Dòng hải lưu Gulf Stream, dòng tia (jet stream) và vai trò của chúng trong biến đổi khí hậu

© Wikimedia

Các dòng hải lưu chính trên thế giới. Mũi tên đỏ: dòng hải lưu ấm. Mũi tên xanh: dòng hải lưu lạnh. Tô xanh lá cây: dòng Gulf Stream.

 Dòng hải lưu Gulf Stream

Trong chương này, chúng ta sẽ tập trung vào dòng hải lưu Gulf Stream, dòng hải lưu chính của Bắc Đại Tây Dương. Tuy nhiên, lưu ý rằng mỗi đại dương có một dòng hải lưu tương tự và những nguyên tắc đề cập ở dưới đây có thể được áp dụng cho bất cứ cái nào trong số đó.

Tất cả các dòng hải lưu đại dương chính tại bắc bán cầu, bao gồm cả dòng Gulf Stream (hình trên, vùng màu xanh lá cây) chảy theo chiều kim đồng hồ, trong khi các dòng hải lưu ở nam bán cầu chảy ngược chiều kim đồng hồ. Theo khoa học chính thống, hiện tượng này hoàn toàn là do "hiệu ứng Coriolis".

Hiệu ứng Coriolis nói rằng chuyển động của chất lỏng hoặc chất khí (ví dụ nước hay không khí) sẽ có xu hướng lệch sang bên phải khi hướng lên phía bắc nếu nó xảy ra ở bắc bán cầu. Nếu chất lỏng hay chất khí ở nam bán cầu thì nó sẽ có xu hướng lệch sang bên trái khi hướng xuống phía nam. Điều này dẫn đến chiều quay của các dòng hải lưu đại dương. Vậy là, tại Bắc Đại Tây Dương, nước bị lệch sang bên phải, dẫn đến chiều quay theo chiều kim đồng hồ của dòng hải lưu Gulf Stream.

Minh họa hiệu ứng Coriolis ở bắc và nam bán cầu

Nếu tốc độ quay của Trái Đất giảm đi, thì hiệu ứng Coriolis sẽ giảm theo, do hiệu ứng Coriolis tỷ lệ thuận với tốc độ quay. Đây là lý do đầu tiên tại sao sự chậm lại của Trái Đất do ảnh hưởng từ vũ trụ dẫn đến sự yếu đi của dòng Gulf Stream. Nhưng một yếu tố khác có bản chất điện từ cũng có thể góp phần vào sự yếu đi này.

Bắc Đại Tây Dương, như bất kỳ vùng nước nào khác, nằm trong điện trường thẳng đứng của khí quyển và từ trường Trái Đất. Nước biển bị ion hóa một phần; khoảng 3,5% các phân tử của nó tồn tại dưới dạng ion (chủ yếu là natri và clo). Do sự ion hóa này, nước biển là chất dẫn điện rất tốt, nghĩa là nó mang điện tích tương tự như điện tích của bề mặt Trái Đất. Điện tích này đã được chứng tỏ bởi Peabody. Ông đo được dòng điện cường độ 30 ampere chạy qua eo đất Panama, giữa Đại Tây Dương và Thái Bình Dương.

Phân tử nước mang điện tích chuyển động trong điện trường và từ trường dẫn đến lực Lorentz tác động lên nước. Tuy nhiên, điện trường giữa tầng điện ly và bề mặt Trái Đất không hoàn toàn đồng đều; nó thay đổi tại các vĩ độ khác nhau:

Độ dẫn điện của khí quyển cũng biểu hiện sự thay đổi theo vĩ độ do hiệu ứng che chắn của từ trường Trái Đất. Tấm khiên từ trường này làm chệch hướng các tia vũ trụ ra khỏi vùng xích đạo hiệu quả hơn so với vùng địa cực. Kết quả là độ dẫn điện tại vĩ độ cao tốt hơn tại vĩ độ thấp khoảng 50%.

Độ dẫn điện là khả năng dẫn điện của một môi trường; độ dẫn điện khí quyển càng cao thì dòng điện thẳng đứng chạy trong nó càng cao. Do đó, sự khác biệt về độ dẫn điện của khí quyển theo vĩ độ có ảnh hưởng tới cường độ lực Lorentz. Vĩ độ càng cao thì lực Lorentz càng mạnh.

Như được mô tả trong hình bên, ở vĩ độ thấp, độ dẫn điện thấp, và do đó dòng điện ở đó yếu (mũi tên ngắn màu đỏ ở giữa Đại Tây Dương). Ngược lại, tại vĩ độ cao, độ dẫn điện cao; do đó dòng điện mạnh (mũi tên dài màu đỏ ở trên Ireland). Trong khi đó, lực điện từ, đại diện bởi vector B (các mũi tên màu tím), là không đổi. Cường độ của nó không thay đổi theo vĩ độ. Điều tương tự cũng áp dụng cho nam bán cầu với dòng điện khí quyển thẳng đứng mạnh hơn ở vĩ độ cao.

F (các mũi tên màu xanh lá cây) đại diện cho lực Lorentz. Do nó tỷ lệ thuận với dòng điện tạo ra nó, lực Lorentz mạnh hơn ở vĩ độ cao so với vĩ độ thấp. Đó là lý do tại sao mũi tên màu xanh xuất phát từ gần Ireland dài hơn mũi tên xanh gần đường xích đạo. Lực Lorentz hướng về phía đông tác dụng lên nước biển Đại Tây Dương mạnh hơn tại vĩ đỗ cao và có xu hướng làm mạnh thêm chuyển động theo chiều kim đồng hồ của nước tạo ra bởi hiệu ứng Coriolis.

Đảo lại, tại nam bán cầu, dòng điện khí quyển mạnh hơn tại vĩ độ cao, do đó lực Lorentz gần Nam Cực mạnh hơn so với gần xích đạo. Một lần nữa, ở đây lực Lorentz cũng có xu hướng làm mạnh thêm chuyển động ngược chiều kim đồng hồ của nước tạo ra bởi hiệu ứng Coriolis như được quan sát trong các đại dương ở nam bán cầu.

Minh họa tổng hợp trong hình dưới cũng cho thấy hoạt động mặt trời ảnh hưởng đến dòng điện khí quyển thẳng đứng, và thông qua đó ảnh hưởng đến lực Lorentz, thứ có tác động trực tiếp lên dòng hải lưu Gulf Stream. Ở hình bên trái, hoạt động mặt trời mạnh, gây ra dòng điện khí quyển mạnh, và thông qua đó tạo nên lực Lorentz mạnh làm tăng cường độ của dòng Gulf Stream. Ở hình bên phải, hoạt động mặt trời yếu hơn; do vậy, lực Lorentz được tạo ra và dòng Gulf Stream đều yếu hơn.

Ảnh hưởng của lực Lorentz thay đổi theo vĩ độ (F - các mũi tên xanh) lên cường độ dòng Gulf Stream

Sự suy giảm của dòng hải lưu Gulf Stream có vai trò lớn đối với thời tiết, bởi vì nó cung cấp một lượng nhiệt quan trọng cho bờ biển phía tây của châu Âu và bờ biển phía đông ở vĩ độ cao của Bắc Mỹ. Lượng nhiệt mang đến bởi dòng Gulf Stream được ước tính là 1,4 petawatt (1,4 x 10^15 W). Để so sánh, trong năm 2008 năng lượng tiêu thụ bởi toàn thế giới là tương đương với công suất trung bình 15 terawatt (15 x 10^12). Vậy là vào bất kỳ thời điểm nào, dòng Gulf Stream mang lượng năng lượng xấp xỉ 100 lần năng lượng tiêu thụ bởi toàn thế giới.

© NASA

Nhiệt độ bề mặt tại bắc Đại Tây Dương

Mặc dù ảnh hưởng cả hai lục địa, ảnh hưởng của dòng Gulf Stream lên châu Âu mạnh hơn so với lên Bắc Mỹ. Khi chúng ta so sánh các vùng ở cùng vĩ độ, lượng nhiệt từ đại dương có vẻ như làm mùa đông tại Tây Âu ấm hơn mùa đông tại phía đông Bắc Mỹ là 15 đến 20° C (ở cùng vĩ độ). Ví dụ, New York và Madrid nằm trên cùng một vĩ độ (40° bắc). Trong tháng 2, nhiệt độ trung bình tại New York là -1° C, trong khi tại Madrid nó là 11° C.

Ảnh hưởng của dòng Gulf Stream lên Tây Âu mạnh hơn vì ít nhất hai lý do: Thứ nhất, dòng hải lưu lạnh Labrador len vào giữa bờ biển phía đông của Bắc Mỹ và dòng Gulf Stream, đẩy dòng Gulf Stream ra xa. Do vậy, dòng Gulf Stream chỉ lướt qua bờ đông của Bắc Mỹ trong khi nó tác động toàn diện vào Tây Âu (hình bên).

Thứ hai, hướng gió chính, quyết định bởi dòng tia (jet stream) phía bắc (mà chúng ta sẽ xem xét dưới đây) thổi từ tây sang đông. Do đó, không khí hâm nóng bởi dùng hải lưu Gulf Stream bay lên phía trên Đại Tây Dương và được thổi chủ yếu về phía châu Âu.

Truyền thông chính thống thỉnh thoảng nhắc đến hành vi "thất thường" của dòng hải lưu Gulf Stream. Điều này xảy ra vào năm 2004 khi dòng Gulf Stream bị ngừng trong 10 ngày liên tiếp, và vào tháng 1/2010 khi nó kết nối với dòng hải lưu Tây Greenland sau khi dao động trong nhiều tuần.

Nhưng chỉ đến tháng 1/2013 thì sự suy yếu lâu dài của dòng Gulf Stream mới được thừa nhận bởi một nhóm các nhà hải dương học quốc tế dẫn đầu bởi giáo sư Tal Ezer từ trường Đại học Princeton, người chứng tỏ với độ tin cậy 99,99% về mặt thống kê rằng dòng Gulf Stream đã suy yếu liên tục kể từ năm 2004:

Những nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng tốc độ dâng cao của mực nước biển (SLR) dọc bờ biển Đại Tây Dương của Hoa Kỳ đã gia tăng trong những thập kỷ gần đây, có thể là do sự suy yếu của dòng Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) và phần trên của nó, dòng Gulf Stream (GS). Người ta nhận thấy sự thay đổi trong mực nước dọc bờ biển bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi sự thay đổi của dòng GS trong những khoảng thời gian khác nhau từ vài tháng cho đến hàng thập kỷ. Có vẻ như dòng GS [Gulf Stream] đã chuyển từ chu kỳ dao động 6 - 8 năm sang xu hướng suy yếu liên tục kể từ khoảng năm 2004, và rằng xu hướng này có thể là nguyên nhân của sự tăng tốc gần đây trong số đo SLR địa phương.

Trong cộng đồng khoa học, nguyên nhân của sự suy yếu này không được rõ, như một đại diện NOAA từng tuyên bố:

'Tại sao dòng Gulf Stream chảy chậm lại? Tại sao mô hình gió thu xuất hiện sớm hơn?' Edwing từ NOAA nói. 'Chúng tôi không có câu trả lời.'

© DEOS

Dòng Gulf Stream ngày 1/12/2010. Ảnh cho thấy dòng hải lưu này dừng lại ở giữa Đại Tây Dương.

Từ những gì chúng ta phân tích ở trên, cả lực Lorentz và hiệu ứng Coriolis là yếu tố đằng sau dòng Gulf Stream. Sự suy giảm hoạt động mặt trời làm giảm hiệu ứng Coriolis (bằng cách làm giảm tốc độ quay của Trái Đất) và cũng làm giảm lực Lorentz (bằng cách làm giảm dòng điện thẳng đứng trong khí quyển). Đấy là những nguyên nhân khả dĩ cho sự suy yếu gần đây được thừa nhận của dòng Gulf Stream.

Tại các vĩ độ ôn đới, sự lạnh đi toàn cầu sẽ bị làm tồi tệ hơn bởi suy suy yếu của các dòng hải lưu. Những vùng bị ảnh hưởng nhất sẽ là những vùng được nhận các dòng hải lưu ấm từ vùng nhiệt đới: các bờ biển phía tây ở bắc bán cầu (Tây Âu chẳng hạn) hoặc các bờ biển phía đông ở nam bán cầu (ví dụ Argentina).

Sơ đồ minh họa 5 dòng tia chạy vòng quanh Trái Đất

Dòng tia (Jet stream)

Giới thiệu

Sau khi thảo luận về các dòng hải lưu đại dương, giờ chúng ta sẽ tập trung vào một loại dòng không khí nhất định, còn được biết đến dưới cái tên "dòng tia"(jet streams). Trên thực tế, có năm dòng tia không khí thổi quanh quả địa cầu: hai cực, hai ôn đới và một xích đạo. Dòng tia là những luồng gió chuyển động nhanh (từ 100 km/h đến 400 km/h), hẹp (rộng vài trăm km và chiều cao ít hơn 5 km) và ở độ cao lớn (khoảng 11 km). Trong chương này, chúng ta sẽ chỉ tập trung vào dòng tia bắc cực, một yếu tố quan trọng quyết định đến thời tiết ở Bắc Mỹ và châu Âu.

Như được thấy trong hình bên, dòng tia bắc cực (mũi tên màu xanh) quấn quanh vùng Bắc Cực từ tây sang đông và thiết lập một ranh giới giữa không khí lạnh (ở trên phía bắc) và không khí ấm (ở dưới phía nam). Nếu bạn ở phía nam dòng tia bắc cực, bạn sẽ được hưởng khí hậu ôn đới; nếu bạn ở phía bắc dòng tia, bạn sẽ trải nghiệm điều kiện thời tiết bắc cực.

Như được thấy trong hình dưới, vị trí, độ dày, đường đi và tốc độ của dòng tia đều có thể thay đổi. Đôi khi, dòng tia thổi với tốc độ rất lớn, khiến đường đi của nó khá thẳng (hình bên trái). Vào những lúc khác, nó chậm lại và tạo ra một đường đi cong queo, với nhiều đoạn đi sâu xuống phía xích đạo hoặc lên phía cực bắc (hình bên phải). Trên thực tế, hành vi của dòng tia khá giống một con sông: khi dòng chảy yếu, nó bắt đầu ngập ngừng, uốn khúc và đôi khi thậm chí ngừng hẳn (còn được biết dưới cái tên 'dòng tia bị chặn'). Khi dòng tia mạnh, nó chạy vòng quanh quả địa cầu theo một đường khá thẳng với tốc độ cao.

Hai loại dòng tia khác nhau

Tính chất của dòng tia

Trong nhiều năm, khoa học chính thống tuyên bố rằng dòng tia có vai trò phụ đối với thời tiết và đơn giản chỉ là kết quả của quá trình 'frontogenesis', một mô hình phức tạp mô tả việc các luồng không khí đối lưu và nhiệt độ khác biệt tạo nên chuyển động của dòng tia.

Tuy nhiên, gần đây mọi thứ đã thay đổi. Mùa đông 2013 - 2014 rất khắc nghiệt đối với Bắc Mỹ với một "cơn lốc bắc cực" dai dẳng kéo dài hàng tuần, và hình dạng của nó gần như trùng khớp với đoạn đi sâu xuống phía nam của dòng tia bắc cực uốn khúc như được mô tả trong hình trên. Bằng chứng khá rõ ràng, do vậy câu chuyện của các nhà khoa học phải tiến hóa theo:

Các nhà khoa học đang cố tìm hiểu xem liệu điều kiện thời tiết khác thường ở bắc bán cầu trong mùa đông này. . . có liên quan đến biến đổi khí hậu hay không. Một điều có vẻ rõ ràng: Những thay đổi trong dòng tia đóng vai trò quyết định và nó có thể gây ra những xáo động còn nghiêm trọng hơn nữa. . . Tất cả mọi người giờ đây đổ lỗi cho dòng tia, thứ quyết định hầu hết thời tiết ở các vĩ độ giữa. Đây là một diễn biến quan trọng. Bởi vì những gì xảy ra đối với dòng tia trong những thập kỷ sắp tới có nhiều khả năng là mắt xích nối giữa khái niệm biến đổi khí hậu trừu tượng và thời tiết thực tế mà tất cả chúng ta trải nghiệm.

© Lehmacher và Offermann

Số ion trên cm khối theo độ cao. Xích đạo: vòng tròn trắng. Địa cực: vòng tròn đen.

Phân tích này có vẻ là gần hơn với sự thật của vấn đề. Bằng chứng cho thấy các dòng tia không phải được cung cấp năng lượng bởi nhiệt từ tầng thấp hơn của khí quyển mà là bởi điện. Ở độ cao của dòng tia (khoảng 10 km), khí quyển chứa khoảng 2.000 ion trên mỗi centimet khối. Không khí ở độ cao này bị ion hóa mạnh gấp 10 lần so với ở mặt đất (xem hình trên).

Theo nhiều khía cạnh, dòng tia giống như dòng hải lưu Gulf Stream. Tuy nhiên, dòng Gulf Stream trải ra trên một khoảng vĩ độ rộng (xích đạo đến địa cực) và nằm trong một vùng tương đối khép kín, nên tác động của lực Lorentz và hiệu ứng Coriolis gây nên chuyển động tròn. Dòng tia không bị giới hạn bởi các bờ biển và khoảng vĩ độ của nó rất hẹp (vài km), vậy nên không có hiệu ứng Coriolis tác động lên nó và lực Lorentz tự do đẩy nó đi về phía đông vòng quanh quả địa cầu.

Từ phương diện này, chúng ta thấy dòng tia không phải là kết quả của các hiện tượng ở tầng thấp của khí quyển mà ngược lại, là tác nhân điều khiển các hiện tượng đó, nghĩa là điều khiển thời tiết mà chúng ta thấy hàng ngày. Nhà vật lý James McCanney mô tả dòng tia mang điện tích dương ở phía bắc và dòng chảy theo hướng đông của nó như sau:

Các hành tinh khí khổng lồ và Mặt Trời có nhiều dòng điện vòng tròn xen kẽ ngược chiều nhau giống hệt như ba "dòng tia" [địa cực, ôn đới và xích đạo] chạy vòng quanh Trái Đất. Những dòng điện của dòng tia đi qua các vùng áp suất cao và áp suất thấp khi chúng chạy theo hướng đông hoặc hướng tây. Những cái này phản ứng với các cơn bão điện mặt trời và đến lượt chúng điều khiển các hệ thống thời tiết thấp hơn.

Khi gió mặt trời thổi qua Trái Đất, các hạt cơ bản trong gió mặt trời tương tác với trường điện từ vĩnh cửu của Trái Đất. Các electron bị uốn cong ra ngoài vòng quanh Trái Đất theo một hướng và các proton đi theo hướng ngược lại. Dòng chảy này khiến tầng điện ly của Trái Đất hình thành ba dòng chảy riêng biệt tạo nên những dòng tia chính ở thượng tầng khí quyển của chúng ta.

© Sott.net

Lực Lorentz (F) là lực điện làm dòng tia chuyển động

Như được thấy ở hình trên, sự kết hợp của từ trường Trái Đất (B - mũi tên màu tím) và dòng điện thẳng đứng trong khí quyển (I - mũi tên màu đỏ) tác động lên các phân tử tích điện của tầng đối lưu tạo ra một lực Lorentz (F - mũi tên màu xanh) đóng vai trò như lực đẩy điện cung cấp năng lượng cho sự quay của dòng tia bắc cực (vòng tròn màu xanh).

Lưu ý trong hình ở đầu chương mô tả năm dòng tia cuốn quanh hành tinh của chúng ta, dòng tia xích đạo chạy theo hướng tây (không giống như 4 dòng còn lại). McCanney cho rằng đó là vì dòng tia xích đạo mang điện tích âm, trong khi các dòng khác mang điện tích dương:

Tôi nhận ra thêm rằng các dòng tia của Trái Đất được cấp năng lượng bởi dòng điện từ mặt trời, và rằng có ba dải dòng điện chạy quanh quả địa cầu. Hai dải dòng điện 'ion' chạy từ tây sang đông ở các vĩ độ cao (tại bắc và nam bán cầu), trong khi dải dòng điện 'electron' chạy từ đông sang tây.

Tương tự như dòng hải lưu Gulf Stream, khi hoạt động mặt trời mạnh, dòng tia chạy bởi điện thổi với tốc độ cao theo một đường thẳng (mũi tên đỏ trong hình dưới). Nếu hoạt động mặt trời yếu, điện tích của tầng điện ly giảm và dòng điện khí quyển cùng lực Lorentz do nó tạo ra cũng vậy. Kết quả là dòng tia chậm lại và bắt đầu uốn khúc.

Chuyển dịch vĩ độ

Vị trí dòng tia thường thấy vào mùa hè và mùa đông tại Bắc Mỹ

Hình trên cho thấy ngoài việc uốn khúc (mũi tên màu xanh), một dòng tia "yếu" còn bị dịch chuyển về phía nam. Thông thường, dòng tia thổi ở khoảng vĩ độ 45° bắc vào mùa đông (mũi tên màu xanh ở trên) và khoảng 60° bắc vào mùa hè (mũi tên màu đỏ), nhưng trong những năm gần đây, chúng ta thấy ngày càng nhiều hơn những biểu hiện bất thường, với dòng tia yếu hơn thường lệ, uốn khúc và dịch chuyển xuống phía nam (và do đó đưa các vĩ độ ôn đới vào các cơn "lốc bắc cực").

Hai biểu đồ trong hình dưới cho thấy xu hướng gần đây của các dòng tia. Đồ thị bên trái biểu thị những bất thường về vĩ độ. Đồ thị bên phải biểu thị những bất thường về tốc độ. Hai đường màu xanh lá cây với chú thích 'NH' là cho dòng tia bắc bán cầu (dòng tia bắc cực). Ở đồ thị bên trái, bạn có thể thấy sau năm 1999 (đường thẳng đứng màu cam), dòng tia bắc cực tiến lại gần xích đạo hơn (đường màu xanh lá cây). Ở đồ thị bên phải, vào khoảng năm 1998 (đường thẳng đứng màu cam), dòng tia bắc cực biểu thị sự suy giảm về tốc độ (đường màu xanh lá cây). Dòng tia nam cực (SHP - đường màu xanh lam) và dòng tia nhiệt đới phía nam (SHT - đường màu đỏ) cho thấy sự suy giảm tương tự về tốc độ sau năm 1999 (hình trên).

© Archer et al.

Số liệu về vĩ độ và tốc độ của dòng tia từ 1975 - 2006

Vậy là từ khoảng năm 1998, khi hoạt động mặt trời bắt đầu giảm đi, dòng tia bắc cực bộc lộ dấu hiệu suy yếu (tốc độ chậm hơn và vị trí dịch về phía nam hơn).

Sự dao động về vĩ độ của dòng tia đã được thừa nhận bởi khoa học chính thống từ nhiều năm nay. Chúng được cho là do những dao động tại vùng bắc cực. Cho tới nay, không một lời giải thích thuyết phục nào được đưa ra về nguyên nhân của "dao động" này. Tuy nhiên, nếu bản chất điện của hệ mặt trời được xem xét tới, những thay đổi trong dòng tia bắt đầu có thể hiểu được. McCanney đã đề xuất một lời giải thích về mối tương quan giữa sự dịch chuyển về phía nam của dòng tia và hoạt động mặt trời như sau:

. . . những từ trường này trở nên bị nén lại khi các "cơn bão mặt trời" ập đến, khiến cho điện trường đi ngang cũng bị nén. Điều này đến lượt nó nén tầng điện ly của chúng ta lại.

© Christopher T. Russell

Mô hình gió mặt trời tác động vào tầng điện ly của Sao Kim

Christopher T. Russell, một nhà nghiên cứu địa vật lý tại UCLA (Đại học California tại Los Angeles), đã mô tả hiện tượng tương tự. Mô hình của Russellđược thể hiện trong hình dưới. Nó là về Sao Kim, nhưng bản chất thì tương tự như Trái Đất, như được chứng tỏ bởi nhà địa vật lý H.G. Zhuang.

Sơ đồ của Russell (hình bên) cho thấy sự biến dạng của tầng điện ly dưới áp lực từ gió mặt trời (mũi tên màu đỏ). Tuy nhiên, sự biến dạng này không đồng đều: tầng điện ly bị nén nhiều hơn nơi gió mặt trời tập trung nhất (gần đường xích đạo) so với vùng địa cực.

Vậy là, hoạt động mặt trời dẫn đến sự biến dạng của tầng điện ly, và sự biến dạng này mạnh hơn ở xung quanh đường xích đạo. Sự nén lại xung quanh đường xích đạo của tầng điện ly mang điện tích dương "đẩy" dòng tia bắc cực cũng mang điện tích dương về phía bắc. Ngược lại, hoạt động mặt trời yếu làm tầng điện ly xung quanh đường xích đạo "giãn ra" và cho phép dòng tia bắc cực di chuyển về phía nam.

Cách giải thích này có thể giải thích cho sự khác nhau về vĩ độ của dòng tia giữa mùa đông và mùa hè. Vào mùa hè, bắc bán cầu hướng về phía Mặt Trời, vậy nên tầng điện ly phía bắc bị nén lại nhiều hơn bởi gió mặt trời và dòng tia bị đẩy về phía bắc. Vào mùa đông, khi bắc bán cầu nhận ít gió mặt trời hơn, tầng điện ly phía trên bắc bán cầu giãn ra và cho phép dòng tia di chuyển trở lại về phía nam. (Xem hình dưới.)

Do đó, nếu hoạt động mặt trời suy yếu, dòng tia sẽ được quan sát thấy ở những vĩ độ thấp khác thường. Đó là điều đã xảy ra trong những năm gần đây, đặc biệt là tại Châu Âu, với dòng tia xuống thấp đến 15° bắc vào mùa đông (ngay trên Bắc Phi) trong khi lẽ ra nó phải ở khoảng 60° bắc (trên Scotland).

© Polartrec.com

Vào mùa đông, bắc bán cầu hướng ra khỏi Mặt Trời. Suy giảm "áp lực" từ Mặt Trời khiến tầng điện ly ít bị nén hơn.

Dòng tia ở vĩ độ thấp có nghĩa là khí lạnh bắc cực ở phía bắc của dòng tia có thể đi xuống những vĩ độ thấp, đặc biệt là tại những vùng "ôn đới". Sự dịch chuyển nói chung về phía nam này đẩy các vùng vĩ độ thấp (miền nam Hoa Kỳ và nam Châu Âu) vào điều kiện rất lạnh giá. Bằng cách này, sự suy giảm kéo dài trong hoạt động mặt trời sẽ dẫn đến sự lạnh đi nói chung của những vĩ độ "ôn đới" do chúng sẽ ít được che chắn khỏi khí lạnh bắc cực bởi dòng tia bắc cực thường xuyên di chuyển thấp một cách khác thường xuống phía nam. Đây có thể là yếu tố làm trầm trọng thêm tình hình khi kỷ nguyên băng hà bắt đầu.

Dòng tia uốn khúc

Hoạt động mặt trời suy giảm đẩy dòng tia xuống phía nam, nhưng nó cũng làm dòng tia chậm lại và uốn khúc. Dòng tia thậm chí còn có thể "ngừng chạy". Đây còn được gọi là "sự tắc nghẽn". Mối tương quan giữa hoạt động mặt trời suy yếu và dòng tia tắc nghẽn được chứng tỏ vào năm 2008. Sự tắc nghẽn của dòng tia ngăn cản luồng không khí ẩm và ấm hơn từ dại dương đi vào Tây Âu và sưởi ấm vùng lục địa đó. Nó cũng không còn ngăn chia không khí ấm hơn của các vĩ độ ôn đới và không khí lạnh giá của các vĩ độ bắc cực. Sự gặp gỡ giữa những khối không khí với nhiệt độ rất khác nhau có thể dẫn đến các hiện tượng thời tiết cực đoan như mưa hoặc tuyết rơi với lượng rất lớn và gió mạnh dữ dội.

Thay vì phân tách một cách gọn gàng các vùng lạnh khỏi vùng nóng và tạo ra những mô hình thời tiết ổn định và dễ dự đoán, dòng tia uốn khúc tạo ra những vùng không khí không đồng nhất với các chỗ lạnh và nóng sát nhau và thay đổi liên tục. Sự thay đổi liên tục của không khí ấm, ẩm rồi lại khô, lạnh này là một nguyên nhân quan trọng của các biến động thời tiết (lốc xoáy, áp thấp, vùng không khí nóng, vùng không khí lạnh). Nó cũng tạo ra những điều kiện không ổn định như những "túi lạnh" vây quanh bởi không khí nóng, và ngược lại, "túi nóng" vây quanh bởi không khí lạnh. Trong các năm 2009, 2010, 2011 và 2012, Châu Âu trải qua thời tiết lạnh giá "bất thường", trong khi Bắc Mỹ trải qua thời tiết lạnh giá "bất thường" vào năm 2013 và 2014. Trong mùa đông 2013 - 2014, Vương quốc Anh trải qua đợt lũ lụt lớn chưa từng thấy trong hơn 250 năm qua và Bắc Mỹ trải qua thời tiết lạnh kỷ lục được nói đến ở trên.

© NOAA

Ảnh vệ tinh cho thấy mức độ tuyết phủ (ngày 2/2/2011)

Một đợt dòng tia yếu và uốn khúc tương tự xảy ra vào tháng 2/2011, khi mà hơn nửa bắc bán cầu bị bao phủ bởi tuyết (hình trên).

Trong lần bất thường này, dòng tia biểu hiện tốc độ tương đối thấp, đường đi uốn khúc và đôi chỗ gần như tắc nghẽn, như được thấy trong hình của dòng tia trên lục địa Bắc Mỹ vào ngày 2/2/2011 ở dưới. Đường đi của dòng tia được vẽ màu xám. Bạn có thể thấy rằng nó uốn khúc rất nhiều, và vĩ độ của nó thay đổi trong khoảng 70° và 20° bắc, trong khi phần ở trên vùng trung tâm Hoa Kỳ chuyển động "giật lùi" (đi một cách rõ ràng theo hướng tây thay vì chuyển động mạnh theo hướng đông như bình thường). Những vĩ độ mà dòng tia chạm tới thấp một cách khác thường (xuống gần đến 20° bắc ở ngay trên Mexico).

Độ đậm nhạt của màu xám (hình trên) tỷ lệ thuận với tốc độ của dòng tia (xem ghi chú ở phía dưới hình). Hầu hết dòng tia trên hình có màu xám đậm. Nó tương ứng với tốc độ khoảng 70 hải lý / giờ (130 km/h). Tốc độ này là khá thấp so với tốc độ trung bình mùa đông của dòng tia, khoảng 110 hải lý / giờ (204 km/h). Ở trên Alaska, nó bị gần như tắc nghẽn. Dòng tia ở đây thu hẹp và có màu xám đậm (tốc độ thấp). Điều này nghĩa là lưu thông của dòng tia ở đây bị suy giảm rất nhiều; nó gần như ngừng lại.

© SFSU

Dòng tia trên Bắc Mỹ ngày 2/2/2011

Vùng phía nam của dòng tia được tô màu cam để đại diện cho không khí ấm, trong khi vùng phía bắc được tô màu xanh lam để đại diện cho không khí lạnh bắc cực. Một vùng có dòng tia uốn khúc sẽ có những khu vực với không khí ấm, ẩm (màu cam) và không khí lạnh, khô (màu xanh lam) xen kẽ nhau. Thông thường, khi không khí ấm và ẩm đi theo hoặc gặp phải khối không khí lạnh, nó sẽ bị lạnh đi và độ ẩm suy giảm, dẫn đến mưa hoặc tuyết rơi. Sự khác biệt về nhiệt độ và tốc độ thay đổi nhiệt độ càng lớn thì lượng mưa hay tuyết rơi càng nhiều. Kết quả là, vào ngày 1 và 2 tháng 2 năm 2011, hơn nửa bắc bán cầu bị che phủ bởi tuyết, với một số khu vực - ví dụ như Illinois - chứng kiến lượng tuyết rơi 60 cm.

Lưu ý thêm các mũi tên chỉ tốc độ và hướng gió trong hình trên. Trong khu vực màu xanh, các mũi tên có hướng chung và về phía nam, báo hiệu một nửa Hoa Kỳ đang phải chịu khối không khí băng giá đi xuống trực tiếp từ bắc cực (xoáy bắc cực).

Nguồn dịch: Earth changes and human-cosmic connections.