Năm 1880, nhà khoa học người Pháp Léon Teisserenc de Bort (1855–1913) bắt đầu sự nghiệp nghiên cứu khoa học của mình tại Trung tâm Hành chính Khí tượng Quốc gia ở Paris, Pháp. Ông đã đến châu Phi vào các năm 1883, 1885 và 1887 để nghiên cứu địa chất và từ trường Trái đất. Trong thời gian này, ông đã xuất bản một số biểu đồ quan trọng về sự phân bố áp suất ở độ cao 4.000m.
Năm 1896, Bort từ chức và thành lập một đài quan sát khí tượng tư nhân tại khu điền trang ở Trappes, gần thủ đô Paris. Ông là người tiên phong trong việc nghiên cứu khí quyển ở độ cao lên tới 14km. Ông sử dụng các khinh khí cầu tự thiết kế, chứa đầy khí hydro để vận chuyển những thiết bị đo đạc nhiệt độ, áp suất và tốc độ gió lên bầu trời. Những thiết bị này sẽ rơi ngược trở lại Trái đất bằng dù sau khi hoàn thành nhiệm vụ.
Năm 1899, Bort bắt đầu thực hiện một loạt thí nghiệm mới. Ông đã thu hút sự chú ý của công chúng khi một trong những chiếc diều lớn của ông dùng để nghiên cứu khí tượng bị đứt dây, kéo theo 7km dây thép, làm gián đoạn đường dây điện báo giữa Paris và Rennes vào ngày mà toàn thế giới chờ đợi phán quyết trong vụ án Dreyfus – một vụ bê bối đã làm chấn động nước Pháp, khi đại úy pháo binh Alfred Dreyfus bị kết án oan tội giao nộp bí mật quân sự của Pháp cho Đức.
Sau sự cố đó, Bort tạm dừng các thí nghiệm với diều và quay trở lại nghiên cứu tầng khí quyển trên cao bằng khinh khí cầu. Tuy nhiên, các bản ghi nhiệt độ từ các chuyến bay khinh khí cầu mới khá kỳ lạ. Nhiệt độ giảm dần theo độ cao, khoảng 6°C trên một km như lý thuyết đã dự đoán. Nhưng ở độ cao khoảng 11km, nhiệt độ bất ngờ duy trì ở mức ổn định, dao động trong khoảng từ -52°C đến -54°C, và giữ nguyên trong nhiều km tiếp theo. Ban đầu, Bort nghĩ rằng nguyên nhân là do lỗi thiết bị. Có lẽ vỏ bọc của thiết bị đã bị Mặt trời làm nóng, rồi bức xạ lại đến nhiệt kế.
Để khắc phục vấn đề này, Bort đã bọc kín lớp vỏ của thiết bị bằng một loại vật liệu cách nhiệt. Tuy nhiên, kết quả vẫn không thay đổi. Ông di chuyển nhiệt kế (một dải cong gồm hai kim loại không giống nhau, giãn nở và co lại ở các tốc độ khác nhau) ra bên ngoài lớp vỏ, nhưng nhiệt độ vẫn giữ nguyên, thậm chí đôi lúc còn tăng nhẹ khi độ cao tăng lên. Ông bắt đầu thả khinh khí cầu vào ban đêm để loại bỏ bức xạ Mặt trời nhưng vẫn thấy kết quả tương tự. Ông quyết định thử nghiệm các chuyến bay trong suốt cả năm để xem có phải do ảnh hưởng của các mùa hay không. Dù vậy, hiện tượng trên vẫn tiếp tục xảy ra.
Bort đã nghiên cứu vấn đề trên trong suốt hai năm. Đến năm 1902, sau khi thực hiện 236 lần thả khinh khí cầu để củng cố lập luận của mình, ông tuyên bố sự tồn tại của một “vùng đẳng nhiệt” có độ dày thay đổi. Tại đó, nhiệt độ không còn giảm dần theo độ cao mà bắt đầu duy trì ở mức ổn định tại độ cao khoảng 11 km, và giữ nguyên trong nhiều km tiếp theo. Lớp khí quyển đẳng nhiệt này nằm ở vị trí cao hơn tại các trung tâm áp suất cao gọi là xoáy nghịch (anticyclones), và thấp hơn ở các xoáy thuận (cyclones) áp suất thấp.
Vì vậy, Bort cho rằng lý thuyết về sự tuần hoàn của khí quyển cần phải được xem xét lại. Sự tồn tại của lớp đẳng nhiệt cho thấy toàn bộ bầu khí quyển không hoàn toàn ở trạng thái cân bằng đối lưu, mà chỉ có phần bên dưới lớp đẳng nhiệt này duy trì ở trạng thái đó. Khi khối không khí nóng ở gần mặt đất nhẹ hơn và bắt đầu bốc lên cao, không khí lạnh hơn (nặng hơn) từ trên cao sẽ di chuyển xuống thay thế. Quá trình trên tạo ra các luồng không khí lưu thông lên xuống, gọi là đối lưu.
Bort đề xuất thuật ngữ dùng để gọi tầng khí quyển ở gần mặt đất là tầng đối lưu (troposphere) với ý nghĩa là “lớp khí quyển thay đổi liên tục”. Tầng đối lưu là nơi xảy ra hầu hết các hiện tượng thời tiết. Phía trên tầng đối lưu gọi là tầng bình lưu (stratosphere), nơi các luồng gió di chuyển một cách ổn định bao quanh Trái đất.
Tại Đức, nhà khí tượng học Richard Assmann – người được chính phủ tài trợ với nhiều trang thiết bị tiên tiến hơn – đã đọc công trình nghiên cứu của Bort trêntạp chí Comptes Rendus và nhận thấy ông cũng từng ghi nhận hiện tượng tương tự, nhưng lại cho rằng đó là lỗi của thiết bị. Sau khi xem lại các bản ghi từ những chuyến bay khinh khí cầu của mình, Assmann đã xác nhận các kết quả thí nghiệm của Bort là hoàn toàn chuẩn xác.
Ngày nay, với sự trợ giúp của các thiết bị đo đạc ở độ cao lớn hơn, chúng ta biết rằng tầng bình lưu kết thúc ở độ cao khoảng 50km. Phía trên tầng bình lưu còn có tầng trung lưu, tầng nhiệt và tầng ngoại quyển. Một trong những đặc điểm quan trọng nhất của tầng bình lưu là sự hiện diện của lớp ozone, giúp bảo vệ các sinh vật sống trên Trái đất tránh khỏi tác hại của tia UV có trong ánh sáng Mặt trời.
Khám phá của Bort nhanh chóng được biết đến một cách rộng rãi, và tác động của nó không chỉ giới hạn trong lĩnh vực khí tượng. Từ năm 1902 đến năm 1904, nhà hải dương học người Thụy Điển Vagn Ekman đã tìm kiếm và phát hiện ra các lớp đẳng nhiệt tương tự trong đại dương. Năm 1909, Andrija Mohorovičić, một nhà khí tượng học người Croatia, đã sử dụng sóng địa chấn để xác định sự tồn tại của một vùng gián đoạn tương tự trong lòng Trái đất, sau này được gọi là “vùng gián đoạn Moho” hoặc “vùng gián đoạn Mohorovičić”.
Việc phát hiện ra rằng hệ thống Trái đất – đại dương – khí quyển được cấu thành từ các lớp đồng tâm có mật độ khác nhau, từ lõi Trái đất đến đỉnh khí quyển, là nhận thức cơ bản của ngành địa vật lý hiện đại. Khám phá này đã ảnh hưởng sâu sắc đến cách nghĩ của một nhà khí tượng học trẻ tuổi tên là Alfred Wegener, người đã đề xuất lý thuyết trôi dạt lục địa vào năm 1912.
Wegener cho rằng các lục địa là phần còn sót lại của một lớp vỏ Trái đất liên tục, nằm phía trên đáy đại dương. Cũng giống như các khối không khí và nước trong đại dương dịch chuyển và trượt trên các bề mặt không liên tục dưới tác động xoay tròn của Trái đất, các lục địa cũng di chuyển theo cách thức tương tự nhưng trong khoảng thời gian dài hơn nhiều. Điều này khiến Bort không chỉ là người phát hiện ra tầng bình lưu mà còn là người đặt nền móng vững chắc cho thuyết trôi dạt lục địa.
Theo: Nature