Ơn Chúa vì bầu khí quyển. Nó giữ ấm cho chúng ta. Nếu thiếu nó, Trái Đất sẽ trở thành một khối cầu băng giá không sự sống với nhiệt độ trung bình khoảng -50oC. Bên cạnh đó, khí quyển hấp thụ và chuyển hướng các chùm tia vũ trụ, các hạt mang điện, tia cực tím và nhiều thứ khác. Tổng cộng, lớp đệm khí mang tên khí quyển tương đương với một lớp bê-tông bảo vệ dày tới 4,5m, mà nếu thiếu nó những vị khách vô hình từ vũ trụ sẽ xuyên qua chúng ta như những lưỡi dao găm nhỏ. Ngay cả những hạt mưa cũng có thể quất xuống chúng ta một cách tàn nhẫn nếu không được bầu khí quyển kéo chậm lại. Điều đáng ngạc nhiên nhất về khí quyển là nó lại rất mỏng manh. Tính từ mặt đất trở lên, nó chỉ dày khoảng 190km. Thoạt nghe, con số này có vẻ lớn khi chúng ta nhìn từ mặt đất lên, song nếu bạn thu nhỏ Trái Đất xuống bằng kích thước của một quả địa cầu tiêu chuẩn, khí quyển của chúng ta chỉ có độ dày của hai lớp dầu bóng.

Nói một cách dễ hiểu, về mặt khoa học, khí quyển được chia thành bốn tầng khác nhau: đối lưu, bình lưu, trung gian, điện ly (còn được gọi là tầng nhiệt). Tầng đối lưu là phần gần chúng ta nhất. Bản thân nó chứa đủ hơi ấm và ôxy để chúng ta có thể tồn tại, nhưng nó sẽ nhanh chóng trở nên kém thân thiện nếu bạn vượt qua nó. Tính từ mặt đất tới điểm cao nhất, tầng đối lưu dày khoảng 16km ở xích đạo và không quá 10-11km ở các vĩ độ ôn đới, nơi hầu hết chúng ta sinh sống. Nó chiếm tới 80% khối lượng khí quyển, gần như toàn bộ nước và do đó, gần như toàn bộ các hiện tượng thời tiết đều nằm tại lớp mỏng manh này. Khoảng cách giữa bạn và vùng đầy xáo trộn đó thật sự không xa lắm.

Trên tầng đối lưu là tầng bình lưu. Khi bạn thấy phần chóp của một đám mây giông có dạng như cái đe, đó là khi bạn đang quan sát ranh giới giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu. Tấm trần vô hình này được gọi là khoảng lặng đối lưu và được một người Pháp tên là Léon-Philippe Teisserenc de Bort phát hiện vào năm 1902 nhờ khinh khí cầu. Khoảng lặng (pause) không phải là sự gián đoạn tạm thời mà là ngừng vĩnh viễn (có gốc từ tiếng Hy Lạp menopause). Ở những nơi tầng đối lưu có bề dày lớn nhất, khoảng lặng đối lưu cũng không quá xa. Một cú nâng theo cách được dùng trong các máy bay hiện đại sẽ đưa bạn tới đây trong khoảng 20 phút, nhưng bạn không nên đi chuyến này. Khi tăng độ cao đột ngột mà không được điều áp, hậu quả ít nhất sẽ là tình trạng phù não và phổi nặng do dư thừa chất lỏng trong các mô. Khi cửa được mở ra tại nơi vừa đến để ngắm cảnh, mọi người bên trong hầu như đã chết hoặc sắp chết. Ngay cả khi việc bay lên cao như vậy được tính toán thận trọng hơn, nó cũng gây ra rất nhiều phiền toái. Nhiệt độ ở độ cao 10km có thể xuống tới -57oC, và khi đó bạn sẽ rất cần hay ít nhất là sẽ nhận thức được giá trị của nguồn ôxy bổ sung.

Sau khi bạn rời tầng đối lưu, nhiệt độ lại bắt đầu tăng lên khoảng 4oC, nhờ hiệu ứng hấp thụ của tầng ôzôn (đây là một phát hiện khác của de Bort trong chuyến bay táo bạo của ông vào năm 1902). Sau đó, nó đột ngột hạ xuống -90oC ở tầng trung gian trước khi tăng vọt lên 1.500oC ở tầng nhiệt – được đặt tên chính xác nhưng lại rất thất thường, vì tại đây nhiệt độ có thể chênh lệch khảng 500 độ giữa ngày và đêm – dù phải nói rằng nhiệt độ ở độ cao như vậy chỉ là một khái niệm danh nghĩa. Nhiệt độ thực chất là thước đo mức độ hoạt động của các phân tử. Ở mực nước biển, các phân tử khí dày đặc đến mức một phân tử chỉ có thể di chuyển trong khoảng cách rất nhỏ – chính xác là khoảng tám phần triệu của 1cm – trước khi va vào phân tử khác. Vì hàng nghìn tỷ phân tử không ngừng va đập nên nhiệt lượng sẽ được trao đổi. Song ở độ cao của tầng nhiệt, từ 80km trở lên, không khí loãng đến mức hai phân tử cách xa nhau hàng dặm và khó có thể va chạm. Như vậy, dù mỗi nguyên tử rất nóng nhưng do chúng ít tương tác nên gần như không dẫn tới sự trao đổi nhiệt. Đây là tin tốt dành cho các vệ tinh và tàu vũ trụ, nếu sự trao đổi nhiệt diễn ra hiệu quả, bất cứ vật thể nhân tạo nào ở tầng này cũng sẽ bốc cháy.

Dù vậy, các tàu vũ trụ vẫn phải cẩn thận khi ra ngoài khí quyển, nhất là khi trở lại Trái Đất. Thảm họa tàu con thoi Columbia xảy ra vào tháng Hai năm 2003 là một minh chứng đau lòng. Dù khí quyển rất mỏng, nếu một vật thể bay xuống theo một góc rất dốc – nhiều hơn khoảng 6 độ – hoặc với tốc độ quá nhanh, nó có thể va chạm với đủ nhiều nguyên tử để tạo ra lực cản cực kỳ dễ gây cháy. Ngược lại, nếu một phương tiện đi vào tầng điện ly theo một góc quá tù, nó sẽ bị nẩy bật về vũ trụ như một viên sỏi lướt trên mặt nước.

Mặc dù vậy, bạn không cần phải ra tới rìa của khí quyển để được nhắc nhở rằng con người là những sinh vật chỉ gắn chặt với mặt đất. Những ai sống ở một thành phố có nhiều tòa nhà cao tầng sẽ thấy không cần phải lên đến độ cao vài trăm mét so với mực nước biển thì cơ thể mới bắt đầu phản ứng. Ngay cả những vận động viên leo núi, dù tập luyện thường xuyên và được trang bị bình ôxy khi lên cao, cũng không tránh khỏi cảm thấy buồn nôn, mệt mỏi, tê cóng, thân nhiệt hạ, đau nửa đầu, mất cảm giác ngon miệng, và rất nhiều kiểu rối loạn chức năng đáng ngại khác. Cơ thể con người có hàng trăm cách để nhắc nhở chủ nhân của mình rằng nó không được tạo ra để vận hành ở những nơi cao hơn mực nước biển.

“Dù là ở những hoàn cảnh thuận lợi nhất,” nhà leo núi Peter Habeler viết về điều kiện trên đỉnh Everest, “mỗi bước đi ở độ cao đó cũng đòi hỏi một nỗ lực khổng lồ. Bạn sẽ phải tự thúc ép mình thực hiện từng cử động, nhích từng gang tay. Bạn luôn bị đe dọa bởi một sự mệt mỏi chết người.” Trong cuốn The Other Side of Everest [tạm dịch: Phía bên kia của đỉnh Everest], vận động viên leo núi kiêm nhà làm phim người Anh, Matt Dickinson, đã thuật lại câu chuyện vào năm 1924, Howard Somervell đã suýt mất mạng trong chuyến thám hiểm lên đỉnh Everest “vì bị nghẹt thở do một phần thịt bị nhiễm trùng của ông sưng lên, bịt chặt khí quản.” Phải rất nỗ lực, Somervell mới khạc được vật gây nghẽn ra. Hóa ra “đó là toàn bộ niêm mạc nhầy của thanh quản”.

Suy nhược cơ thể ở độ cao trên 7.500m là điều đã được biết đến từ lâu – các nhà leo núi gọi đó là Khu vực Chết – nhưng có nhiều người đã suy nhược nghiêm trọng thậm chí nguy hiểm đến tính mạng ở độ cao không quá 4.500m. Sự nhạy cảm với độ cao không liên quan nhiều đến thể trạng. Người già đôi khi vẫn có thể tán chuyện trên cao, trong khi thanh niên trai tráng thì run lẩy bẩy, nằm rên rỉ cho đến khi được đưa xuống.

Giới hạn tuyệt đối trong khả năng chịu đựng để có thể sống sót của con người là khoảng 5.500m, nhưng ngay cả những ai quen sống trên cao cũng không chịu được nó lâu dài. Frances Ashcroft, trong cuốn Life at the Extremes, đã kể lại rằng dù trên dãy Andes có nhiều mỏ lưu huỳnh ở độ cao 5.800m, nhưng các thợ mỏ đều muốn leo xuống độ cao 460m mỗi tối và leo lại lên vào ngày hôm sau chứ không chịu ở liên tục tại độ cao này. Những người cư trú lâu dài trên cao phải mất hàng nghìn năm tiến hóa để có phổi và lồng ngực to hơn cũng như mật độ hồng cầu mang ôxy tăng lên tới gần một phần ba, dù việc tăng hồng cầu cũng có giới hạn mà nếu vượt quá mức này, máu sẽ trở nên quá đặc và không thể lưu thông bình thường. Hơn nữa, ở độ cao trên 550m, kể cả những phụ nữ thích nghi tốt nhất cũng không cung cấp đủ ôxy cho thai nhi để chúng có thể phát triển đầy đủ.

Vào năm 1780, khi con người bắt đầu thí nghiệm thả khinh khí cầu ở châu Âu, điều khiến người ta ngạc nhiên là sự lạnh giá khi lên cao. Trung bình cứ lên cao 1.000m, nhiệt độ lại giảm đi 1,6oC. Logic thông thường chỉ ra rằng càng tới gần nguồn nhiệt, bạn sẽ càng thấy ấm. Một phần của lời giải thích cho điều này là bạn không thật sự đến gần Mặt Trời hơn. Mặt Trời cách chúng ta 93 triệu dặm. Việc lên cao thêm 100m không khác gì bước một bước tới gần một đám cháy ở Australia hơn với hy vọng ngửi thấy mùi khói trong khi bạn đang ở tận Ohio. Câu trả lời đưa chúng ta trở lại vấn đề mật độ nguyên tử trong không khí. Mặt Trời cung cấp năng lượng cho chúng, khiến chúng chuyển động nhanh hơn và va chạm nhiều hơn, sinh ra nhiệt. Trong một ngày hè, khi bạn cảm nhận được sự ấm áp của Mặt Trời chiếu sau lưng, thật ra đó là các nguyên tử hoạt động mạnh. Càng lên cao, số nguyên tử càng giảm và vì thế càng ít cơ hội để chúng tương tác. Không khí biết đánh lừa. Dù ở mực nước biển, chúng ta vẫn thường nghĩ về không khí với đặc tính trong suốt và không trọng lượng. Thật ra, chúng rất nặng và sức nặng này sinh ra lực. Nhà hải dương học Wyville Thomson đã viết cách đây hơn một thế kỷ: “Đôi khi chúng ta thức dậy vào buổi sáng, nhìn thấy phong vũ biểu tăng thêm 1in, và biết nửa tấn đã lặng lẽ đè lên mình trong lúc đang ngủ. Tuy vậy, chúng ta không hề cảm thấy gì ngoài sảng khoái và bồng bềnh, vì cần ít lực hơn để dịch chuyển cơ thể chúng ta trong môi trường có mật độ cao hơn.” Lý do bạn không cảm thấy bị đè bẹp dưới áp lực tăng đến nửa tấn đó cũng giống như lý do cơ thể bạn sẽ không bị nghiền nát dưới đáy biển: nó cấu tạo chủ yếu từ các chất lỏng không thể bị nén, có khả năng đẩy ngược để cân bằng áp suất trong và ngoài.

Còn khi không khí chuyển động, như trong một cơn bão hay chỉ đơn thuần là cơn gió mạnh, bạn sẽ nhanh chóng nhận thấy nó có khối lượng đáng kể. Tổng cộng có khoảng 5.200 triệu triệu tấn không khí xung quanh chúng ta – nghĩa là khoảng 25 triệu tấn trên mỗi dặm vuông của hành tinh này – đây không phải là một con số nhỏ. Khi hàng triệu tấn khí thổi qua với tốc độ 50 tới 60kmgiờ, không có gì đáng ngạc nhiên nếu cây cối đổ rạp hay nhà cửa bị tốc mái. Như Anthony Smith nhận xét, trong điều kiện khí hậu bình thường, sẽ có khoảng 750 triệu tấn khí lạnh nằm bên dưới hàng tỷ tấn khí ấm hơn. Không cần ngạc nhiên nếu điều này dẫn tới những hiện tượng khí tượng thú vị.

Chắc chắn thế giới trên đầu chúng ta không thiếu năng lượng. Người ta tính toán được rằng một cơn bão có thể chứa đủ năng lượng cho cả nước Mỹ dùng trong bốn ngày. Trong điều kiện phù hợp, những đám mây giông có thể lên tới độ cao 10-15km và chứa các dòng khí vận động với tốc độ hơn 150kmgiờ. Chúng thường ở sát nhau và đó là lý do các phi công không muốn bay xuyên qua chúng. Giữa đám hỗn loạn, các hạt bên trong đám mây sẽ bắt đầu tích điện. Vì những nguyên nhân chưa được làm rõ hoàn toàn, các hạt nhẹ hơn có xu hướng tích điện dương và được các dòng khí đẩy lên phía trên của đám mây. Các hạt nặng hơn nằm bên dưới và sẽ tích điện âm. Các hạt mang điện âm này có xu hướng lao về phía Trái Đất vốn mang điện dương và thật xui xẻo cho tất cả những gì nằm trên đường đi của chúng. Một tia sét có tốc độ 435.000kmgiờ và có thể đốt nóng không khí xung quanh lên tới 28.000oC, gấp vài lần nhiệt độ bề mặt Mặt Trời sẽ xuất hiện. Tại bất kỳ thời điểm nào cũng có 1.800 cơn bão đang diễn ra trên toàn thế giới – khoảng 40.000 cơn mỗi ngày. Suốt ngày đêm trên khắp hành tinh, cứ mỗi giây lại có 100 tia sét đánh xuống mặt đất. Bầu trời quả là một nơi náo nhiệt.

Điều đáng ngạc nhiên là, đa số kiến thức của chúng ta về những gì đang xảy ra đều mới được tìm ra gần đây. Dòng tia, thường xuất hiện ở độ cao 9.000-10.000m, có thể di chuyển với vận tốc gần 300kmgiờ và gây ảnh hưởng lớn tới hệ thống thời tiết trên mọi châu lục. Thế nhưng, sự tồn tại của chúng không bị ai hoài nghi cho đến khi các phi công gặp phải chúng trong Thế chiến II. Thậm chí cho đến nay, rất nhiều hiện tượng khí quyển vẫn không thể lý giải. Một dạng sóng nổi tiếng gọi là nhiễu động trời trong thường khiến máy bay rung lắc. Mỗi năm có khoảng 20 trường hợp nghiêm trọng đến mức phải báo cáo lại. Chúng không liên quan tới các cấu trúc mây hay bất cứ thứ gì khác có thể nhìn thấy bằng mắt thường hay bằng ra-đa. Chúng đơn giản chỉ là một đám nhiễu động gây sửng sốt giữa bầu trời yên tĩnh. Một trong số những vụ việc điển hình là trường hợp một máy bay từ Singapore tới Sydney bay qua miền trung Australia trong điều kiện bình thường đột ngột rơi xuống độ cao 90m – đủ để ném những người không thắt dây an toàn lên trần. Mười hai người bị thương, trong đó một người bị thương nặng. Không ai biết điều gì đã tạo ra các phân tử khí gây rối này.

Quá trình khiến không khí vận động trong khí quyển cũng chính là quá trình chi phối phần bên dưới lớp vỏ của Trái Đất, hay còn gọi là sự đối lưu. Hơi ẩm, không khí nóng từ vùng cận xích đạo sẽ bay lên cao cho đến khi chúng chạm tới khoảng lặng đối lưu và bắt đầu tỏa ra. Càng xa xích đạo, không khí càng lạnh dần và chìm xuống dưới. Khi chạm đáy, một phần không khí đang chìm sẽ tìm nơi có áp suất thấp để chiếm chỗ và theo đó chúng quay trở lại xích đạo, kết thúc vòng tuần hoàn.

Tại xích đạo, quá trình đối lưu thường ổn định hơn và tương đối dễ dự đoán, nhưng tại các vùng ôn đới, nó lại có xu hướng thay đổi theo mùa, cục bộ và ngẫu nhiên hơn, đây là nguyên nhân dẫn đến cuộc chiến không ngừng giữa các khối không khí có áp suất cao và các khối không khí có áp suất thấp. Các khối khí áp suất thấp được hình thành từ không khí bay lên, mang theo hơi nước lên bầu trời, hình thành những đám mây và cuối cùng là mưa. Không khí ấm giữ hơi ẩm tốt hơn không khí lạnh, đó là nguyên nhân làm các cơn bão nhiệt đới vào mùa hè thường nghiêm trọng nhất. Vì vậy, những vùng thấp dễ có mây và mưa, còn vùng cao lại nắng và thời tiết đẹp. Khi hai khối khí này gặp nhau, nó thường biểu hiện qua các đám mây. Ví dụ, những đám mây tầng – là những vùng mây lộn xộn, đáng ghét tạo ra bầu trời u ám – xuất hiện khi những luồng khí mang hơi ẩm thiếu sức mạnh để vượt qua được một vùng không khí ổn định hơn bên trên, do đó nó tỏa ra như một làn khói chạm phải trần nhà. Thực chất nếu quan sát một người hút thuốc, bạn sẽ hiểu ra mọi thứ dễ dàng bằng cách quan sát cách thức khói thuốc bay lên từ một điếu thuốc trong phòng kín. Ban đầu nó lên thẳng và sau đó nó lan rộng như một gợn sóng khuếch tán. Siêu máy tính tốt nhất trên thế giới, dù đo đạc trong môi trường được kiểm soát tốt nhất, cũng không thể dự đoán được gợn sóng này sẽ có hình dạng như thế nào, do đó, bạn có thể hình dung ra sự khó khăn mà các nhà khí tượng gặp phải khi họ muốn dự báo những chuyển động này trong một thế giới rộng lớn, lộng gió và luôn xoay tròn.

Chúng ta biết rằng do nhiệt từ Mặt Trời được phân bố không đều nên đã tạo ra sự khác biệt về áp suất không khí trên hành tinh. Không khí không thể cưỡng lại việc này, vì thế nó di chuyển vòng quanh để cố gắng tạo ra sự cân bằng. Gió chỉ đơn giản là một nỗ lực của không khí nhằm giữ mọi thứ ở trạng thái cân bằng. Không khí luôn di chuyển từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp (hãy nghĩ đến bất cứ thứ gì chịu áp suất không khí như quả bóng bay, bình khí nén hay chiếc máy bay không có cửa sổ, bạn sẽ hiểu không khí có áp suất cao luôn muốn di chuyển sang nơi khác). Mức độ chênh lệch áp suất càng lớn, gió thổi càng mạnh.

Đồng thời, tốc độ gió, cũng như tất cả mọi thứ có khả năng tích lũy, sẽ gia tăng theo cấp số nhân. Vì thế, một cơn gió thổi với vận tốc 300kmgiờ không đơn thuần mạnh hơn 10 lần so với một cơn gió có vận tốc 30kmgiờ, mà là 100 lần – do đó, sức tàn phá của nó cũng lớn hơn. Với vài triệu tấn không khí hưởng ứng hiệu ứng gia tốc này, hậu quả sẽ là không tưởng. Một cơn bão nhiệt đới trong 24 giờ có thể giải phóng năng lượng đủ cho một quốc gia phát triển với diện tích trung bình như Anh hay Pháp dùng trong một năm.

Nỗ lực của không khí nhằm thiết lập trạng thái cân bằng được Edmond Halley – người đàn ông xuất hiện ở mọi nơi – dự đoán đầu tiên và được một cộng sự của ông ở thế kỷ XVIII, Briton George Hadley, nghiên cứu sâu hơn và ông này nhận thấy các luồng khí bay lên rồi hạ xuống có xu hướng tạo ra các “buồng” (do đó nó được gọi là “buồng Hadley”). Dù nghề chính là luật sư nhưng Hadley lại đam mê nghiên cứu thời tiết (trên hết, ông là một người Anh điển hình) và đã chỉ ra mối liên hệ giữa các buồng khí, sự quay của Trái Đất và sự lệch hướng rõ ràng của không khí, vốn là nguồn gốc của gió mậu dịch. Tuy vậy, Gustave-Gaspard de Coriolis, giáo sư ngành kỹ thuật của trường Bách khoa Paris, là người đã làm rõ các mối liên hệ này vào năm 1835, do đó người ta gọi đây là hiệu ứng Coriolis. (Ông còn chế tạo ra công cụ làm lạnh nước, tới nay vẫn được lưu giữ tại trường này với tên gọi máy Corios.) Trái Đất tự quay quanh trục với tốc độ 1.675kmgiờ tại xích đạo, nhưng nếu bạn đi về phía hai cực, con số này sẽ giảm xuống đáng kể, chẳng hạn tại London hay Paris vận tốc quay chỉ còn khoảng 900kmgiờ. Bởi khi ở xích đạo, Trái Đất phải đưa bạn đi một đoạn đường khá xa – khoảng 40.000km – để đặt bạn lại vị trí cũ, trong khi nếu đứng ngay gần Bắc Cực, bạn chỉ cần đi vài mét để hoàn thành vòng xoay; nhưng bạn đều mất 24 giờ để trở về nơi xuất phát với cả hai trường hợp. Do đó, càng gần xích đạo, bạn càng phải xoay nhanh hơn.

Hiệu ứng Coriolis lý giải tại sao mọi thứ chuyển động theo một đường thẳng nằm ngang so với chiều quay của Trái Đất, và nếu có đủ khoảng cách, sẽ có xu hướng vòng sang phải ở bán cầu bắc và vòng sang trái ở bán cầu nam khi Trái Đất xoay bên dưới chúng. Cách dễ nhất để hình dung ra là tưởng tượng bạn đang đứng trong một vòng tròn gỗ lớn và ném một quả bóng về phía một người ở rìa vòng tròn. Vào thời điểm quả bóng tới được vị trí đó, nhân vật mục tiêu này đã di chuyển và quả bóng sượt qua phía sau anh ta. Từ góc nhìn của người này, dường như nó đã vòng ra xa anh ta. Đây là hiệu ứng Coriolis, nguyên nhân khiến các cơn bão xoáy tròn như con quay. Hiệu ứng này cũng giải thích tại sao súng pháo khi bắn đều phải điều chỉnh sang trái hoặc phải; nếu không một quả pháo tầm xa 15 dặm sẽ đi chệch hướng khoảng 100yd và rơi tõm xuống biển một cách vô hại.

Dù thời tiết có tầm quan trọng cả về thể chất lẫn tâm lý với hầu như tất cả mọi người, nhưng khí tượng chỉ thật sự trở thành một ngành khoa học từ đầu thế kỷ XIX (dù thuật ngữ khí tượng học đã có từ năm 1626, do T. Granger đặt ra trong một cuốn sách về logic).

Một phần của vấn đề là để thành công trong lĩnh vực khí tượng đòi hỏi các phép đo nhiệt độ chính xác trong suốt một thời gian dài, trong khi nhiệt kế từng là một dụng cụ khó chế tạo hơn bạn tưởng. Độ chính xác của nhiệt kế phụ thuộc vào việc tạo ra một lỗ khoan rất đều trong một ống thủy tinh, và điều này không hề dễ dàng. Người đầu tiên giải quyết được vấn đề này là Daniel Gabriel Fahrenheit, một nhà chế tạo dụng cụ người Hà Lan. Ông đã làm ra một chiếc nhiệt kế chính xác vào năm 1717. Tuy nhiên, vì một số lý do, ông đã điều chỉnh dụng cụ của mình để nhiệt độ đóng băng là 32 độ và nhiệt độ sôi là 212 độ. Lập tức, những con số lạc lõng này khiến nhiều người không hài lòng. Năm 1742, Anders Celsius, một nhà thiên văn học người Thụy Điển, đã tạo ra một nhiệt kế mang tính cạnh tranh. Để chứng minh rằng các nhà phát minh hiếm khi thực sự chính xác, trên nhiệt kế của mình, ban đầu Celsius đã đặt nhiệt độ sôi là 0 và nhiệt độ đóng băng là 100; nhưng sau đó nhanh chóng đảo ngược.

Người vẫn thường được xem là cha đẻ của ngành khí tượng hiện đại là một dược sĩ người Anh, Luke Howard. Ông trở nên nổi tiếng vào đầu thế kỷ XIX. Ngày nay, Howard được nhớ tới chủ yếu nhờ việc đặt tên cho các loại mây vào năm 1803. Dù là một thành viên tích cực và được kính trọng của Hội Linnaeus và sử dụng các nguyên lý của Linnaeus trong nghiên cứu mới của mình, nhưng Howard lại chọn Hội Askesian ít ai biết đến làm nơi công bố hệ thống phân loại mới của mình. (Hội Askesian gồm các thành viên có niềm yêu thích khác thường với nitơ oxit, vì thế chúng ta chỉ có thể mong họ lắng nghe những gì Howard trình bày trong trạng thái tỉnh táo. Về điểm này, các học giả của trường phái Howard luôn im lặng một cách đáng tò mò.)

Howard chia các đám mây thành ba nhóm: mây tầng là các đám mây xếp lớp, mây tích là các đám mây bông hơn và mây ti thường ở trên cao, có hình túm lông mỏng và thường báo hiệu thời tiết lạnh hơn. Về sau, ông còn bổ sung thuật ngữ mây vũ để chỉ những đám mây gây mưa. Vẻ đẹp của hệ thống Howard nằm ở chỗ các thành tố cơ bản để gọi tên loại mây có thể được kết hợp để mô tả bất cứ hình dạng và kích thước nào của một đám mây bay ngang qua – tích tầng, ti tầng, vũ tích, vv… Cách phân loại này nhanh chóng nổi tiếng không chỉ riêng ở Anh. Thi hào Goethe đã thích thú hệ thống này đến mức ông dành tới bốn bài thơ tặng Howard.

Hệ thống của Howard đã được bổ sung và hoàn thiện qua thời gian đến mức cuốn International Clouds Atlas [tạm dịch: Bản đồ mây quốc tế] có tới hai tập. Điều thú vị là các loại mây hậu-Horward đều là thử nghiệm, chưa ai nhìn thấy chúng bên ngoài các phòng thí nghiệm khí tượng. Rất tình cờ, phiên bản đầu tiên của cuốn atlas này, xuất bản năm 1896, đã chia mây thành 10 loại cơ bản, trong đó loại có hình dáng đầy đặn, bông xốp nhất là loại thứ chín, mây vũ tích.1 Có lẽ đây là nguồn gốc của cụm từ “chín tầng mây”.

1. Nếu bạn từng thấy ấn tượng trước vẻ đẹp và sự sắc nét của rìa các đám mây tích, trong khi các đám mây khác có xu hướng mờ hơn, thì có thể là do ranh giới giữa phần ẩm trong một đám mây tích và không khí khô bên trên. Bất cứ phân tử nước nào lạc ra ngoài rìa đám mây sẽ lập tức nhiễm điện do không khí khô bên ngoài, khiến đám mây luôn giữ được ranh giới rõ ràng này. Các đám mây ti ở cao hơn được cấu tạo bởi băng và vùng giữa tại rìa đám mây, không khí bên trên không được vạch rõ nên rìa của chúng rất mờ nhạt.

Trừ các đám mây giống hình đe nặng nề và giận dữ thỉnh thoảng xuất hiện, các đám mây bình thường thật sự hiền hòa và mong manh đến mức đáng ngạc nhiên. Một đám mây tích mùa hè bồng bềnh, với kích thước mỗi bề hàng trăm mét, thật ra không chứa nhiều hơn 100-150 lít nước – “chỉ đủ để đổ đầy một bồn tắm”, như James Trefil từng nhận xét. Bạn có thể cảm nhận phần nào tính phi vật chất của các đám mây bằng cách băng qua đám sương mù – vì sương mù chính là một đám mây không thể bay lên. Hãy trích lời Trefil một lần nữa: “Nếu đi bộ 100 thước qua một đám sương mù bình thường, bạn sẽ chỉ đang tiếp xúc với một nửa inch nước – không đủ cho bạn giải khát.” Do đó, các đám mây không phải là những con đập chứa nước khổng lồ. Chỉ khoảng 0,035% lượng nước sạch của Trái Đất đang bay lơ lửng trên đầu chúng ta ngay lúc này.

Tùy thuộc vào nơi nó rơi xuống, số phận của một phân tử nước sẽ rất khác nhau. Nếu đó là một vùng đất màu mỡ, nó sẽ được cây trồng hấp thụ hoặc sẽ lại bốc hơi sau vài giờ hoặc vài ngày. Tuy nhiên, nếu tìm được đường xuống các mạch nước ngầm, nó sẽ không nhìn thấy mặt trời trong nhiều năm – thậm chí là hàng nghìn năm, nếu mạch nước đủ sâu. Khi nhìn vào một hồ nước, bạn đang chiêm ngưỡng một bộ sưu tập các phân tử đã ở trên mặt đất khoảng một thập kỷ. Thời gian các phân tử nước cư trú trên biển được cho là hơn 100 năm. Tổng cộng, khoảng 60% số phân tử nước trong một cơn mưa sẽ trở lại bầu khí quyển trong một hoặc hai ngày. Một khi đã bốc hơi, chúng sẽ ở trên trời không quá một tuần – Drury đưa ra con số 12 ngày – trước khi lại biến thành mưa rơi xuống.

Bay hơi là một quá trình nhanh chóng, bạn có thể dễ dàng đánh giá điều này khi quan sát số phận của một vũng nước trong một ngày hè. Thậm chí những vùng rộng lớn như Địa Trung Hải cũng sẽ cạn kiệt sau 1.000 năm nếu không được bổ sung nước liên tục. Hiện tượng này từng xảy ra gần sáu triệu năm trước và giới khoa học gọi đó là Thảm họa Messinia. Mọi thứ xuất phát từ việc sự dịch chuyển lục địa đã đóng chặt eo biển Gibraltar. Khi Địa Trung Hải khô cạn, nước của nó đã chuyển sang các vùng biển khác dưới dạng nước tinh khiết, làm giảm nồng độ muối ở những nơi này – thực chất, là khiến nước ở các vùng biển này loãng tới mức có thể đóng băng trên diện rộng hơn mức bình thường. Diện tích băng gia tăng đã đẩy nhiều năng lượng Mặt Trời ra xa và đưa Trái Đất vào một kỷ Băng hà. Ít nhất, lý thuyết nói vậy.

Một điều chắc chắn đúng, theo những gì chúng ta có thể nói, đó là chỉ một thay đổi nhỏ trong các cơ chế của Trái Đất cũng có thể gây ra những hậu quả ngoài sức tưởng tượng. Một hiện tượng tương tự, chúng ta sẽ thấy sau đây chốc lát, thậm chí có thể đã tạo ra loài người.

Sức mạnh của các vận động trên bề mặt hành tinh nằm ở các đại dương. Thực tế, các nhà khí tượng học ngày càng có xu hướng xem các đại dương và khí quyển là một hệ thống duy nhất. Vì thế ở đây chúng ta cần chú ý tới chúng đôi chút. Nước có khả năng giữ và truyền nhiệt thật kỳ diệu, bạn sẽ ngạc nhiên về quy mô của nó. Mỗi ngày, dòng Vịnh (Gulf Stream) mang theo một lượng nhiệt tới châu Âu tương đương với lượng than mà cả thế giới sử dụng trong mười năm. Đây là nguyên nhân làm mùa đông của Anh và Ireland dễ chịu hơn nhiều so với Canada và Nga. Tuy nhiên, nước cũng ấm lên rất chậm, đây là nguyên nhân các hồ và bể bơi vẫn mát mẻ ngay cả trong những ngày nóng nhất. Chính vì nguyên nhân này, thường có một độ trễ giữa thời điểm khởi đầu chính thức về mặt thiên văn của một mùa và cảm giác về sự bắt đầu thật sự của mùa này. Vì thế, dù mùa xuân chính thức bắt đầu ở bán cầu bắc vào tháng Ba, nhưng hầu như ở mọi nơi, sớm nhất là tháng Tư, người ta mới thật sự cảm thấy.

Các đại dương không phải là một khối nước đồng nhất. Sự khác biệt giữa chúng về nhiệt độ, độ mặn, độ sâu và mật độ, vv… có ảnh hưởng rất lớn tới khí hậu. Chẳng hạn, Đại Tây Dương mặn hơn Thái Bình Dương, và đây là một điều tốt. Nước biển càng mặn thì mật độ phân tử càng cao và như thế nước sẽ càng chìm xuống. Nếu không nhờ lượng muối nặng, các dòng hải lưu trên Đại Tây Dương sẽ chảy đến tận Bắc Cực, làm Bắc Cực ấm lên nhưng lại lấy mất của châu Âu nguồn hơi ấm dịu dàng này. Cơ chế truyền nhiệt chính trên Trái Đất được gọi là lưu thông tuần hoàn nhiệt, khởi nguyên từ các dòng hải lưu chậm ở sâu dưới biển – quá trình này được biết đến lần đầu nhờ công của nhà khoa học và là nhà thám hiểm, Bá tước Rumford, vào năm 1797.1 Sự tuần hoàn diễn ra nhờ việc nước trên bề mặt khi tới vùng lân cận châu Âu sẽ trở nên nặng hơn, chìm xuống và bắt đầu một hành trình chậm chạp trở lại bán cầu nam. Khi tới Nam Cực, chúng sẽ bị cuốn vào dòng hải lưu Circumpolar và chảy tiếp tới Thái Bình Dương. Quá trình này diễn ra rất chậm – có thể mất tới 1.500 năm để nước đi từ bắc Đại Tây Dương tới giữa Thái Bình Dương – nhưng lượng nhiệt và nước được di chuyển rất lớn nên có sức ảnh hưởng khổng lồ tới khí hậu.

1. Thuật ngữ này dường như có nhiều cách hiểu với những người khác nhau. Tháng Mười một năm 2002, Carl Wunsch (MIT) đã đăng một báo cáo trên tạp chí Science, “Lưu thông tuần hoàn nhiệt là gì?”, trong đó, ông lưu ý rằng thuật ngữ này đã được sử dụng trong các tạp chí hàng đầu để mô tả ít nhất là 7 hiện tượng khác nhau (lưu thông ở mức độ sâu, lưu thông do chênh lệch mật độ hoặc sức nổi, vv…) – dù tất cả đều liên quan tới sự lưu thông của đại dương và truyền nhiệt, với ý nghĩa trừu tượng và bao quát của nó mà tôi sử dụng ở đây.

(Về câu hỏi bằng cách nào người ta tính được khoảng thời gian mà một giọt nước di chuyển từ đại dương này sang đại dương khác, câu trả lời là các nhà khoa học có thể tính dựa theo các hợp chất có trong nước như CFC để chỉ ra nó đã ở đó bao lâu kể từ lần cuối cùng xuất hiện trong không khí. Bằng cách so sánh số liệu ở các vùng và độ sâu khác nhau, họ có thể miêu tả một cách hợp lý vòng tuần hoàn của nước.)

Lưu thông tuần hoàn nhiệt không chỉ tản nhiệt mà còn giúp hòa tan chất dinh dưỡng khi các dòng hải lưu lên xuống, tạo ra nhiều vùng biển có thể sinh sống hơn dành cho cá và các sinh vật biển khác. Không may là, dường như quá trình lưu thông cũng rất nhạy cảm với sự thay đổi. Theo sự mô phỏng của máy tính cho thấy, chỉ một sự pha loãng nhỏ nhất hàm lượng muối trong nước biển – ví dụ, do băng ở Greenland tan nhiều hơn – cũng có thể gây gián đoạn chu kỳ một cách tai hại.

Các đại dương còn có lợi ích to lớn khác với chúng ta. Chúng nhấn chìm và giữ lại một lượng cácbon khổng lồ một cách an toàn. Một trong những điều kỳ lạ của hệ Mặt Trời là Mặt Trời tỏa sáng mạnh hơn khoảng 25% so với thời điểm hệ này còn non trẻ. Điều này đồng nghĩa với việc Trái Đất sẽ ấm lên rất nhiều. Thực tế, như nhà địa chất học người Anh, Aubrey Manning, nhận xét, “sự thay đổi lớn lao này lẽ ra phải gây ra một thảm họa trên Trái Đất, nhưng dường như cho đến nay thế giới của chúng ta vẫn chưa hề bị ảnh hưởng.”

Vậy thì điều gì giữ cho hành tinh này ổn định và mát mẻ? Đó chính là sự sống. Hàng nghìn tỷ nối tiếp, hàng hàng nghìn tỷ dạng sống trên biển mà đa số chúng ta chưa bao giờ nghe tên – foraminiferan, coccolith và tảo vôi – đã hấp thụ cácbon tồn tại dưới dạng cácbon điôxít (CO2) trong không khí, khi nó rơi xuống theo nước mưa và sử dụng nó (kết hợp với những thứ khác) để tạo ra vỏ bọc tí hon của chúng.

Bằng cách giam cacbon trong vỏ, chúng ngăn nguyên tố này bốc hơi lại khí quyển, nơi nó gây ra hiệu ứng nhà kính vốn rất nguy hiểm. Cuối cùng, tất cả những sinh vật tí hon này sẽ chết và chìm xuống đáy biển, nơi chúng được nén thành đá vôi. Điều đáng chú ý là khi bạn quan sát một kỳ quan thiên nhiên như mỏm Đá Trắng Dover ở Anh, hãy nhớ rằng nó được tạo nên hoàn toàn từ xác của các sinh vật biển nhỏ bé, và đồng thời đừng quên hình dung lượng cácbon đã được chúng tích lũy và giữ lại. Một cục đá vôi 6in của mỏm Dover chứa hơn 1.000 lít khí CO2 nén, vốn sẽ chẳng đem lại điều gì tốt đẹp cho chúng ta. Tổng số cácbon bị các tảng đá trên Trái Đất giữ lại nhiều gấp khoảng 80.000 lần so với trong không khí. Cuối cùng, phần lớn số đá vôi này sẽ trào ra cùng dung nham núi lửa, và cácbon lại trở về khí quyển rồi rơi xuống Trái Đất theo mưa, đây là lý do toàn bộ quá trình này được gọi là chu kỳ cácbon dài hạn. Quá trình này là một khoảng thời gian dài – khoảng nửa triệu năm cho một nguyên tử cácbon điển hình – nếu không có các nhân tố gây rối loạn, nó đặc biệt hiệu quả trong việc giữ khí hậu ổn định.

Không may rằng con người có sở thích bất cẩn là phá vỡ chu kỳ này bằng cách thải thật nhiều CO2 vào không khí, bất chấp các sinh vật biển tí hon có sẵn sàng đón nhận chúng hay không. Từ năm 1850, theo ước tính, chúng ta đã thải thêm 100 tỷ tấn CO2 vào không khí, và con số này tăng khoảng 7 tỷ tấn mỗi năm. Về tổng thể, thực ra con số này không quá lớn. Thiên nhiên – chủ yếu thông qua sự phun trào của núi lửa và sự phân hủy cây cối – đã thải vào khí quyển khoảng 200 tỷ tấn CO2 mỗi năm, gấp gần 30 lần so với các loại xe cộ và nhà máy của con người. Chúng ta chỉ cần nhìn lên các đám mây lơ lửng trên bầu trời thành phố, hoặc Hẻm Núi Lớn và thậm chí là cả Mỏm Đá Trắng Dover để thấy được sự đóng góp của chúng ta tạo ra sự khác biệt như thế nào.

Từ các mẫu băng rất cổ, chúng ta biết được rằng mức CO2 tự nhiên trong khí quyển – tức là trước khi nó bắt đầu tăng lên do hoạt động công nghiệp của con người – là vào khoảng 280 phần triệu. Đến năm 1958, khi các nhà khoa học bắt đầu chú ý tới vấn đề này, con số trên đã tăng lên 315 phần triệu. Ngày nay nó đã vượt quá con số 360 phần triệu và mỗi năm lại tăng khoảng một phần tư của 1%. Người ta dự đoán rằng đến cuối thế kỷ XXI, tỷ lệ này sẽ tăng đến khoảng 560 phần triệu.

Cho đến nay, rừng và biển (nơi giam giữ rất nhiều cácbon) đã cứu chúng ta khỏi tai họa do chính chúng ta gây ra. Tuy nhiên, Peter Cox thuộc Nha Khí tượng Anh quốc đã nhận định: “Có một ngưỡng tới hạn tại đó sinh quyển tự nhiên sẽ không còn khả năng giúp con người tránh khỏi các hiệu ứng của việc xả thải, thậm chí còn bắt đầu khuếch đại chúng.” Đáng lo ngại là Trái Đất đang nóng lên rất nhanh. Nếu không thể thích nghi, nhiều loài thực vật sẽ chết, thải ra rất nhiều cácbon và khiến vấn đề trở nên nghiêm trọng hơn. Những chu kỳ như vậy đã từng diễn ra trong quá khứ dù không có tác nhân con người. Tin tốt là ngay cả khi đó, thiên nhiên vẫn rất tuyệt vời. Chắc chắn là cuối cùng chu kỳ cácbon sẽ diễn ra, đưa Trái Đất về lại trạng thái ổn định và vui vẻ. Lần gần đây nhất, chu kỳ này chỉ mất 60.000 năm.