Cơ chế mây pyrocumulonimbus: Khi cháy rừng tự tạo ra giông bão

Một đám cháy rừng dữ dội không chỉ tàn phá mặt đất mà còn có khả năng can thiệp trực tiếp vào bầu khí quyển để tự tạo ra một hệ thống thời tiết hoàn chỉnh. Khi ngọn lửa bốc cao, sức nhiệt khổng lồ có thể kích hoạt các cột mây khổng lồ mang tên pyrocumulonimbus (pyroCb). Đây là hiện tượng khí tượng đặc biệt khi chính đám cháy dưới mặt đất sinh ra một trận giông bão trên không trung. [1]

Hiện tượng mây pyroCb từng khiến giới khoa học bất ngờ vì khả năng đưa khói bụi lên độ cao chưa từng thấy. Nhằm giải mã cơ chế hoạt động của những cơn bão sinh ra từ lửa này, chiến dịch INSPYRE do NASA dẫn đầu đã triển khai các chuyến bay nghiên cứu chuyên dụng trực tiếp qua các cột mây khói trên bầu trời Bắc Mỹ. [1]

Hiện tượng giông bão sinh ra từ sức nhiệt ngọn lửa

Sự hình thành của mây pyrocumulonimbus bắt đầu từ lượng nhiệt cực lớn giải phóng tại tâm đám cháy. Luồng không khí bị đốt nóng mạnh mẽ sẽ bốc lên cao với tốc độ rất nhanh, tạo thành một dòng khí bốc ngược chiều trọng lực. Dòng khí này cuốn theo lượng lớn khói bụi, các hạt tro bụi mịn và hơi nước lao thẳng lên các tầng khí quyển phía trên. [1]

Khi vươn tới độ cao đủ lạnh, hơi nước trong không khí ngưng tụ xung quanh các hạt khói bụi, biến các hạt khói thành nhân ngưng tụ để tạo thành mây giông. Tuy nhiên, khác với mây giông tích mưa thông thường, pyroCb có khả năng tạo ra các hiện tượng thời tiết cực đoan như sét, mưa và đặc biệt là những luồng gió giật cuồng phong vô cùng nguy hiểm. [1]

Các luồng gió mạnh do cơn bão pyroCb tạo ra sau đó lại thổi ngược xuống mặt đất. Tình trạng này cung cấp thêm một lượng oxy dồi dào cho thảm thực vật đang cháy, khiến ngọn lửa bùng phát dữ dội hơn và lan rộng với tốc độ khó kiểm soát. [1]

Cột khói khổng lồ vươn tới tầng bình lưu

Vào khoảng đầu thế kỷ 21, các quan sát từ vệ tinh đã phát hiện một thực tế đáng kinh ngạc về quy mô của mây pyroCb. Cột khói từ những đám mây này có thể vươn tới độ cao từ 10 đến 15 km so với mực nước biển, tức khoảng 30.000 đến 50.000 feet. Độ cao này tương đương với hành trình bay của các máy bay thương mại và có thể xuyên qua tầng đối lưu để chạm tới tầng bình lưu. [1]

Trước thời điểm đó, giới nghiên cứu thường cho rằng chỉ có các trận phun trào núi lửa quy mô lớn mới đủ năng lượng đẩy hạt mịn và tro bụi lên tới tầng bình lưu. Việc khói cháy rừng lọt vào tầng khí quyển cao này mang lại nhiều hệ lụy lâu dài. [1]

Ở tầng đối lưu thấp, mưa và các luồng khí quyển có thể nhanh chóng rửa trôi khói bụi trong vài ngày. Tuy nhiên, một khi các hạt khói đã xâm nhập tầng bình lưu, chúng có thể tồn tại trong nhiều tháng, theo các luồng gió bay quanh Trái Đất và lan rộng sang các châu lục khác. [1]

Săn lùng mây pyroCb trên bầu trời Bắc Mỹ

Bất chấp kích thước khổng lồ, việc nghiên cứu pyroCb gặp rất nhiều thách thức vì chúng hình thành và tan đi chỉ trong vòng vài phút. Để thu thập dữ liệu trực tiếp, chiến dịch INSPYRE đã sử dụng máy bay Gulfstream xuất phát từ căn cứ gần Boulder, Colorado, bay xuyên qua các cột mây để đo đạc hạt khói, lấy mẫu khí và chụp ảnh các tinh thể băng. [1]

Song song với đó, máy bay tầm cao ER-2 của NASA mang theo 14 thiết bị đo đạc chuyên dụng hoạt động phía trên đỉnh mây để theo dõi cường độ cháy và tốc độ luồng khí bốc lên. Dưới mặt đất, các đội nghiên cứu di chuyển bằng xe chuyên dụng để ghi nhận dữ liệu đồng thời, tạo nên bức tranh quan sát đa chiều. [1]

Một cơ hội đắt giá đã diễn ra vào ngày 26 tháng 8, khi đội bay phát hiện một đám mây pyroCb bất ngờ bùng phát từ đám cháy cỏ Wildhorse ở bang Idaho. Đám cháy cỏ này ban đầu không được chú ý nhiều, nhưng sức bùng phát đột ngột đã tạo nên một cột mây khổng lồ. Đội nghiên cứu đã dành ba giờ đồng hồ tiếp theo để bay qua cột mây và dải khói kéo dài về phía bang Wyoming. [1]

Ứng dụng trong dự báo thời tiết và mô hình khí hậu

Những dữ liệu thu thập từ pyroCb mang lại giá trị thực tiễn trực tiếp cho công tác phòng chống cháy rừng. Nhà khoa học khí quyển Neil Lareau từ Đại học Nevada, Reno, nhận định việc hiểu rõ cơ chế mây pyroCb sẽ giúp xây dựng hệ thống cảnh báo sớm cho lính chữa cháy về hiện tượng gió giật bất ngờ hoặc sự đổi hướng gió nguy hiểm để chủ động rút lui an toàn. [1]

Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng đóng góp quan trọng cho các mô hình khí hậu toàn cầu. Chuyên gia khí tượng Dave Peterson thuộc Phòng Nghiên cứu Hải quân Mỹ lưu ý rằng hầu hết các mô hình dự báo hiện tại chưa tính đến tác động của khói pyroCb trong tầng bình lưu. [1]

Lượng hạt khói tồn tại lâu ngày trên tầng cao có thể làm thay đổi tỷ lệ bức xạ mặt trời chiếu xuống Trái Đất cũng như lượng bức xạ bị phản xạ trở lại không gian, từ đó tác động trực tiếp đến nhiệt độ và thời tiết toàn cầu. [1]

Những câu hỏi khoa học còn chờ lời giải

Dù chiến dịch INSPYRE đã thu được nhiều phép đo quan trọng, các nhà nghiên cứu xác nhận vẫn còn nhiều bí ẩn xung quanh hiện tượng này. Chuyên gia Olga Kalashnikova từ Phòng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) thuộc NASA cho biết hiện khoa học vẫn đang làm rõ liệu quá trình hình thành pyroCb bị chi phối chính bởi năng lượng đám cháy, cường độ ngọn lửa hay điều kiện khí quyển ở tầng trên. [1]

Khi đám mây hình thành, các phản ứng hóa học bên trong cũng làm thay đổi tính chất của hạt khói, khiến cách chúng tương tác với ánh sáng bị biến đổi. Việc tổng hợp dữ liệu từ máy bay, vệ tinh và các trạm mặt đất trong thời gian tới sẽ giúp làm rõ hơn cơ chế của những cơn bão sinh ra từ lửa. [1]