Chớp là một trong những hiện tượng thiên nhiên vô cùng tuyệt đẹp. Nhưng nó là một vẻ đẹp “chết người”. Với nhiệt độ cao hơn nhiệt độ bề mặt mặt trời, và xung điện phát ra theo mọi hướng, tia chớp trở thành một trong những đối tượng nghiên cứu thú vị của các nhà vật lý học.
Trước vẻ đẹp và sức mạnh to lớn như vậy, một câu hỏi được đặt ra: chớp được hình thành như thế nào? Hầu hết chúng ta đều biết, chớp xuất hiện từ những đám mây mang điện, nhưng cơ chế cụ thể, thì không phải ai cũng nắm rõ. Trong bài này, chúng ta hãy cùng nhau mổ xẻ, để xem chớp được sinh ra như thế nào nhé.
Quá trình này khá phức tạp, nhưng có thể tóm gọn lại như sau:
- Khởi đầu bằng chu trình nước. Nước sẽ bốc hơi khi nhận được nhiệt từ ánh sáng Mặt trời, bay lên cao, gặp lạnh, ngưng tụ lại thành hàng triệu giọt nước nhỏ, lúc đó ta sẽ nhìn thấy mây trên bầy trời.
- Quá trình bay hơi và ngưng tụ xảy ra liên tục, hơi nước và những giọt nước nhỏ ở các đám mây sẽ tương tác với nhau, cộng thêm hiện tượng đông lạnh, sẽ làm hình thành sự chênh lệch điện tích: điện tích dương ở phần trên đám mây, còn điện tích âm ở phần dưới.
- Sự hình thành hai khu vực điện tích trái dấu cũng đồng thời sinh ra điện trường. Sự chênh lệch điện tích càng lớn, điện trường càng mạnh.
- Điện trường mạnh, đến một mức nào đó, sẽ làm không khí xung quanh bị ion hoá, cho phép dòng điện có thể truyền qua khu vực không khí bị ion hoá này (chính là môi trường plasma) một cách dễ dàng. Con đường dẫn truyền này, còn được gọi là step leader.
- Đồng thời trong lúc đó, bề mặt Trái đất sẽ chịu ảnh hưởng của điện trường âm phía dưới các đám mây, và các vật thể trên Trái đất (bao gồm cả con người) sẽ mất electron và tích điện dương mạnh.
- Khi các step leader đi đến bề mặt Trái đất, nó sẽ hình thành một con đường hoàn chỉnh dẫn từ các đám mây đến mặt đất. Và ngay khoảnh khắc đó, một tia sét giáng xuống.
- Không khí xung quanh tia sét sẽ bị đốt nóng mạnh, giãn ra đột ngột và kéo theo đó là tiếng sấm nổ ngay sau đó – thunder.
Và sau đây là chi tiết các giai đoạn hình thành tia chớp.
Tất cả được bắt nguồn từ một hiện tượng quen thuộc: chu trình nước. Để hiểu rõ hơn, hãy cùng nhau nói lại một chút về sự bay hơi và sự ngưng tụ.
Sự bay hơi - evaporation - là hiện tượng một chất lỏng hấp thụ nhiệt, và chuyển sang thể hơi. Có thể lấy ví dụ đơn giản, những vũng nước sau cơn mưa một thời gian sẽ biến mất, hay quần áo giặt xong phơi sẽ khô... tất cả đó là hiện tượng bay hơi nước. Do nước sẽ hấp thụ nhiệt từ ánh sáng Mặt trời, các phân tử nước sẽ chuyển động nhanh hơn, và đến một lúc nào đó, chúng sẽ tách ra khỏi dung dịch chất lỏng để bay vào không khí. Dần dần, tất cả lượng nước đó sẽ bay vào không khí thành hơi nước.
Sự ngưng tụ - condensation - là quá trình khí hoặc hơi mất nhiệt, và quay trở lại dạng chất lỏng. Chắc hẳn các bạn đều biết nhiệt được truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp. Khi hơi nước bay lên cao, nhiệt độ khí quyển ở trên cao thấp hơn rất nhiều so với bề mặt Trái đất. Vậy nên khi hơi nước bay lên, nhiệt độ lạnh hơn, chúng sẽ mất nhiệt, cô đặc, và trở lại dạng chất lỏng ban đầu.
Giờ chúng ta quay trở lại với chu trình nước. Nước và hơi ẩm trên bề mặt Trái đất hấp thụ nhiệt từ ánh sáng Mặt trời, các phân tử nước bắt đầu tách ra khỏi chất lỏng và chuyển thành thể hơi. Hơi nước bay lên cao, càng cao nhiệt độ càng thấp, hơi nước mất nhiệt và ngưng tụ lại thành các giọt nước. Trọng lực của Trái đất kéo chúng rơi xuống, và tạo thành mưa. Và rồi cứ thế, chu trình nước lặp đi lặp lại. Ngoài ra, khi nhiệt độ trên cao đủ lạnh, nó sẽ làm hơi nước ngưng tụ nhanh hơn, đông lại và tạo thành bông tuyết, khi đó, thay vì mưa, sẽ là tuyết rơi.
Chắc bạn đang tự hỏi, chu trình nước thì có liên quan gì ở đây? Thực ra nó có vai trò rất quan trọng trong việc hình thành chớp. Phần tiếp theo, sẽ nói về “bão điện”.
Bão điện – electrical storm
Trong một cơn bão điện, các đám mây được tích điện, giống như một cái tụ điện khổng lồ trên trời vậy. Phần bên trên của đám mây tích điện dương, và phần thấp tích điện âm. Vậy, tại sao lại hình thành được sự chânh lệch điện tích như vậy? Vấn đề này hiện còn rất nhiều tranh cãi, tuy nhiên, dưới đây là một giả thiết được chấp nhận.
Trong chu trình nước, hơi nước được ngưng tụ trong khí quyển, và hình ảnh chúng ta nhìn được của quá trình này, là những đám mây. Đám mây là tập hợp của rất nhiều giọt nước, và cả đá nữa. Khi quá trình bay hơi và ngưng tụ xảy ra liên tục, đã xuất hiện sự tương tác giữa hơi nước và những giọt nước hay bông tuyết trong đám mây, cả những giọt nước đang rơi xuống Trái đất nữa. Sự tương tác này, thường xảy ra ở tầng thấp phía bên dưới những đám mây. Điểm quan trọng ở đây là, sự va chạm này làm tách các electron trong hơi nước đang bay lên.
Và như vậy, quá trình tách electron xảy ra ở phần dưới những đám mây, nên vùng này mang điện tích âm. Ngược lại, hơi nước – mang điện tích dương do mất electron – tiếp tục bốc hơi, bay lên trên cao, qua cả những đám mây, nên vùng trên đám mây sẽ mang điện tích dương. Sự tương tác giữa các phần tử, cùng với hiện tượng đông lạnh, là sự giải thích hợp lý cho việc hình thành chênh lệch điện tích – điều kiện cần để hình thành sét đánh.
Khi có sự chênh lệch điện tích ở các đám mây, cùng lúc đó sẽ xuất hiện điện trường tương ứng: điện trường âm phía dưới và điện trường dương phía trên. Cường độ của điện trường liên quan trực tiếp tới lượng điện tích được sinh ra. Khi quá trình tương tác và đông lạnh liên tục xảy ra, điện trường càng ngày càng mạnh theo thời gian, và càng mạnh thì các electron trên bề mặt Trái đất sẽ càng đi sâu vào trong lòng Trái đất do chúng tương tác với điện trường âm của phần thấp các đám mây, và do đó, bề mặt Trái đất sẽ tích điện dương rất mạnh.
Vậy là đã có vùng điện tích âm, và vùng điện tích dương, giờ chỉ cần một con đường dẫn truyền cho vùng tích điện âm dưới đám mây tiếp xúc với vùng điện tích dương trên bề mặt Trái đất. Thực tế là, chỉ cần điện trường cực mạnh, là đã đủ để tạo nên đường dẫn truyền này.
Quá trình ion hoá không khí
Với điện trường cực mạnh xung quanh những đám mây (khoảng 10.000 volts/inch), không khí bắt đầu bị “break down”. Các nguyên tử trong không khí bắt đầu bị tách riêng thành ion dương và các electron – không khí đã bị ion hoá. Hãy nhớ rằng, quá trình ion hoá không làm tăng thêm sự chênh lệch điện tích do sinh ra electron và ion dương; mà nó chỉ làm các electron và hạt nhân nguyên tử cách xa nhau ra mà thôi, bản chất chúng vẫn nằm trong một nguyên tử.
Và khi đó, electron sẽ dễ dàng di chuyển hơn trước, do ràng buộc của điện tích dương tại hạt nhân bị giảm đi. Không khí bị ion hoá – hay còn gọi là môi trường plasma – dẫn điện tốt hơn rất nhiều, khả năng dẫn điện của nó tương tự như kim loại. Và, vô tình, không khí bị ion hoá trở thành vật dẫn điện để giúp trung hoà sự chênh lệch điện tích, làm môi trường cho hiện tượng phóng điện.
Sau quá trình ion hoá không khí, con đường dẫn truyền giữa các đám mây và mặt đất được hình thành. Tiếp sau đó, sẽ là step leader.
Step leaders
Sau khi hiện tượng ion hoá xảy ra, và môi trường plasma hình thành, con đường dẫn truyền không hình thành ngay lập tức, mà sẽ là từng tầng không khí bị ion hoá, chứ không phải cùng một lúc. Chúng được gọi chung là các step leaders.
Một vấn đề nữa, không khí bị ion hoá không đều, có vùng bị ion hoá mạnh hơn, có vùng yếu hơn. Bụi và các chất bẩn làm không khí bị ion hoá mạnh hơn. Ngoài ra, hình dáng của điện trường cũng đóng vai trò không nhỏ: nó phụ thuộc vào khu vực các hạt mang điện. Nếu điện trường song song với mặt đất, và nó đủ nhỏ để coi như độ cong của bề mặt Trái đất là không đáng kể, thì đây giống như hai bản tụ điện song song với nhau vậy.
Ok, vậy bây giờ, chúng ta đã có một đám mây mang điện, với các step leader trải dài từ đám mây xuống mặt đất. Những leader này, có ánh hơi đỏ tía rất mờ nhạt. Một khi được hình thành, các leader sẽ tồn tại đến khi có dòng điện phóng qua chứ không liên quan tới vị trí của leader đó. Các leader có hai khả năng: một là tiếp tục phát triển rộng hơn thành các tầng, tương ứng với mức độ mở rộng của vùng không khí bị ion hoá, hai là giữ nguyên ở trạng thái plasma cho đến khi có dòng điện đi qua.
Và khi leader cuối cùng chạm đến mặt đất, con đường dẫn truyền giữa đám mây và mặt đất được hình thành. Hãy nhớ, leader không phải là tia sét đánh xuống, nó chỉ là con đường giúp tia sét đi. Còn tia sét là một dòng điện cực lớn đánh từ mây xuống mặt đất.
Dải tích điện dương và sự giãn nở của không khí
Khi các step leader tiến gần đến mặt đất, mọi vật trên bề mặt Trái đất bắt đầu đáp ứng lại với điện trường cực mạnh: các vật bắt đầu tích điện dương và hình thành dải mang điện tích dương – positive streamer. Các streamer này cũng có ánh tía nhạt và xuất hiện rõ hơn ở cạnh sắc của các vật. Cơ thể người cũng có khả năng hình thành các streamer mang điện tích dương khi đứng trong điện trường mạnh, ví dụ như điện trường của các đám mây bão. Một khi được hình thành, các streamer này không trực tiếp nối tới khu vực mang điện âm trên các đám mây, mà chính các leader sẽ làm nhiệm vụ dẫn truyền, hình thành con đường đi.
Và cái gì phải đến cũng sẽ đến, step leader sẽ gặp các streamer. Một điều đặc biệt, streamer tiếp xúc với step leader không nhất thiết phải là streamer của vật gần đám mây nhất, ví dụ như cây cao hay cột điện... Sét thường đánh xuống đất, ngay cả khi xung quanh đó có các vật cao hơn nhiều.
Sau khi step leader và streamer tiếp xúc với nhau, con đường dẫn truyền nhờ sự ion hoá không khí được hình thành hoàn chỉnh từ đám mây xuống mặt đất. Một khi con đường hoàn chỉnh, sẽ có một dòng điện cực mạnh di chuyển qua nó để trung hoà sự chênh lệch điện tích giữa mặt đất và đám mây. Ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy – tia chớp – là một hiệu ứng của dòng điện đó.
Khi xuất hiện dòng điện, cùng lúc đó là nhiệt độ cực cao xung quanh khu vực dòng điện đi qua. Lượng nhiệt sinh ra cực lớn, với nhiệt độ còn cao hơn nhiệt độ ở bề mặt Mặt trời. Không khí xung quanh bị làm nóng, giãn nở đột ngột, và ta nghe thấy tiếng sấm – thunder.
Sấm là xung sóng toả ra từ đường đi của tia sét, do không khí bị nóng lên và giãn nở đột ngột. Sự giãn nở này, cũng là một hình thức của sóng âm thanh. Tiếng sấm không vô hại: nếu đủ gần, bạn có thể cảm thấy được sóng âm thanh tác động đến cơ thể của mình. Nó cũng giống như việc nổ một quả bom nguyên tử: phần lớn sức mạnh huỷ diệt của vụ nổ là do năng lượng của xung động truyền trong không khí. Thực tế, sóng xung động sinh ra do sét đánh có thể phá huỷ các toà nhà và gây hại cho cơ thể người. Bạn sẽ thấy rõ hơn nếu đứng gần nơi sét đánh, và năng lượng của xung sẽ giảm dần theo khoảng cách. Ngoài ra, như bạn đã biết, âm thanh di chuyển chậm hơn ánh sáng rất nhiều, do vậy bạn sẽ nghe thấy tiếng sấm sau khi nhìn thấy sét vài giây.
Multiple strike
Nếu để ý, bạn sẽ thấy, khi sét đánh, sẽ có rất nhiều nhánh nhỏ hơn toả ra từ tia sét chính. Và tia sét chính, sau khi đánh xuống, sẽ không mất đi ngay, mà sẽ mờ dần.
Khi tia chớp đầu tiên đánh xuống, dòng điện di chuyển để trung hoà sự chênh lệch điện tích. Để trung hoà được toàn bộ, cần thiết phải có cả dòng điện từ các step leader khác cũng phải phóng xuống mặt đất. Electron trong các step leader được tự do di chuyển, đi theo leader để đến nơi tia sét chính đánh xuống. Sau cú đánh đầu tiên, thường sẽ kéo theo các nhát đánh thứ phát. Những cú đánh sau này vẫn đi theo con đường của cú đánh chính, chứ các step leader xung quanh không đóng vai trò gì trong sự phóng điện này.
Trong tự nhiên, những gì chúng ta nhìn thấy chưa chắc đã giống như chúng ta nghĩ. Và những cú đánh thứ phát này cũng vậy. Thông thường, một cú đánh chính sẽ kéo theo khoảng 30 – 40 cú đánh phụ. Dựa vào thời gian trễ vô cùng ngắn giữa các lần sét đánh, chúng ta có thể quan sát được hình ảnh tia sét đầu tiên kéo dài hơn, và mờ dần. Thực ra, đó là do các phát sét đánh thứ phát xảy ra ngay sau khi phát đánh đầu tiên nổ ra, làm chúng ta nhầm tưởng rằng đó là do phát đánh đầu tiên kéo dài. Và tương tự, những phát đánh thứ phát làm chúng giống như phát đánh đầu tiên đang nhấp nháy vậy.
Và, đó là tất cả những cơ chế phức tạp để hình thành một tia sét đánh. Tuy phức tạp như vậy, nhưng tất cả chỉ diễn ra có trong một tích tắc, chưa đến một giây. Những máy ảnh có khả năng chụp ảnh trong thời gian ngắn, có thể bắt được hình ảnh của các streamer tích điện dương. Nếu bạn muốn tự mình chiêm ngưỡng hiện tượng này một cách an toàn, hãy làm một máy phát Van de Graaff, và chạy nó trong một phòng kín. Khi bạn tiến đến gần chiếc máy, ngón tay của bạn cũng sẽ phát ra màu tía nhạt, giống như các step leader hay các streamer tích điện dương.
Cột thu lôi
Cột thu lôi được chế tạo lần đầu tiên bởi Benjamin Franklin. Cấu tạo của một cột thu lôi khá đơn giản: một cái que bằng kim loại được gắn lên trên mái nhà, đường kính khoảng 2cm. Nó được nối với rất nhiều sợi dây làm bằng đồng hoặc nhôm, đường kính tương tự, được nối trực tiếp xuống dưới đất.
Mục đích sử dụng của cột thu lôi thường bị hiểu nhầm. Rất nhiều người nghĩ rằng, cột thu lôi là để “thu hút” sét đánh vào. Thực tế thì, sẽ chính xác hơn nếu nói, cột thu lôi tạo ra một đường dẫn có điện trở thấp đến mặt đất, để giúp dẫn dòng điện cực lớn từ các tia sét đánh xuống sẽ đi thẳng xuống đất một cách an toàn. Các vật liệu làm cột thu lôi và dây dẫn đòi hỏi dẫn điện thật tốt, nếu không, với năng lượng của tia sét, chúng sẽ bị nóng lên rất nhanh và bị hỏng ngay tức khắc.
Sét có thể “nảy xung quanh” khi nó đánh xuống. Việc nó nhảy vào đâu, thì phụ thuộc vào điện trở khu vực đó: điện trở càng nhỏ thì sét có xu hướng đánh vào đó. Khi sét đánh vào gần cột thu lôi, với điện trở rất thấp của cột thu lôi, sét sẽ có xu hướng đánh vào đó và không gây hại gì cho các vật xung quanh. Và như đã nói ở trên, cột thu lôi không “hút” sét, không làm sét đánh nhiều hơn, mà nó chỉ giúp “định hướng” cho tia sét. Dù có hệ thống cột thu lôi hay không, sét vẫn đánh như vậy thôi.
Sét đánh: mối hiểm họa
Hơn 1000 người bị sét đánh mỗi năm ở Mỹ, và hơn 100 người trong số đó bị tử vong. Vậy nên, đừng đùa với sét.
Nếu bạn đang đi ngoài đường mà đột nhiên giông bão nổi lên, sấm chớp ầm ầm, hãy tìm chỗ trú ẩn ngay đi. Đừng có cố đi tiếp - bạn sẽ trở thành một chiếc cột thu lôi di động đấy. Hãy đi vào nhà, hoặc ở yên trong ô tô của bạn. Ồ, tại sao ô tô lại có thể giúp bạn tránh sét đánh? Là vì, sét sẽ di chuyển trên bề mặt của ô tô xuống trực tiếp mặt đất; nó giống như chiếc lồng Faraday: chiếc lồng làm bằng kim loại sẽ bảo vệ các vật ở bên trong nó khỏi dòng điện bên ngoài, do dòng điện sẽ chạy trên bề mặt của lồng và dẫn xuống đất. Đừng bao giờ đứng dưới gốc cây trong thời tiết giông bão: cây cũng là một thứ hút sét giống như cột thu lôi vậy. Để hai chân thật sát nhau, cúi xuống hết cỡ và tiếp xúc với mặt đất ít nhất có thể.
Không bao giờ được nằm xuống đất – khi sét đánh xuống đất, dòng điện từ đó sẽ toả ra mọi hướng, và nếu nó đi qua người bạn thì sẽ rất nguy hiểm. Bạn có thể ngừng tim ngay tức khắc. Vậy nên, nếu vẫn muốn đi ra ngoài vào lúc trời mưa bão, hãy đi càng thấp càng tốt, và tiếp xúc với mặt đất càng ít càng tốt.
Nếu bạn ở trong nhà và muốn gọi cho ai đó, hãy dùng điện thoại di động, hoặc bất kì loại điện thoại không dây nào. Nếu sét đánh trúng đường dây điện thoại, dòng điện sẽ đi theo đường dây và gây nguy hiểm cho người sử dụng điện thoại có dây.
Và cuối cùng, hãy cẩn thận với đường ống dẫn nước nhà bạn, nhất là khi nhà bạn sử dụng đường ống bằng kim loại. Ống nhựa PVC (polyvinyl chloride) thường dùng hiện nay sẽ làm giảm khả năng dẫn điện của sét. Nhưng nếu không chắc nhà bạn dùng loại ống nào, hãy kiên nhẫn đợi khi cơn bão đi qua.