồn nguyên liệu dồi dào cho sự phát triển của hạt mưa đá.
• Sự bất ổn định của khí quyển: Không khí bất ổn định tạo ra các dòng khí bốc lên mạnh mẽ, cần thiết để nâng các hạt băng lên cao và duy trì chúng trong mây đủ lâu để phát triển thành mưa đá. Dòng khí đi lên này phải đủ mạnh để vượt qua trọng lực của hạt mưa đá đang phát triển.
• Nhiệt độ: Mây giông cần có phần đỉnh đủ lạnh để nước đóng băng, nhưng đồng thời cũng cần có một lớp không khí ấm hơn ở phía dưới để duy trì nước ở trạng thái lỏng siêu lạnh. Sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa tầng trên và tầng dưới của mây tạo điều kiện lý tưởng cho sự phát triển của mưa đá.
• Gió: Gió mạnh trong mây, đặc biệt là gió cắt thẳng đứng (sự thay đổi hướng và tốc độ gió theo độ cao), có thể ảnh hưởng đến quỹ đạo di chuyển của hạt mưa đá và thời gian nó lưu lại trong mây, cũng như kích thước cuối cùng của nó.

Dự báo mưa đá

Việc dự báo mưa đá là một thách thức lớn. Các nhà khí tượng sử dụng radar thời tiết Doppler để phát hiện các đám mây giông có khả năng tạo ra mưa đá. Radar Doppler không chỉ đo cường độ tín hiệu phản xạ mà còn cả tốc độ di chuyển của các hạt mưa, giúp phân tích dòng khí trong mây. Một số dấu hiệu trên radar cho thấy khả năng mưa đá bao gồm:

• Phản xạ radar mạnh: Mưa đá tạo ra tín hiệu phản xạ mạnh trên radar do kích thước và mật độ của nó.
• Cột phản xạ cao: Cột phản xạ radar vươn cao trong mây cho thấy dòng khí bốc lên mạnh, một điều kiện thuận lợi cho sự hình thành mưa đá.
• Vùng phản xạ ba cực (three-body scatter spike): Đây là một đặc điểm đặc trưng trên hình ảnh radar, liên quan đến sự tán xạ của sóng radar bởi các hạt mưa đá lớn và mặt đất.

Tuy nhiên, việc dự đoán chính xác kích thước, vị trí và thời điểm mưa đá rơi vẫn còn khó khăn. Các mô hình dự báo số thời tiết đang được cải tiến liên tục để nâng cao khả năng dự báo mưa đá.

Biện pháp phòng tránh thiệt hại do mưa đá

• Theo dõi dự báo thời tiết: Chú ý đến các cảnh báo mưa đá từ cơ quan khí tượng thủy văn.
• Tìm nơi trú ẩn an toàn: Khi có mưa đá, hãy tìm nơi trú ẩn an toàn trong nhà, gara ô tô, hoặc dưới gầm cầu kiên cố. Tránh xa cửa sổ.
• Bảo vệ tài sản: Che phủ ô tô, cây trồng, và các vật dụng ngoài trời bằng bạt hoặc vật liệu che phủ khác. Nếu có thể, hãy đưa xe vào gara.

• National Weather Service (NWS): https://www.weather.gov/
• American Meteorological Society (AMS): https://www.ametsoc.org/
• World Meteorological Organization (WMO): https://public.wmo.int/en

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài mây Cumulonimbus (Cb), còn loại mây nào khác có thể tạo ra mưa đá?

Trả lời: Mặc dù mây Cb là loại mây chính tạo ra mưa đá, một số loại mây đối lưu mạnh khác như mây Cumulus congestus cũng có thể tạo ra mưa đá, nhưng kích thước thường nhỏ hơn.

Giọt nước siêu lạnh đóng vai trò như thế nào trong việc hình thành mưa đá?

Trả lời: Giọt nước siêu lạnh là nước ở trạng thái lỏng mặc dù nhiệt độ dưới 0°C. Khi va chạm với hạt băng, các giọt nước siêu lạnh này đóng băng ngay lập tức, góp phần làm tăng kích thước của hạt mưa đá. Quá trình này được gọi là bồi tụ đóng băng.

Tại sao việc dự báo kích thước của mưa đá lại khó khăn?

Trả lời: Việc dự báo kích thước mưa đá khó khăn vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố phức tạp bên trong mây giông, bao gồm tốc độ dòng khí bốc lên, hàm lượng nước lỏng, nhiệt độ, và thời gian hạt mưa đá lưu lại trong mây. Các yếu tố này rất khó đo lường và mô phỏng chính xác trong các mô hình dự báo.

Có công thức nào để tính toán tốc độ rơi của mưa đá không?

Trả lời: Có một số công thức được sử dụng để ước tính tốc độ rơi của mưa đá, thường dựa trên định luật Stokes và tính đến lực cản của không khí. Một công thức đơn giản hóa là:

$v \approx \sqrt{\frac{2mg}{\rho AC_d}}$

Trong đó:

• $v$ là tốc độ rơi (m/s)
• $m$ là khối lượng của hạt mưa đá (kg)
• $g$ là gia tốc trọng trường (9.8 m/s$^2$)
• $\rho$ là mật độ không khí (kg/m$^3$)
• $A$ là diện tích mặt cắt ngang của hạt mưa đá (m$^2$)
• $C_d$ là hệ số cản của không khí (phụ thuộc vào hình dạng của hạt mưa đá)

Tuy nhiên, công thức này chỉ là ước lượng và tốc độ rơi thực tế có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác như gió và sự tan chảy của mưa đá.

Làm thế nào để phân biệt mưa đá với mưa tuyết?

Trả lời: Mưa đá được hình thành từ nước đóng băng trong mây giông và có cấu trúc lớp vỏ đồng tâm, thường có hình dạng gần cầu. Mưa tuyết là những tinh thể băng nhỏ, nhẹ, có hình dạng đa dạng và phức tạp hơn, thường hình thành trong các đám mây tầng ở nhiệt độ thấp. Mưa tuyết rơi nhẹ nhàng hơn mưa đá và thường không gây thiệt hại đáng kể.