Tuyết được hình thành như thế nào? Cơ chế hình thành bão tuyết

Tuyết là một hiện tượng thiên nhiên tuyệt đẹp, mang đến khung cảnh trắng xóa, tinh khôi và cảm giác yên bình, thơ mộng cho những vùng đất mà nó đi qua. Tuyết không chỉ là niềm vui của trẻ thơ trong những ngày đông giá lạnh mà còn là nguồn nước quan trọng cho nhiều hệ sinh thái trên trái đất. Thế nhưng, đã bao giờ bạn tự hỏi: tuyết được hình thành như thế nào? Quá trình tạo ra những bông tuyết tinh xảo và độc đáo ấy không hề đơn giản, mà là kết quả của một chuỗi các điều kiện khí quyển phức tạp và những phản ứng vật lý tinh vi. Bài viết này sẽ đưa bạn khám phá sâu hơn về quá trình hình thành tuyết, từ những giọt nước siêu lạnh trong đám mây đến những bông tuyết lấp lánh rơi xuống mặt đất.

Điều kiện hình thành tuyết

Để tuyết có thể hình thành và rơi xuống, hai yếu tố khí quyển chính đóng vai trò quyết định là nhiệt độ và độ ẩm.

Nhiệt độ dưới mức đóng băng

Điều kiện tiên quyết nhất để tuyết hình thành là nhiệt độ không khí phải đủ lạnh. Cụ thể, nhiệt độ của toàn bộ cột không khí từ đám mây đến mặt đất phải duy trì ở hoặc dưới 0∘C (32∘F). Nếu nhiệt độ ở bất kỳ điểm nào trên đường rơi của bông tuyết cao hơn 0∘C một cách đáng kể, tuyết sẽ tan chảy và biến thành mưa hoặc mưa tuyết. Đây là lý do tại sao ở nhiều nơi, dù nhiệt độ trên cao rất lạnh, nhưng nếu mặt đất ấm hơn, chúng ta chỉ thấy mưa thay vì tuyết.

Tuy nhiên, điều thú vị là tuyết có thể hình thành ở nhiệt độ không khí cao hơn 0∘C một chút ở ngay sát mặt đất, miễn là nhiệt độ trong đám mây và phần lớn cột không khí bên dưới vẫn đủ lạnh. Điều này là do quá trình làm lạnh bay hơi xảy ra khi tuyết rơi qua không khí khô hơn và ấm hơn, khiến tuyết giữ được hình dạng tinh thể cho đến khi chạm đất.

Độ ẩm đủ cao

Bên cạnh nhiệt độ, độ ẩm cũng là yếu tố không thể thiếu. Nước là thành phần cơ bản của tuyết, và nguồn nước này đến từ hơi ẩm trong không khí. Khi không khí chứa đủ lượng hơi nước bão hòa, hơi nước có thể ngưng tụ thành các giọt nước siêu lạnh hoặc kết tinh thành tinh thể băng. Nếu không khí quá khô, dù nhiệt độ có lạnh đến đâu, cũng sẽ không có đủ hơi nước để tạo ra tuyết.

Độ ẩm cần thiết để tạo tuyết thường đến từ các hệ thống thời tiết mang theo không khí ẩm từ các vùng biển hoặc hồ lớn, sau đó gặp phải khối không khí lạnh. Điều này lý giải tại sao các khu vực gần hồ lớn ở Bắc Mỹ thường có hiện tượng "tuyết hiệu ứng hồ" (lake-effect snow), nơi hơi nước bốc lên từ hồ ấm áp bị làm lạnh nhanh chóng và tạo ra lượng tuyết lớn.

Quá trình hình thành tuyết như thế nào?

Vậy chính xác thì quá trình hình thành tuyết diễn ra như thế nào bên trong một đám mây? Quá trình này phức tạp hơn chúng ta tưởng, liên quan đến các hạt nhân kết băng và sự phát triển của các tinh thể băng.

Sự hình thành các giọt nước siêu lạnh

Trong các đám mây ở độ cao lớn, nơi nhiệt độ rất thấp (thường từ −10∘C đến −40∘C), hơi nước không trực tiếp đóng băng thành đá. Thay vào đó, nó ngưng tụ thành những giọt nước lỏng cực nhỏ. Điều đáng ngạc nhiên là những giọt nước này có thể tồn tại ở trạng thái lỏng ngay cả khi nhiệt độ dưới 0∘C. Chúng được gọi là giọt nước siêu lạnh (supercooled water droplets). Sở dĩ chúng không đóng băng ngay lập tức là vì chúng thiếu một bề mặt để bắt đầu quá trình kết tinh.

Vai trò của hạt nhân kết băng

Để những giọt nước siêu lạnh này đóng băng và hình thành tuyết, chúng cần có một "hạt mầm" để bám vào. Những hạt mầm này được gọi là hạt nhân kết băng (ice nuclei). Chúng là những hạt bụi rất nhỏ trong không khí, có thể là bụi đất, phấn hoa, bào tử vi khuẩn, hoặc thậm chí là các tinh thể băng cực nhỏ đã hình thành từ trước. Khi một giọt nước siêu lạnh tiếp xúc với một hạt nhân kết băng, nó sẽ ngay lập tức đóng băng và tạo thành một tinh thể băng nhỏ. Đây là bước quan trọng đầu tiên trong sự hình thành của một bông tuyết.

Tuyết hình thành như thế nào là một quá trình phụ thuộc rất nhiều vào sự có mặt của những hạt nhân này. Nếu không có đủ hạt nhân kết băng, các giọt nước siêu lạnh có thể tiếp tục tồn tại ở trạng thái lỏng ngay cả ở nhiệt độ rất thấp.

Sự phát triển của tinh thể băng

Một khi tinh thể băng ban đầu được hình thành, nó bắt đầu lớn lên bằng hai cơ chế chính:

1. Hấp thụ hơi nước (Deposition): Tinh thể băng nhỏ hấp thụ trực tiếp hơi nước từ không khí xung quanh. Bởi vì áp suất hơi bão hòa trên bề mặt băng thấp hơn so với trên bề mặt nước lỏng ở cùng nhiệt độ, hơi nước có xu hướng di chuyển từ các giọt nước siêu lạnh sang tinh thể băng và đóng băng trực tiếp lên bề mặt của nó. Đây là cơ chế chính làm cho tinh thể băng phát triển.
2. Va chạm và đóng băng (Accretion): Khi tinh thể băng rơi xuống qua đám mây, nó có thể va chạm với các giọt nước siêu lạnh khác. Khi giọt nước siêu lạnh va vào tinh thể băng, nó sẽ đóng băng ngay lập tức, làm tăng kích thước của tinh thể. Quá trình này có thể dẫn đến việc hình thành các hạt băng nhỏ, không có hình dạng rõ ràng, được gọi là graupel (hạt tuyết đóng cục).

>>> Cùng tìm hiểu: Cầu vồng được hình thành như thế nào

Sự hình thành hình dạng sáu cánh đặc trưng

Khi tinh thể băng lớn dần, nó bắt đầu phát triển thành hình dạng sáu cạnh đặc trưng của bông tuyết. Hình dạng này được quyết định bởi cấu trúc phân tử của nước khi đóng băng. Các phân tử nước tự sắp xếp thành một mạng lưới hình lục giác khi chuyển từ thể lỏng sang thể rắn.

Hình dạng cuối cùng của một bông tuyết phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm mà nó gặp phải trong suốt quá trình rơi qua đám mây và không khí. Mỗi bông tuyết là duy nhất bởi vì nó trải qua một con đường rơi khác nhau, gặp các điều kiện nhiệt độ và độ ẩm thay đổi.

• Ở nhiệt độ khoảng −2∘C (mức đóng băng), tinh thể băng có xu hướng hình thành dạng tấm hoặc hình cột.
• Ở nhiệt độ khoảng −5∘C, chúng có thể tạo thành hình kim.
• Ở nhiệt độ từ −10∘C đến −15∘C, là nhiệt độ lý tưởng nhất để hình thành các bông tuyết dạng nhánh, nhiều cánh, phức tạp và đẹp mắt.

Khi tinh thể băng trở nên đủ nặng, lực hấp dẫn sẽ kéo nó rơi xuống mặt đất. Đây chính là nguồn gốc hình thành băng tuyết mà chúng ta thường thấy.

Cơ chế hình thành bão tuyết

Ngoài tuyết thông thường, còn có nhiều hiện tượng liên quan đến băng và tuyết, mỗi loại có cơ chế hình thành và đặc điểm riêng.

Bão tuyết hình thành như thế nào?

Bão tuyết hình thành như thế nào? Bão tuyết (blizzard) không chỉ đơn thuần là tuyết rơi dày đặc. Để được gọi là bão tuyết, một trận tuyết rơi phải đáp ứng các tiêu chí sau:

• Gió mạnh: Tốc độ gió phải từ 56 km/h (35 mph) trở lên. Gió mạnh làm tuyết bay mù mịt, giảm tầm nhìn nghiêm trọng.
• Tầm nhìn thấp: Tầm nhìn phải dưới 400 mét (0.25 dặm) do tuyết rơi dày hoặc tuyết bay.
• Kéo dài: Các điều kiện này phải kéo dài ít nhất 3 giờ.
• Nhiệt độ thấp: Mặc dù không phải là một tiêu chí chính thức, nhưng bão tuyết thường xảy ra trong điều kiện nhiệt độ rất lạnh.

Nguyên nhân hình thành bão tuyết thường liên quan đến sự tương tác giữa một hệ thống áp thấp mạnh (thường là xoáy thuận ngoài nhiệt đới) với một khối không khí lạnh và khô từ vùng cực, kết hợp với đủ độ ẩm để tạo ra lượng tuyết lớn. Gió mạnh trong bão tuyết gây ra hiện tượng "tuyết thổi" (blowing snow), làm giảm tầm nhìn ngay cả khi tuyết không còn rơi.

Nước băng tuyết hình thành là do đâu?

Khi tuyết rơi xuống đất, nó có thể tích tụ thành các lớp dày. Khi nhiệt độ tăng lên trên mức đóng băng, tuyết sẽ tan chảy và biến thành nước. Nước băng tuyết hình thành là do quá trình tan chảy của tuyết và băng tích tụ. Nước này có thể chảy vào sông hồ, cung cấp nguồn nước ngọt quan trọng cho nhiều khu vực. Trong một số trường hợp, nếu nhiệt độ ban ngày cao và tuyết tan, nhưng ban đêm nhiệt độ lại giảm xuống dưới 0∘C, nước tan chảy có thể đóng băng lại, tạo thành băng. Điều này có thể gây nguy hiểm cho giao thông và cơ sở hạ tầng.

Các dạng kết tủa băng tuyết khác

Ngoài tuyết thông thường, còn có các dạng kết tủa khác liên quan đến băng:

• Mưa đá (Hail): Các viên băng tròn hoặc không đều, hình thành trong các cơn bão mạnh, đặc biệt là giông bão. Mưa đá hình thành khi các giọt nước siêu lạnh bị cuốn lên cao bởi các luồng gió mạnh trong đám mây, đóng băng thành các lớp băng xung quanh một hạt nhân, giống như cách ngọc trai hình thành.
• Mưa băng (Sleet/Ice Pellets): Là những hạt băng nhỏ, trong suốt, hình thành khi tuyết tan chảy một phần khi rơi qua một lớp không khí ấm, sau đó đóng băng trở lại thành những hạt băng nhỏ khi rơi qua một lớp không khí dưới 0∘C gần mặt đất.
• Mưa đóng băng (Freezing Rain): Là mưa rơi xuống ở dạng lỏng nhưng đóng băng ngay lập tức khi chạm vào bề mặt có nhiệt độ dưới 0∘C. Điều này tạo ra một lớp băng trong suốt, trơn trượt trên đường, cây cối và các vật thể khác.
• Sương muối (Hoarfrost): Là các tinh thể băng hình thành trên các bề mặt (như cây cối, cỏ, xe cộ) khi không khí ẩm và lạnh chạm vào bề mặt có nhiệt độ dưới điểm sương của không khí và dưới 0∘C. Giống như sương, nhưng ở dạng băng.

>>> Nắm rõ thêm: Mây được hình thành như thế nào

Kết luận

Từ những hạt bụi li ti trong không khí đến những bông tuyết tinh xảo rơi xuống mặt đất, tuyết được hình thành như thế nào là một minh chứng tuyệt vời cho sự phức tạp và vẻ đẹp của các quá trình tự nhiên. Nó đòi hỏi sự kết hợp hoàn hảo giữa nhiệt độ thấp và độ ẩm cao, cùng với sự hiện diện của các hạt nhân kết băng. Hiểu được quá trình hình thành và phát triển của tuyết không chỉ giúp chúng ta trân trọng hiện tượng này mà còn cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về khí tượng học và môi trường tự nhiên xung quanh chúng ta.

Lần tới khi bạn nhìn thấy những bông tuyết lấp lánh, hãy nhớ rằng mỗi bông tuyết là một kiệt tác độc đáo, được tạo ra từ một hành trình đầy thử thách và mê hoặc từ những tầng mây cao.