Mưa đá nện lên mái tôn nghe như ai ném sỏi. Nhưng viên đá bằng quả bóng tennis nặng gần một lạng, và trước lúc rơi nó đã treo lơ lửng trên đầu bạn hàng chục phút. Thứ giữ nó ở trên đó là một cột không khí đang bốc lên — và sức của cột khí ấy gói gọn trong một con số:
Một kilogram không khí mang theo bao nhiêu năng lượng
Bọc khí ẩm nóng sát mặt đất, khi bị đẩy lên, nở ra và nguội đi 9,8 °C mỗi kilômét. Nhưng hơi nước trong nó ngưng tụ dọc đường, và nhiệt ẩn trả lại giữ cho bọc khí chỉ nguội chừng 5–6 °C mỗi kilômét. Nguội chậm hơn môi trường nghĩa là luôn nhẹ hơn môi trường: càng lên càng bị đẩy tiếp. Cộng công của lực nổi trên cả quãng đường ấy, ta được CAPE — năng lượng đối lưu khả dụng, tính bằng joule trên mỗi kilogram không khí.
Bản tin dông đọc CAPE như đọc mã lực: 1 000 J/kg là dông thường, 2 500 là dông mạnh, trên 4 000 là hạng siêu ổ dông. Con số 4 000 J/kg nghĩa là mỗi kilogram khí được cấp đúng chừng ấy công — bằng công nâng chính nó lên 408 mét. Đổi trọn sang động năng:
w = √(2 · CAPE)CAPE 4 000 → w = 89,4 m/s, tức 322 km/h, một cột khí dựng đứng chạy nhanh hơn tàu cao tốc.
Viên đá lớn nhất mà cột khí ấy nuôi nổi
Viên đá đứng yên giữa trời khi lực cản của dòng khí đúng bằng trọng lượng nó — vẫn là bài toán vận tốc tới hạn, chỉ đọc ngược chiều: thay vì hỏi viên đá rơi nhanh bao nhiêu, ta hỏi dòng khí này giữ nổi viên to bao nhiêu. Cân bằng hai lực cho:
D_max = 3 · ρ_kk · Cd · w² / (4 · ρ_đá · g)Với ρ_kk = 0,70 kg/m³ (độ cao ~5,5 km, nơi hạt đá lớn lên), Cd = 0,5 và ρ_đá = 900 kg/m³, dòng thăng 89,4 m/s giữ nổi viên 23,8 cm. Để ý số mũ: đường kính tỉ lệ với bình phương tốc độ — cột khí mạnh gấp đôi nuôi nổi viên đá to gấp bốn. CAPE 1 000 chỉ đỡ nổi 5,9 cm; CAPE 2 500 đã là 14,9 cm.
Kỷ lục thế giới thuộc về viên đá rơi xuống Vivian, South Dakota ngày 23/7/2010: đường kính 20,3 cm, chu vi 47,3 cm, cân được 0,88 kg sau khi đã tan bớt trong lúc chờ người ta tìm ra cái cân. Trần lý thuyết 23,8 cm cách kỷ lục đúng 3,5 cm — gần đến mức đáng ngờ, với một mô hình chỉ gồm hai lực.
Vì sao thực tế chỉ được một nửa
Công thức w = √(2·CAPE) giả định cột khí giữ trọn năng lượng nổi, điều
không cơn dông nào làm được: nó cuốn khí khô hai bên vào, và khí khô
làm bay hơi bớt nước, hút nhiệt, giảm độ nổi; nó phải cõng nước — hàng
gram nước lỏng và đá mỗi mét khối. Radar Doppler đo đỉnh dòng thăng trong
siêu ổ dông mạnh nhất chỉ vào khoảng 50–60 m/s — chừng 60% con số lý
thuyết. Kéo thanh hiệu suất về 50% trong demo và trần sụp
xuống 5,9 cm — cỡ quả bóng tennis, viên nặng 97 g, chạm đất ở 122 km/h với
56 J động năng, thừa sức thủng mái tôn và móp nắp capô.
Viên đá Vivian vì thế đòi một cột khí gần như hoàn hảo: giữ nó lơ lửng cần 82,6 m/s, tức CAPE 3 400 J/kg mà không hao một phần trăm nào. Và lơ lửng được vẫn chưa đủ, còn phải kịp lớn: với hàm lượng nước lỏng siêu lạnh 3 g/m³, hạt đá cần gần 50 phút đi đi về về qua vùng siêu lạnh mới đắp đủ 20 cm (26 phút cho viên 5,9 cm). Một cơn dông CAPE khủng nhưng phun hạt ra khỏi cột sớm vẫn chỉ cho mưa đá bé.
Trường hợp biên: bốn kilômét không khí ấm ở dưới
Còn một cửa ải nữa: rơi xuống, viên đá phải xuyên lớp khí quyển trên 0 °C. Lấy mực đóng băng 4 km và mặt đất 25 °C — một ngày tháng Tư ở miền núi phía Bắc — rồi tính nhiệt lượng dòng khí rót vào viên đá trong quãng rơi: viên 1 cm mất khoảng 94% khối lượng, coi như biến mất, và ngưỡng sống sót nằm ngay quanh 1 cm. Ngưỡng ấy dịch rất nhanh theo mùa vì tốc độ tan tỉ lệ nghịch với cỡ hạt gần như luỹ thừa 1,75: ngày mát 10 °C, hạt 0,6 cm đã qua được; giữa hè mặt đất 33 °C và mực đóng băng lên gần 5 km, phải to hơn 1,3 cm mới có cửa.
Nên mưa đá ở Sơn La, Lào Cai, Nghệ An dồn vào tháng 3–4, lúc tầng ấm bên dưới còn mỏng, chứ không phải giữa mùa dông. Cùng một đám mây ấy, cùng cột khí 40 m/s: tháng Ba nó ném đá xuống mái nhà, tháng Bảy nó chỉ đổ một trận mưa rào — và cơn mưa rào ấy chính là những viên đá đã tan hết trong bốn cây số cuối.