Trong trạm khí tượng tự động, độ ẩm thường được đo bằng cảm biến điện dung: một màng polymer mỏng hút hơi nước làm thay đổi điện dung, máy đổi ra độ ẩm tương đối (%RH). Áp suất được đo bằng cảm biến áp suất bán dẫn hoặc hộp chân không biến dạng, tính bằng hectopascal (hPa). Hai cảm biến này đặt trong lều chắn bức xạ, ghi số vài giây một lần và gửi về trung tâm. Hiểu cách chúng hoạt động cũng giúp bạn đọc đúng chiếc ẩm kế, áp kế trong nhà hay trong điện thoại.
Một trạm khí tượng tự động gồm những gì
Trạm tự động là phiên bản không người trực của vườn khí tượng truyền thống. Bộ phận thường có:
- Lều chắn bức xạ màu trắng, nhiều lớp đĩa xếp chồng hoặc vách chớp, bên trong là cảm biến nhiệt độ và độ ẩm. Theo hướng dẫn của Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO), chúng đặt cao khoảng 1,25–2 m trên mặt đất phủ cỏ thấp.
- Cảm biến áp suất, thường đặt trong hộp thiết bị.
- Thùng đo mưa kiểu gầu lật: nước mưa rơi vào một gầu nhỏ, đầy đến một lượng định sẵn (thường tương ứng vài phần mười mm mưa) thì lật, mỗi lần lật là một xung đếm.
- Cột gió cao 10 m với chong chóng đo hướng và cốc đo tốc độ, hoặc cảm biến gió siêu âm không có bộ phận quay.
- Bộ ghi dữ liệu lấy mẫu vài giây một lần, tính trung bình theo phút, theo giờ, rồi truyền đi qua mạng di động hoặc vệ tinh; nguồn điện thường là pin mặt trời và ắc quy.
Trạm tự động giúp có số liệu dày hơn, ở nhiều nơi hẻo lánh hơn, nhưng không thay hoàn toàn được người quan trắc: ai đó vẫn phải đến lau cảm biến, dọn tổ kiến trong thùng mưa, kiểm tra chuẩn định kỳ.
Độ ẩm tương đối, điểm sương: đọc số cho đúng
Độ ẩm tương đối (%RH) là lượng hơi nước có trong không khí so với lượng tối đa không khí có thể chứa ở cùng nhiệt độ. Vì không khí ấm chứa được nhiều hơi nước hơn, cùng một khối khí, khi nhiệt độ giảm thì %RH tăng lên dù lượng nước không đổi. Đó là lý do độ ẩm ban đêm và sáng sớm cao hơn buổi trưa.
Điểm sương là nhiệt độ mà khí phải lạnh xuống để hơi nước bắt đầu ngưng tụ. Đây là con số ổn định hơn để nói "không khí nhiều hơi nước hay ít": điểm sương trên khoảng 24 °C là ngột ngạt, oi bức với hầu hết mọi người. Hiện tượng nồm ở miền Bắc xảy ra khi khối khí ấm ẩm tràn về trong lúc tường, sàn nhà còn lạnh dưới điểm sương của khí, nên hơi nước đọng ngay trên bề mặt.
Các cách đo độ ẩm, từ sợi tóc đến gương lạnh
| Loại ẩm kế | Nguyên lý | Ghi chú |
|---|---|---|
| Ẩm kế tóc | Sợi tóc dài ra khi ẩm, ngắn lại khi khô; Horace-Bénédict de Saussure làm chiếc đầu tiên thế kỷ 18 | Rẻ, đẹp, phản ứng chậm, phải chỉnh lại thường xuyên |
| Ẩm kế khô – ướt | Hai nhiệt kế, một bọc vải ướt; nước bay hơi làm nhiệt kế ướt lạnh hơn, chênh lệch càng lớn thì không khí càng khô | Từng là chuẩn ở vườn khí tượng; cần gió thổi đều và vải sạch |
| Cảm biến điện dung polymer | Màng polymer hút ẩm làm đổi hằng số điện môi, điện dung thay đổi | Phổ biến nhất trong trạm tự động và đồ gia dụng |
| Ẩm kế điểm sương gương lạnh | Làm lạnh một mặt gương đến khi sương đọng, đo nhiệt độ gương | Chính xác cao, dùng làm chuẩn trong phòng hiệu chuẩn |
Cảm biến điện dung tốt có sai số cỡ ±1–3 %RH. Điểm yếu là vùng ẩm rất cao, trên 90%: màng có thể bị ngưng tụ nước, phản ứng chậm, trôi số, và nhiễm bẩn từ bụi, muối, hoá chất trong không khí. Với khí hậu nhiệt đới ẩm như Việt Nam, nơi độ ẩm sáng sớm thường chạm 95–100%, đây là thách thức thật. Một số dòng cảm biến chuyên nghiệp có cơ chế sưởi ấm nhẹ đầu đo để tránh đọng sương.
Áp suất khí quyển: con số nhỏ báo trước điều lớn
Từ cột thuỷ ngân đến chip bán dẫn
Năm 1643, Evangelista Torricelli dùng ống thuỷ tinh đầy thuỷ ngân úp ngược để chứng minh không khí có trọng lượng. Áp kế thuỷ ngân là chuẩn khí tượng suốt ba thế kỷ, nhưng nay đang dần bị loại bỏ theo Công ước Minamata về thuỷ ngân. Áp kế hộp (aneroid), dùng hộp kim loại rút chân không co giãn theo áp suất, ra đời giữa thế kỷ 19, là loại đồng hồ treo tường quen thuộc. Trạm tự động và điện thoại ngày nay dùng chip áp suất bán dẫn: một màng silic siêu mỏng cong đi dưới áp suất, làm đổi điện trở hoặc điện dung.
Áp suất trạm và áp suất mực biển
Áp suất giảm khi lên cao, gần mặt biển cứ lên khoảng 8 m thì giảm chừng 1 hPa. Vì vậy số đo tại trạm (áp suất trạm) phải quy về mực nước biển thì các trạm ở độ cao khác nhau mới so được với nhau và vẽ được bản đồ thời tiết. Áp suất mực biển trung bình theo khí quyển chuẩn là 1.013,25 hPa. Chiếc áp kế trong nhà bạn nếu không chỉnh theo độ cao nơi ở sẽ luôn lệch so với bản tin.
Đọc xu hướng, không chỉ đọc con số
Người dự báo quan tâm áp suất thay đổi thế nào hơn là con số tuyệt đối. Áp suất tụt nhanh vài hPa trong vài giờ thường báo hiệu một hệ thống thời tiết xấu đang tới gần. Tâm bão mạnh có áp suất rất thấp: siêu bão Haiyan năm 2013, theo Cơ quan Khí tượng Nhật Bản, có áp suất tâm khoảng 895 hPa. Ở vùng nhiệt đới như Việt Nam, áp suất còn có dao động nhỏ lên xuống hai lần mỗi ngày do "thuỷ triều khí quyển"; đây là chuyện bình thường, không phải dấu hiệu thời tiết.
Khi dữ liệu trạm "dị thường": kiểm soát chất lượng
Một trạm tự động gửi hàng nghìn con số mỗi ngày, nên trung tâm xử lý chạy các phép kiểm tra tự động trước khi dùng:
- Kiểm tra giới hạn: độ ẩm 110% hay áp suất 700 hPa ở trạm đồng bằng là vô lý.
- Kiểm tra bước nhảy: nhiệt độ tăng 8 °C trong một phút gần như chắc chắn là lỗi.
- Kiểm tra đứng im: một giá trị lặp y hệt nhiều giờ liền thường là cảm biến treo.
- Kiểm tra nhất quán: độ ẩm 100% mà trời nắng gắt buổi trưa, hay mưa lớn mà áp suất, độ ẩm chẳng nhúc nhích.
- So với trạm lân cận và với ảnh vệ tinh, radar.
Nguyên nhân "dị thường" thường rất đời: nhện giăng tơ trong lều chắn, chim đậu lên cảm biến gió, lá cây bịt thùng mưa, kiến làm tổ, cỏ mọc cao che nắng, sét đánh hỏng mạch. Người bảo dưỡng trạm hay kể những chuyện như vậy, và đó là lý do số liệu thô bao giờ cũng cần người kiểm tra.
Ẩm kế, áp kế ở nhà: đặt đâu và tự kiểm tra
- Tránh nắng chiếu và nguồn nhiệt. Đặt ẩm kế dưới nắng hay cạnh tủ lạnh, máy lạnh làm cả nhiệt độ lẫn độ ẩm sai.
- Chỗ thông thoáng, ngang tầm người. Không nhét trong góc tủ hay sát tường ngoài trời nắng.
- Tự kiểm tra bằng muối: cho một thìa muối ăn vào nắp chai, nhỏ vài giọt nước cho thành hồ sệt (vẫn còn hạt muối chưa tan), đặt cùng ẩm kế vào túi kín hoặc hộp kín, để ở nhiệt độ phòng ổn định khoảng 8–12 giờ. Không khí trên dung dịch muối bão hoà có độ ẩm khoảng 75%. Ẩm kế báo 68% hay 82% là bạn biết nó lệch bao nhiêu để tự cộng trừ.
- Áp kế: so với áp suất mực biển trong bản tin của trạm gần nhất, chỉnh núm theo độ cao nơi ở.
- Áp kế trong điện thoại chủ yếu để giúp định vị tầng nhà và đếm số tầng leo; nó nhạy với thay đổi nhỏ nhưng con số tuyệt đối không phải lúc nào cũng chuẩn.
Độ ẩm trong nhà dễ chịu thường được khuyên vào khoảng 40–60%. Ẩm quá cao lâu ngày dễ mốc, ẩm quá thấp làm khô da, khô họng.
Câu hỏi thường gặp
Cảm biến độ ẩm hoạt động thế nào?
Loại phổ biến nhất là cảm biến điện dung: một màng polymer mỏng hút hơi nước làm thay đổi điện dung, mạch điện tử đổi ra độ ẩm tương đối. Loại tốt có sai số khoảng ±1–3 %RH nhưng dễ trôi số khi không khí ẩm gần bão hoà kéo dài.
Độ ẩm tương đối và điểm sương khác nhau thế nào?
Độ ẩm tương đối là lượng hơi nước so với mức tối đa ở cùng nhiệt độ, nên thay đổi theo nhiệt độ trong ngày. Điểm sương là nhiệt độ mà hơi nước bắt đầu ngưng tụ, phản ánh trực tiếp hơn lượng hơi nước có trong không khí.
Áp suất khí quyển bình thường là bao nhiêu?
Áp suất mực biển trung bình theo khí quyển chuẩn là 1.013,25 hPa, thực tế dao động quanh con số này theo thời tiết. Lên cao áp suất giảm, gần mặt biển khoảng 1 hPa cho mỗi 8 m.
Làm sao kiểm tra ẩm kế ở nhà có đúng không?
Đặt ẩm kế trong hộp kín cùng một ít muối ăn trộn nước thành hồ sệt, để ở nhiệt độ phòng ổn định khoảng 8–12 giờ. Không khí trong hộp sẽ ở khoảng 75% độ ẩm, chênh bao nhiêu là ẩm kế lệch bấy nhiêu.
Vì sao lều khí tượng sơn màu trắng?
Lều sơn trắng và có vách chớp hoặc đĩa xếp để phản xạ nắng và cho gió lưu thông, tránh cho cảm biến bị nắng chiếu trực tiếp làm nóng. Như vậy nhiệt độ và độ ẩm đo được là của không khí, không phải của vỏ cảm biến.
