Nghiên cứu khí quyển

Nghiên cứu khí quyển là ngành khoa học chuyên phân tích khí quyển với mục tiêu chính là theo dõi và dự đoán các hiện tượng thời tiết. Các hiện tượng thời tiết được quan sát và giải thích dựa trên các nguyên tắc khí tượng học, chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố của khí quyển Trái Đất như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm và các biến động của chúng theo thời gian và không gian. Phần lớn các quan sát thời tiết đều diễn ra ở tầng đối lưu.

Di sản của khí tượng học

Những phát hiện tiên phong trong lĩnh vực khí tượng học

• 350 trước Công Nguyên

Thuật ngữ Khí tượng học (meteorology) có nguồn gốc từ tác phẩm Meteorology của Aristotle. Dù hiện nay khí tượng học chỉ môn khoa học nghiên cứu khí quyển, trong các công trình của Aristotle, nó có nghĩa rộng hơn. Ông đã viết:

...tất cả các ảnh hưởng lên không khí và nước, cùng với mọi loại và phần của Trái Đất và tác động của chúng.

Một trong những phát hiện đáng chú ý trong mô tả của ông là cái mà ngày nay được gọi là vòng tuần hoàn nước:

Mặt trời, với sự chuyển động của nó, làm thay đổi quá trình, nhờ vào tác động của nó, những giọt nước nhỏ nhất mỗi ngày được nâng lên, hòa tan vào hơi nước và được vận chuyển đến các vùng cao hơn, nơi chúng lại bị ngưng tụ bởi không khí lạnh và quay trở lại Trái Đất.

• 1607

Galileo Galilei đã chế tạo nhiệt kế đầu tiên, không chỉ đo nhiệt độ mà còn đánh dấu một bước tiến quan trọng. Trước đó, nhiệt độ nóng và lạnh được xem là thuộc tính của các yếu tố cơ bản theo Aristotle (lửa, nước, không khí và đất). Ghi chú: Có sự tranh cãi về người phát minh ra nhiệt kế đầu tiên, nhưng có bằng chứng cho thấy thiết bị này được phát triển độc lập ở nhiều nơi khác nhau. Đây là thời kỳ ghi nhận những quan sát khí tượng đầu tiên, mặc dù chúng chưa được ứng dụng rộng rãi cho đến khi các công trình của Daniel Gabriel Fahrenheit và Anders Celsius xuất hiện vào thế kỷ 18.

• 1643

Evangelista Torricelli, cộng sự của Galileo, đã lần đầu tiên tạo ra chân không nhân tạo và đồng thời phát minh ra khí áp kế. Sự thay đổi của mức thủy ngân trong ống Torricelli đã dẫn đến phát hiện của ông về sự biến đổi của áp suất khí quyển theo thời gian.

• 1648

Blaise Pascal phát hiện rằng áp suất khí quyển giảm dần theo độ cao và từ đó kết luận rằng có sự hiện diện của chân không phía trên khí quyển.

• 1667

Robert Hooke chế tạo máy đo gió đầu tiên.

• 1686

Edmund Halley đã tạo ra bản đồ gió mậu dịch và chỉ ra rằng sự thay đổi của áp suất khí quyển bị ảnh hưởng bởi lượng nhiệt từ mặt trời, đồng thời xác nhận lại những phát hiện của Pascal về áp suất khí quyển.

• 1735

George Hadley là người đầu tiên đưa sự quay của Trái Đất vào lý thuyết để giải thích hiện tượng gió mậu dịch. Mặc dù mô hình của Hadley không hoàn toàn chính xác và dự đoán sức gió mậu dịch chỉ bằng một nửa so với thực tế, nhưng vòng tuần hoàn khí quyển mà ông mô tả hiện nay được gọi là vòng tuần hoàn Hadley.

• 1743-1784

Benjamin Franklin đã quan sát sự di chuyển của hệ thống thời tiết ở Bắc Mỹ từ tây sang đông, chứng minh rằng sét là hiện tượng điện, công bố sơ đồ dòng biển Gulf Stream đầu tiên, liên kết hiện tượng phun trào núi lửa với thời tiết, và mô tả ảnh hưởng của việc phá rừng đến khí hậu.

• 1780

Horace de Saussure đã phát minh ra ẩm kế tóc.

• 1802-1803

Luke Howard xuất bản cuốn Về sự biến đổi của mây, trong đó ông đã đưa ra các tên gọi bằng tiếng Latin cho các loại mây.

• 1806

Francis Beaufort đã phát triển hệ thống phân loại tốc độ gió.

• 1837

Samuel Morse sáng chế ra mã Morse.

• 1860

Robert FitzRoy đã áp dụng hệ thống mã Morse mới để thu thập dữ liệu quan trắc hàng ngày từ các khu vực ở Anh và tạo ra các bản đồ Synop để dự đoán thời tiết. Những dự đoán thời tiết hàng ngày đầu tiên của ông được đăng tải trên tạp chí Times vào năm 1860.

Hiệu ứng Coriolis

Hiệu ứng Coriolis là một lực quán tính phát sinh từ sự quay của Trái Đất, khiến các vật thể (như khối khí) có xu hướng lệch về phía bên phải ở Bắc Bán cầu và về phía bên trái ở Nam Bán cầu. Hiệu ứng này được đặt tên theo Gaspard-Gustave de Coriolis vào đầu thế kỷ 20.

Dự đoán số trị

Vào đầu thế kỷ 20, sự tiến bộ trong hiểu biết về vật lý khí quyển đã dẫn đến việc áp dụng phương pháp số hiện đại để dự đoán thời tiết. Năm 1922, Lewis Fry Richardson xuất bản cuốn Dự đoán thời tiết bằng phương pháp số trị, trong đó ông mô tả cách bỏ qua các số hạng nhỏ trong các phương trình động lực học chất lỏng để tìm nghiệm số. Tuy nhiên, số lượng tính toán rất lớn vào thời điểm đó đã khiến việc thực hiện trở nên khó khăn trước khi máy tính được phát minh.

Vào thời điểm đó, tại Na Uy, dưới sự lãnh đạo của Vilhelm Bjerknes, một nhóm các nhà khí tượng đã phát triển mô hình giải thích sự hình thành, phát triển và kết thúc của các xoáy thuận ngoại nhiệt đới. Họ cũng giới thiệu khái niệm về front, là ranh giới giữa các khối khí. Nhóm nghiên cứu còn có Carl-Gustaf Rossby, người đầu tiên giải thích các chuyển động quy mô lớn của khí quyển từ góc độ động lực học chất lỏng, và Tor Bergeron, người đầu tiên đưa ra cơ chế hình thành mưa.

Vào giữa thập niên 1950, việc thực hiện các thí nghiệm số trở nên khả thi nhờ vào sự hỗ trợ của máy tính. Những dự đoán thời tiết đầu tiên bằng phương pháp số đã áp dụng các mô hình chính áp (với một mực thẳng đứng) và thành công trong việc dự đoán các chuyển động quy mô lớn của sóng Rossby ở vùng vĩ độ trung bình.

Trong thập niên 1960, Edward Lorenz đã phát hiện ra bản chất lý thuyết hỗn loạn của khí quyển, mở ra một lĩnh vực nghiên cứu mới về lý thuyết hỗn loạn.

Quan sát từ vệ tinh

Vào năm 1960, sự ra mắt thành công của vệ tinh khí tượng TIROS-1 đánh dấu bước ngoặt trong việc thu thập thông tin thời tiết toàn cầu. Các vệ tinh thời tiết, cùng với những vệ tinh quan sát Trái Đất khác ở các độ cao khác nhau, đã trở thành công cụ thiết yếu để nghiên cứu nhiều hiện tượng từ cháy rừng đến El Niño.

Trong những năm gần đây, các mô hình khí hậu đã được cải thiện với độ phân giải ngày càng cao. Chúng được sử dụng để nghiên cứu các biến đổi khí hậu dài hạn, chẳng hạn như các tác động từ việc phát thải khí nhà kính của con người.

Dự đoán thời tiết

Các nhà khí tượng áp dụng nhiều phương pháp khác nhau để dự đoán thời tiết trong tương lai. Phần lớn những phương pháp này đã được sử dụng từ vài thập kỷ trước (trước thập niên 70) khi máy tính chưa đủ mạnh để thực hiện dự báo số trị. Hiện nay, chúng vẫn được dùng để đánh giá độ chính xác của dự báo thời tiết: so sánh với dự đoán quán tính hoặc với chuẩn khí hậu.

• Phương pháp quán tính

Phương pháp này dự đoán rằng điều kiện thời tiết sẽ giữ nguyên: 'Ngày mai giống như hôm nay'. Phương pháp này chỉ áp dụng hiệu quả cho các dự đoán ngắn hạn.

• Phương pháp xu thế

Phương pháp này xác định sự di chuyển của các front, các vùng áp cao và áp thấp, cùng với các khu vực mây và lượng mưa.

• Phương pháp khí hậu

Phương pháp này dựa vào dữ liệu thời tiết lịch sử, được tính trung bình trong một khoảng thời gian dài (thường là nhiều năm), để dự đoán điều kiện thời tiết cho một ngày cụ thể.

• Phương pháp tương tự

Đây là một phương pháp so sánh nhằm tìm các điều kiện thời tiết 'tương tự' với các dữ liệu lịch sử.

• Phương pháp dự báo số

Phương pháp dự báo số áp dụng máy tính để xây dựng các mô hình khí quyển. Đây là phương pháp thành công nhất và được ứng dụng rộng rãi trên toàn cầu.

Khí tượng học và khí hậu học

Nhờ vào sự phát triển của các siêu máy tính, các mô hình toán học của khí quyển đã trở nên tinh vi hơn. Độ phân giải không gian và thời gian được cải thiện, và ngày càng nhiều thành phần của hệ thống khí hậu như khí quyển, đại dương, sinh quyển cùng với các yếu tố tác động của con người được tích hợp vào mô hình.

Các chủ đề và hiện tượng khí tượng học