Câu hỏi trẻ con nào cũng từng hỏi mà người lớn hay trả lời sai: lên núi gần Mặt Trời hơn, sao lại lạnh hơn? (Gần thêm 1,5 km trên quãng 150 triệu km — một phần trăm triệu, nắng mạnh thêm đúng 0,000002%. Không phải hướng đó.) Câu trả lời thật nằm trong túi khí đang bốc lên này:
Nở ra là phải trả tiền — bằng nhiệt của chính mình
Mặt đất mới là lò sưởi của khí quyển: nắng xuyên không khí gần như không suy suyển, nung mặt đất, mặt đất hâm lớp không khí sát nó. Không khí nóng bốc lên — và đây là chỗ vật lý ra tay: càng cao áp suất càng thấp, khối khí nở ra, mà nở là sinh công đẩy không khí xung quanh. Không ai tài trợ khoản công ấy — nó rút thẳng từ nội năng: phương trình khí lý tưởng làm sổ sách, kết quả là khối khí tự lạnh đi 9,8 °C mỗi km dù không mất một jun nào cho ai “bên ngoài” — vì thế gọi là đoạn nhiệt. Con số 9,8 không ngẫu nhiên: nó đúng bằng g/c_p — trọng trường chia nhiệt dung, hai hằng số quen mặt bắt tay nhau thành cái cầu thang nhiệt độ của cả bầu trời.
Không khí ẩm leo thang nhẹ nhàng hơn: lạnh đến điểm sương là hơi nước ngưng tụ — và mỗi gam ngưng tụ hoàn trả 2 260 J nhiệt ẩn vào khối khí. Cái phanh ấy hãm mức lạnh xuống còn ~6,5 °C/km. Sa Pa 1 500 m vì thế quanh năm mát hơn Hà Nội cỡ 7–8 độ; đỉnh Fansipan 3 143 m lạnh hơn mực biển hơn 20 độ — “đới khí hậu ôn đới” treo lơ lửng ngay trong vành đai nhiệt đới, mua trọn bằng một hệ số g/c_p.
Gió phơn: leo núi bằng thang máy rẻ, xuống bằng thang máy đắt
Bây giờ cho một luồng gió ẩm húc vào dãy Trường Sơn. Sườn đón gió: leo lên theo giá ẩm 6,5 °C/km, hơi nước vắt kiệt thành mưa trút hết bên đó. Qua đỉnh, khối khí khô rang đổ dốc bên kia — và rơi xuống thì bị nén, nóng lên theo giá khô trọn 9,8 °C/km. Leo 2 km mất 13 độ, tụt 2 km lấy lại gần 20: gió đến chân núi bên kia nóng hơn lúc xuất phát 6–7 độ và khô kiệt — chính là gió Lào rang miền Trung mỗi hè. Không có nguồn nhiệt nào được thêm vào; cơn gió chỉ đi qua hai cầu thang giá khác nhau và bỏ túi phần chênh — khoản “lãi” ấy trả bằng cơn mưa đã mất bên kia núi.
Cùng số học đó đặt tên cho rượu vang: gió foehn ấm của dãy Alps, chinook “kẻ ăn tuyết” ở Bắc Mỹ từng nâng nhiệt độ 20 độ trong vài phút — tất cả là một khối khí đi lên bằng giá ẩm và đi xuống bằng giá khô.
Trường hợp biên: khi cầu thang bị lật ngược
Cầu thang 9,8 °C/km còn là thước đo sự ổn định của khí quyển. Khối khí bốc lên lạnh đi theo giá đoạn nhiệt; nếu không khí xung quanh lạnh theo độ cao chậm hơn thế, khối khí leo được một đoạn đã lạnh hơn môi trường — chìm trở lại: trời yên. Ngược lại, mặt đất nung hầm hập làm môi trường tụt nhiệt nhanh hơn 9,8: khối khí bốc lên mãi vẫn ấm hơn xung quanh — phi nước đại thành mây dông cao chục cây số. Dự báo dông, về cốt lõi, là đi so hai độ dốc ấy mỗi sáng.
Và trường hợp lật hẳn: đêm đông lặng gió, mặt đất phơi nhiệt nguội trước, lớp không khí sát đất lạnh hơn lớp trên — nghịch nhiệt. Cầu thang lộn ngược thành cái nắp: không khí hết đường bốc lên, khói xe, bụi mịn bị nhốt dưới nắp tích tụ qua đêm. Những sáng mù đặc ô nhiễm của Hà Nội hay Bắc Kinh không phải ngày xả thải nhiều hơn — là ngày cái cầu thang đoạn nhiệt bị khoá. Ô nhiễm đô thị, gió Lào, mây dông và cái se lạnh Đà Lạt: một hệ số g/c_p, bốn khuôn mặt.