Sa mạc trở nên khô cằn do nhiều yếu tố khác nhau như vị trí, mô hình tuần hoàn không khí, tương tác giữa gió và địa hình.
Các sa mạc có nhiều dạng, bao gồm đụn cát, hẻm núi đá, thảo nguyên cây bụi và cánh đồng băng vùng cực. Nhưng chúng có một điểm chung là ít mưa. Bất kỳ nơi nào có lượng mưa dưới 25cm/năm đều được xem như sa mạc, theo Lynn Fenstermaker, nhà sinh thái học ở Viện nghiên cứu sa mạc tại Reno, Nevada. Tất nhiên, mưa ít có nghĩa sa mạc rất khô cằn. Nhưng tại sao sa mạc lại khô cằn?
Sa mạc Atacama ở Chile là một trong những nơi khô nhất thế giới. (Ảnh: National Geographic).
Fenstermaker cho biết mô hình tuần hoàn không khí toàn cầu là một lý do lớn. Năng lượng Mặt trời truyền tới Trái đất trực tiếp nhất ở xích đạo, làm nóng không khí và bay hơi hơi ẩm. Không khí khô ấm bốc lên và di chuyển tới vùng cực. Nó có xu hướng chìm xuống lần nữa ở vĩ tuyến khoảng 30 độ. Mô hình tuần hoàn này gọi là hoàn lưu Hadley, thúc đẩy gió mậu dịch. Đó là lý do tại sao nhiều sa mạc lớn nhất thế giới như Sahara và Gobi ở Bắc bán cầu, Kalahari ở Nam bán cầu, đều nằm ở vĩ tuyến giữa.
Nhưng quá trình phức tạp hơn thế. Mô hình gió tương tác tới địa hình, ảnh hưởng tới vị trí sa mạc. Ví dụ, không khí từ đại dương tràn qua và bị dãy núi chặn lại sẽ giải phóng hơi ẩm dưới dạng mưa hoặc tuyết ở một sườn núi. Nhưng khi vượt qua dãy núi và chìm xuống ở sườn bên kia, không khí rất khô. Ví dụ, ở California, sa mạc Mojave nằm bên dãy Sierra Nevada.
Đôi khi, các khu vực nội địa khô hơn do ở quá xa vùng nước lớn, đến mức không khí thổi qua mất tất cả hơi ẩm dọc đường đi, theo Andreas Prein, nhà khoa học ở Trung tâm nghiên cứu khí quyển quốc gia tại Boulder, Colorado. Đây là trường hợp của sa mạc Gobi ở Trung Á, bị chắn bởi dãy Himalaya. Ngược lại, vùng ven biển không phải luôn ẩm ướt. Dòng hải lưu lạnh tiếp xúc với không khí di chuyển vào bờ có thể tạo ra sương mù. Khi sương mù đó tràn qua đất liền, hơi ẩm lưu lại trong không khí thay vì rơi xuống dưới dạng mưa. Điều này có thể tạo ra sa mạc giáp đại dương như Atacama ở Chile, một trong những nơi khô nhất trên Trái đất.
Không phải mọi sa mạc đều nóng. Nhiều nơi ở Bắc Cực và Nam Cực cũng được xem như sa mạc. Không khí lạnh không thể chứa hơi ẩm như không khí nóng, theo Prein. Vì vậy, nhiệt độ lạnh giá ở vùng cực kéo theo lượng mưa rất ít, dù có nhiều nước lưu trữ trong lòng đất dưới dạng băng.
Khi mô hình khí hậu toàn cầu thay đổi, sa mạc cũng thay đổi theo. Chẳng hạn, cách đây hàng nghìn năm, đồng cỏ và rừng nhiệt đới bao phủ Sahara. Ngày nay, biến đổi khí hậu cũng đang thay đổi ranh giới của sa mạc trên khắp hành tinh. Prein cho biết hoàn lưu Hadley sẽ dịch chuyển về phía bắc và nam, mở rộng khu vực hình thành sa mạc.
Nhiệt độ ấm hơn cũng thúc đẩy thay đổi thông qua gia tăng lượng nước bốc hơi, khiến không khí khô hơn.
Tác động của con người cũng góp phần mở rộng sa mạc. Chặt phá rừng để trồng trọt làm mất thảm thực vật bản xứ. Một số nghiên cứu cho thấy chặt phá rừng ở vùng nhiệt đới làm giảm lượng mưa. Nếu nhiều nước bay hơi hơn thay vì được giữ lại trong đất bởi thực vật, cảnh quan sẽ ngày càng trở nên khô cằn.