🌪️ Lốc xoáy
Lõi hẹp của một cơn gió xoáy sẽ kéo theo bụi (dust), lá cây và các mảnh vụn làm trông thấy được sự nhiễu loạn dưới mặt đất hoặc tạo thành cột bụi cao trong những khu vực đất trống. Những cơn gió lốc này được biết dưới tên gọi theo tiếng Úc là “willy-willies” còn ở những nơi khác gọi là “dust devils” (tiếng Việt là lốc xoáy, gió lốc). Lốc xoáy xuất hiện khi một thermal bốc lên trong điều kiện “siêu đoạn nhiệt” (superadiabatic). Không khí gấp rút xô vào để thế chỗ trong vùng phía dưới của thermal thường có một chút chuyển động xoay do hiệu ứng Coriolis nếu như nó đã trôi trong không khí một khoảng thời gian. Khi những luồng khí này gặp nhau, chúng quay mạnh lên tương tự như một vận động viên trượt băng quay nhanh hơn khi tay của anh ta/cô ta thu vào trong. Luồng khí quay (hay dòng xoáy) này sẽ nhanh chóng bị mất sức xô (ngang) của nó chỉ còn lại sự tăng tốc của thermal giãn không khí theo phương thẳng đứng và làm cho cột xoáy khí chặt hơn khi càng lên cao, nó rất giống với một cột xoáy của xi-rô sẽ mỏng đi khi bạn rút chiếc thìa ra khỏi nó.
🌪️ Nguyên lý lốc xoáy
Lốc xoáy được hình thành khi thermal thăng lên trong điều kiện có hệ số giảm nhiệt siêu đoạn nhiệt (superadiabatic lapse rate). Lốc xoáy nằm dưới thermal đang thăng lên, đánh dấu đường đi, kích thước và thường cả độ cao cũng như thời lượng của nó.
Lốc xoáy đôi khi vươn tới độ cao của mây thermal, nhưng thường nó ngừng lại ngay dưới mức này, thường nó chỉ cao từ một mét tới khoảng một trăm mét. Tuy nhiên trong một số vùng hoang mạc thì chúng có thể cao hẳn lên đến một ngàn mét trong môi trường đầy rẫy bụi mà thermal mạnh. Trong những khu vực này, độ cao của lốc xoáy sẽ thể hiện cao độ tối thiểu của thermal cũng như thời lượng của nó. Việc quan sát cao độ và tốc độ cũng như thời lượng của lốc xoáy giúp bạn đánh giá được thời lượng của thermal tạo ra chúng. Đại đa số các lốc xoáy đều xoay ngược chiều kim đồng hồ ở Bắc Bán Cầu và cùng chiều kim đồng hồ ở Nam Bán Cầu. Chúng là một hiện tượng áp thấp (low pressure phenomena). Có vài lốc xoáy xoay theo chiều ngược lại thì có lẽ do chuyển động quay được tạo ra trong vùng nhiễu loạn hoặc di chuyển qua một vách đứng. Có một số giả định rằng hành vi của lốc xoáy làm không khí trong thermal quay, quả thực vậy, các đám mây thermal quay (rotating thermal cloud) đã từng được nhìn thấy trong một số dịp hiếm hoi. Nó giống như là không khí tiếp tục quay phía trên của cơn lốc mặc dù nó hầu như đã ngừng quay do lực cản (drag) khi thermal rời khỏi lớp không khí siêu đoạn nhiệt. Trên cơ sở này, khá là hợp lý khi trông chờ một tốc độ leo tốt hơn khi quay ngược với dòng lốc xoáy (quay theo chiều kim đồng hồ hoặc quay phải ở Bắc Bán Cầu) khi ở trong vùng nâng mạnh trong lớp siêu nghịch nhiệt. Lý do vì sao lại có tốc độ leo tốt hơn khi quay ngược dòng trong luồng khí quay (spinning air) là vì tốc độ quay vòng của bạn sẽ chậm hơn cho nên ít cần phải nghiêng máy bay hơn để cân đối với lực ly tâm (centrifugal force). Góc nghiêng ít hơn thì bạn sẽ có tốc độ tụt tốt hơn. Một điều cũng quan trọng đó là để thâm nhập vào thermal lốc xoáy thì đi ngược với luồng của nó vì lý do an toàn. Nếu bạn thâm nhập vào một luồng khí xoay vòng xuôi theo hướng của nó, bạn sẽ được trải nghiệm một cơn gió sau mạnh (strong tailwind), nó có thể làm bạn bị “stall”. Nếu bạn thâm nhập vào thermal theo hướng ngược với luồng gió thì bạn sẽ được trải nghiệm gió ngược chiều (headwind) mạnh dần, như thể hiện trong hình dưới đây. Một cơn lốc xoáy là một thực thể ổn định mà trong đó không khí từ bên ngoài không thể thâm nhập vào lốc xoáy dọc theo cột của nó và pha loãng nó. Không khí bên ngoài chỉ có thể thâm nhập vào trong nó từ phía dưới nơi mà tốc độ quay còn chậm do gần mặt đất như thể hiện trong hình dưới đây. Không khí phía ngoài cột lốc xoáy quay và thăng lên như minh họa dưới đây trong khi bên trong lõi cột lốc xoáy có thể xuất hiện dòng hướng xuống do áp suất thấp. Một ví dụ về hành vi này có thể được thấy khi quấy một cốc cà phê với dòng hướng lên phía ngoài và xoáy trũng ở giữa. Tâm của lốc xoáy nói chung là rõ ràng hơn so với rìa của nó. Sự tàn lụi của một lốc xoáy xuất hiện khi nguồn cấp không khí ấm nuôi thermal bị cạn hoặc có một số hiệu ứng địa hình cản trở tiến trình của nó. Lốc xoáy tất nhiên sẽ di chuyển hướng lên trên dốc núi và thực tế khá phổ biến trên những mặt dốc được đốt nóng. Một lốc xoáy có thể tiếp tục tồn tại thêm một chút sau khi thermal đã tắt, nhưng nó sẽ sớm bị mất năng lượng và sụp đổ. Các thầy phù thủy ở Phi Châu có nghề tiêu diệt lốc xoáy bằng cách chạy xuyên qua chúng, làm cho dân chúng phải kinh sợ về khả năng tiêu diệt ma quỷ của họ.
Góc nhìn từ trên xuống ở hình trên thể hiện đường đi của lốc xoáy tương ứng với gió. Nếu một thermal di chuyển theo gió hoặc bốc lên thẳng đứng khỏi tầng gió mặt đất, nói chung nó sẽ vòng sang trái so với đường đi của lốc xoáy ở Bắc Bán Cầu và vòng sang phải ở Nam Bán Cầu. Sự hiểu biết này có thể giúp bạn định vị thermal dựa trên hướng di chuyển của lốc xoáy. Hình dưới đây thể hiện một cơn lốc xoáy uốn khúc như thế nào lên đến một thermal. Các lốc xoáy rất cao có thể nhìn thấy được chúng đi theo những tuyến đường nhấp nhô theo các cơn gió khác nhau. Lý do lốc xoáy di chuyển theo một góc so với hướng gió là do ma sát ở mép trước của lốc xoáy làm nó nhận nhiều lực đẩy sang một bên của không khí. Cường độ của lốc xoáy có thể khá đa dạng tùy theo kích cỡ và tốc độ quay của chúng. Thực vậy, một số lốc xoáy đã từng thổi bay cả những chiếc nhà di động như những vòi rồng (tornado) thực thụ. Mặc dù lốc xoáy trông như một vòi rồng tí hon, chúng được tạo ra bởi các điều kiện dưới mặt đất và thăng lên từ bề mặt đất trong khi đó vòi rồng phát triển do sự mất ổn định ở trên cao và đi xuống từ những đám mây. Điển hình là gió luân chuyển xung quanh với sức gió 24 km/h (6.7 m/s) trong một lốc xoáy dài 30 m và có lẽ cũng phù hợp với các mục đích của môn thể thao hàng không. Vận dụng lốc xoáy như những chỉ điểm thermal và là nguồn nâng không phải là không có rủi ro. Trong phạm vi ranh giới của lốc xoáy có thể thấy có nhiễu loạn dữ dội (cũng như sự bào mòn của cát lên mép trước của cánh bay). Nhiễu loạn này từng phá vỡ một số máy bay và khiến một số khác bị mất kiểm soát. Nguy cơ thảm họa này đưa chúng ta đến một công thức để bay trong lốc xoáy được an toàn như sau:
🪂 Bay trong lốc xoáy
- 🚫 Không thâm nhập vào lốc xoáy dưới 300 m so với mặt đất.
- 🚫 Không thâm nhập vào lốc xoáy dưới mức bụi không thể nhìn thấy được.
- 🚫 Không vận dụng những lốc xoáy quá lớn và dữ dội ở độ cao thấp.
- 🔄 Quay theo hướng ngược với hướng xoay của lốc xoáy.
- 🗺️ Định vị thermal dựa vào lốc xoáy, nằm bên trái đường di chuyển của lốc xoáy nếu ở Bắc Bán Cầu và nằm bên phải nếu ở Nam Bán Cầu.
- 🆕 Lốc xoáy mới hình thành là những chỉ điểm thermal đáng tin cậy hơn so với lốc xoáy cũ.
Lốc xoáy thịnh hành và mạnh mẽ nhất trong các khu vực hoang mạc. Một số “con quỷ” này có thể có bán kính lên đến 1 km hoặc hơn. Ở các khu vực xanh thì lốc xoáy hiếm hơn, ngắn hơn và thấp hơn về quy mô. Một phần của nguyên nhân là sự thiếu hụt bụi để đẩy lên cao. Tác giả của cuốn sách này từng có lần bay trong một thermal ở Pennsylvania ở độ cao 1,500 m với hàng “đàn” lá ngô xoay vòng trong thermal trông như một đám diều hâu. Chúng tôi gọi nó là “leaf devil” (lốc lá). Trong một dịp khác, chúng tôi được chứng kiến một cơn lốc được hình thành từ một mặt đá lộ thiên ở New Hampshire, mà nó không cuốn theo bụi nhưng nó tạo ra âm thanh trên mặt đá nghe như tiếng phụt (fizzing) của pháo hoa. Một vấn đề khác nữa mà chúng ta nên đề cập tới đó là “water devil” (lốc nước), thứ xuất hiện khi một cơn lốc xoáy di chuyển qua mặt nước. Dạng lốc này thường có thời gian tồn tại ngắn và không bốc lên quá cao nhưng chúng cho thấy đang có điều kiện thermal hoạt động tốt.
✨ Điều kiện thermal lý tưởng
Sự dịch chuyển của các khối khí tới một khu vực đóng vai trò to lớn quyết định tính ổn định của không khí và tạo ra tiềm năng thermal. Front nóng và các khối khí nóng nói chung không có lợi cho thermal bởi vì chúng tải theo hơi ẩm sẽ làm giảm sự đốt nóng bề mặt do ánh nắng bị tán xạ. Hơi ẩm tự nó nhận nhiệt lượng trực tiếp từ mặt trời và làm nóng khí quyển trước khi thermal có thể phát triển. Các khối khí lạnh nói chung là những nguồn thermal tốt. Điều này là bởi chúng thường mang tới không khí trong, khô và làm khí quyển trở nên kém ổn định khi bề mặt bên dưới của chúng được đốt nóng. Điều này không phải luôn là trường hợp như chúng ta đã thấy trong chủ đề về khối khí gió biển (sea breeze air mass), là một thứ ổn định. Nhưng front lạnh từ vùng cực thì hầu như luôn luôn làm phát sinh nhiều thermal. Ở miền Đông nước Mỹ và Bắc Âu những front dạng này được chào đón vì chúng mang tới điều kiện bay tốt. Đáng tiếc là chúng được kéo đi bởi hệ thống khí áp cao và do vậy khối khí kéo theo giáng xuống từ từ. Các thermal mạnh vẫn thăng lên xuyên qua lớp không khí giáng này, nhưng chúng hơi bị làm chậm lại. Vấn đề thực tế là khối khí áp suất cao vượt trội tạo ra các lớp nghịch nhiệt do hiện tượng giáng xuống của không khí và do đó nó tạo ra một giới hạn cho thermal. Vì lý do này, ở miền Đông nước Mỹ bình thường thermal ngừng lại ở tầng nghịch nhiệt ở độ cao 2,000 m so với mực nước biển và trần mây 4,000 m là hiếm, nó là cảnh tượng hết sức rực rỡ. Ở mặt khác, các vùng hoang mạc thì thời kỳ bay đẹp nhất là khi có một hệ thống áp thấp tọa lạc bao trùm lên khu vực. Không khí thăng lên một cách yếu ớt trong khu áp thấp làm giảm tính ổn định ở trên cao và hỗ trợ cho tiến trình của thermal. Thermal thăng lên độ cao trên 7,000 m không phải là bất thường trong những khu vực này bởi vì nghịch nhiệt thường không hiện diện ở đây. Hầu hết các khu giữ áp thấp trong hoang mạc đều là áp thấp nhiệt (heat lows - vùng áp thấp nhiệt). Khu áp thấp thường không phải là điều kiện tạo ra thermal trong các vùng ẩm ướt bởi vì không khí thăng lên ở đó tạo nhiều mây và mưa. Các phi công ở các khu vực xanh (không phải vùng hoang mạc) phải đối mặt với các hệ thống áp cao với độ cao thấp (do nghịch nhiệt). Trong các khu vực ẩm ướt hơn thì nhu cầu cần thiết nhất là một điều kiện khô. Trái lại, ở vùng hoang mạc thì một chút độ ẩm là thứ nên có bởi vì nếu có thêm một chút hơi ẩm vào thermal sẽ giúp cho nó nhẹ hơn và thăng lên tốt hơn. Thermal ẩm hơn cũng tạo ra mây là thứ chỉ điểm thermal tuyệt vời ở trên cao.
✨ Điều kiện thermal tốt
- Trời trong và nắng chói
- Gió nhẹ cho đến vừa phải
- Front lạnh, áp suất cao và khô trong khu vực xanh, ẩm ướt.
- Áp suất thấp và có chút hơi ẩm trong vùng hoang mạc.
🪂 Lực nâng trong một thermal
Khi một thermal lý tưởng thăng lên, nó tự tạo nên một hình dạng lý tưởng như một cây nấm tự cuộn từ trong ra như một vòng khói, minh họa ở hình dưới đây. Không khí thăng lên trong vùng lõi hay vùng tâm thermal di chuyển hướng thẳng lên với tốc độ gấp khoảng hai lần so với tốc độ ở vùng đỉnh thermal. Do vậy có khả năng là gần vùng đỉnh thì tốc độ nâng chậm đi trong khi những phi công khác đang leo gần về phía bạn từ bên dưới. Đừng luôn nghĩ rằng họ có kỹ năng bay thermal tốt hơn trong tình huống này mà đơn giản là vì vị trí của họ đang ở trong vùng khí thăng nhanh hơn.
Khi thermal thăng lên, nó đội không khí ở bên trên lên và đẩy chúng sang hai bên tạo ra dòng giáng (sink) và nhiễu loạn dọc theo rìa của thermal. Một khu vực nhiễu loạn trộn lẫn xuất hiện tại mép trước của thermal như trong minh họa. Vùng giáng và nhiễu loạn thường là thứ tiên báo trước về thermal cho phi công. Khi một thermal lý tưởng thăng lên, nó liên tục nở ra vì nó tiếp nhận thêm không khí và nằm trong môi trường áp suất giảm dần. Nó được tiếp tế từ bên dưới nếu vẫn còn không khí đã được làm nóng ở phía dưới và đồng thời cuốn theo không khí từ bên hông, thứ có thể bổ trợ thêm cho cường độ thermal nếu đó là lượng khí nóng còn sót lại từ thermal trước hoặc sẽ làm loãng thermal nếu nó là không khí lạnh. Một số dòng xoáy và một vài nhánh tách rời của thermal bị bỏ lại đằng sau như trong hình minh họa dưới đây. Có lẽ chắc chắn rằng những thermal lý tưởng tồn tại trong tự nhiên từ hàng ngàn báo cáo của phi công đã mô tả hình thái dòng nâng trong thermal như trong sách giáo khoa. Tuy nhiên, cũng có nhiều trường hợp lõi thermal “lởn vởn”, nhiễu lõi và có cường độ khác nhau. Chúng sẽ được xem xét và so sánh cụ thể ở phần sau.
📉 Dòng giáng thermal
Trong các điều kiện không ổn định, chúng ta biết rằng không khí thăng lên sẽ “muốn” tiếp tục thăng lên nữa. Chúng ta cũng nên biết rằng không khí bị đẩy xuống sẽ muốn duy trì chuyển động xuống dưới nếu nó vẫn duy trì được nhiệt độ lạnh hơn so với không khí xung quanh trong một khí quyển có tỉ lệ giảm nhiệt bất ổn định. Dòng khí giáng này hoạt động tương tự như một “thermal âm” (negative thermal). Trong điều kiện thermal hoạt động tốt, dòng khí giáng sẽ rất nhiều. Thường thì thermal càng mạnh, dòng giáng cũng càng mạnh. Tuy nhiên, bởi vì thermal chiếm khoảng 1/10 không gian bầu trời hoặc ít hơn, nên dòng giáng sẽ phân bố rộng hơn và không tập hợp lại thành những lõi giáng mạnh thẳng đứng. Dòng giáng giữa các thermal (interthermal sink) thường mạnh nhất khi ở trên cao, nơi có thermal rộng và có khả năng tốt hơn để bắt đầu một vùng giáng rộng hơn. Nếu thermal được tập hợp bởi núi, những hiệu ứng địa hình khác hay hiệu ứng đường phố, dòng giáng cũng có thể có trật tự và phân bố rộng hơn. Đôi lúc chính sách tốt nhất khi bị rơi vào một vùng giáng trong một khoảng thời gian dài đó là chuyển hướng 90° so với đường bay hiện tại của bạn và hy vọng rằng bạn đã bay dọc theo trục dọc của một vùng giáng hình elip và nhờ vậy có thể thoát khỏi vùng giáng.
📝 Tổng kết
Chúng ta cố gắng kéo dài hành trình khám phá của mình ở trên trời cao bằng hy vọng bay tự do tới bất cứ đâu có thể. Một trong những phương tiện tốt nhất để bay mà phi công bay cao có thể tìm thấy đó chính là thermal. Sự chuyên chở này giống như những khinh khí cầu thăng lên thiên đường. Vấn đề duy nhất đó là chúng vô hình ở hầu hết các bộ phận, do đó chúng ta phải hiểu về hành vi của chúng nhờ đó có thể đưa ra những phỏng đoán tốt nhất về việc phải tìm chúng như thế nào, ở đâu và khi nào. Thermal phong phú và thực tế có thể tìm thấy ở bất cứ nơi đâu vào nhiều thời điểm khác nhau. Chúng có đặc tính đa dạng khác nhau về: cường độ, nhiễu loạn, kích cỡ, thời lượng độ bền và độ cao. Chỉ có kinh nghiệm, sự hiểu biết kèm theo một chút may mắn mới mang đến cho bạn khả năng tìm được thermal tốt nhất trong điều kiện sẵn có. Bây giờ thì chúng ta đã có một nền tảng kiến thức tốt về hành vi của thermal để sẵn sàng đi sâu hơn vào thế giới đầy mê hoặc của các dòng không khí nâng.
Tham khảo: Sách Thấu hiểu Bầu trời (Dennis Pagen)
— Đặng Văn Mỹ dịch
⬅️ Phần 3: Sự thăng lên của thermal
🪂 Kỹ thuật bay thermal thực tế
