Những luồng thiên quang kỳ lạ trên Trái Đất

Lửa thánh, chớp xanh hay sét hòn, là những luồng ánh sáng kỳ lạ mà các nhà khoa học vẫn đang tìm cách giải thích.

Những luồng ánh sáng lạ chưa có lời giải

Trong những chuyến lênh đênh trên biển, các thủy thủ thỉnh thoảng nhìn thấy một bóng sáng xanh nhảy nhót trên đỉnh cột buồm giữa đêm đen. Đốm sáng kỳ lạ này không hề sinh nhiệt hay đốt cháy vật gì trên thuyền. Chúng thường được các thủy thủ xem như điềm lành và gọi là Ngọn lửa Thánh Elmo, theo tên vị thánh bảo hộ của những người đi biển.

Tranh mô tả Ngọn lửa Thánh Elmo trên đỉnh cột buồm một chiếc thuyền của Christopher Columbus năm 1492. (Ảnh: SPL).

Nhà khoa học khí quyển Steve Ackerman, từ đại học Wisconsin-Madison, Mỹ, bị Ngọn lửa Thánh Elmo thu hút từ khi anh trai ông tận mắt nhìn thấy hiện tượng độc đáo này. Anh trai Ackerman khi đó đang sửa ống nước đồng dưới tầng hầm trong một ngày thời tiết xấu.

"Một cơn giông kéo đến và tại một thời điểm, bên trên nhiều ống đồng xuất hiện đốm sáng xanh", Ackerman kể lại. "Đó là khi tôi bắt đầu hành trình tìm hiểu nguyên nhân của hiện tượng này".

Các đám mây giông sinh điện trường mạnh do sự chênh lệch điện tích giữa mây với mặt đất. Những vật thể nhọn như cột buồm hay ống kim loại có thể làm tăng cường độ điện trường. Khi điện trường đủ mạnh đến một mức nào đó, chúng sẽ làm các phân tử trong không khí bị ion hóa thành những hạt mang điện tích, gây hiện tượng plasma phát sáng.

Ánh sáng plasma tương tự có thể được tạo ra trong phòng thí nghiệm, sử dụng các vật thể đầu nhọn hoặc sắc nhằm tăng cường độ điện trường. Dù vậy, Ackerman vẫn muốn nhìn thấy Ngọn lửa thánh Elmo hình thành trong tự nhiên. "Tôi vẫn chưa được chiêm ngưỡng trực tiếp hiện tượng này, tôi đang cố tìm cơ hội", ông nói.

Bóng sáng trên đầm lầy Will-o’-the-wisp. Bức họa mô tả đốm sáng là là trên đầm lầy vào thế kỷ 19. (Ảnh: SPL).

Cũng giống như Ngọn lửa Thánh Elmo, Will-o’-the-wisp là một đốm sáng mờ ảo được nhiều người thuật lại trong hàng thế kỷ. Tuy nhiên, điểm khác biệt giữa hai hiện tượng là các báo cáo về bóng sáng đầm lầy ngày một hiếm dần. Will-o’-the-wisp cũng chưa bao giờ được tạo ra trong phòng thí nghiệm.

Các nhân chứng thường mô tả Will-o’-the-wisp là bóng sáng có khi lập lòe hoặc ổn định, thường nằm là là mặt đất, chủ yếu xuất hiện ở vùng đầm lầy miền quê. Bóng sáng này được cho là sẽ biến mất sau khoảng hai phút.

Luigi Garlaschelli, từ đại học Pavia, Italia, người nổi tiếng với công trình tái tạo tấm vải liệm thành Turin bằng cách vận dụng một số mẹo trong phòng thí nghiệm, mong muốn nghiên cứu hiện tượng đốm sáng bí ẩn trên đầm lầy. Tuy nhiên, không rõ liệu đối tượng nghiên cứu lần này của ông có tồn tại hay không.

"Có nguy cơ chúng ta đang tìm kiếm một thứ thậm chí không hề tồn tại", Garlaschelli hoài nghi. "Chúng ta phải tin tưởng hoặc hy vọng rằng những báo cáo về Will-o’-the wisp là có thật".

Trong trường hợp Will-o’-the-wisp thật sự là kết quả của một hiện tượng tự nhiên, Garlaschelli có thể kiểm tra vài giả thiết. Chẳng hạn, mối liên hệ giữa đốm sáng với vùng đầm lầy gợi ý rằng ánh sáng có thể sinh ra từ khí đầm lầy, chủ yếu là methane, bị đốt cháy. Dù vậy, tác nhân khiến methane bùng cháy vẫn chưa rõ ràng.

Cũng có thể, các báo cáo về ánh sáng ma mị vùng đầm lầy chỉ là kết quả của trí tưởng tượng hay ảo giác. Hoặc, khối sáng này đơn thuần là ánh phản chiếu bóng Mặt Trăng hoặc những nguồn sáng khác bị những người chứng kiến diễn giải sai lầm.

Ánh sáng động đất. Quầng sáng động đất ghi lại tại núi Kimyo, Nhật Bản. (Ảnh: Đại học California).

"Bạn có thể đứng ngay đó, chính giữa những quầng ánh sáng này", Friedemann Freund, từ Viện SETI của NASA, đặt tại Moutain View, California, Mỹ cho hay. "Đầu tóc có thể bị nhiễm điện, và vầng hào quang xuất hiện trên đầu như một vị thánh vậy. Tuy nhiên, luồng sáng này không đốt cháy thứ gì. Cõ lẽ bạn cảm thấy hơi khác thường một chút nhưng không hề bị thương".

Nhà khoa học Freund đang miêu tả cảm giác khi đứng giữa luồng sáng kỳ lạ mà giới khoa học gọi là ánh sáng động đất (earthquake light). Ánh sáng này là kết quả của hiện tượng phóng điện plasma, xảy ra khi một loại đá nhất định chịu sức ép lớn, do đứt gãy của hoạt động địa chấn, từ đó hình thành điện tích.

"Chúng tôi nghĩ rằng khi nén các hòn đá với một tốc độ rất nhanh, điện tích được giải phóng vào không khí thông qua dòng điện plasma", Freund nói.

Ánh sáng động đất xuất hiện dưới nhiều kích thước, hình thù và màu sắc. Những quầng sáng địa chấn, hiện tượng xảy ra trong động đất, là những luồng ánh sáng bừng lên từ mặt đất, có thể trải dài vài km. Từng quầng sáng có thể nối tiếp nhau vươn lên độ cao 200-300m trên bầu trời trong một phần giây.

Trong những năm gần đây, việc lắp đặt các camera an ninh đã giúp ghi lại nhiều đoạn phim tuyệt đẹp về ánh sáng động đất.

"Một trong những thước phim đẹp nhất được quay ở Peru", Freund nói. "Một người bạn tại trường đại học trong vùng có được đoạn phim khi trận động đất mạnh 8 độ richter tấn công Lima. Các đợt sóng xung kích kéo tới, và khi đợt sóng sau đến, bầu trời như có một vụ nổ ánh sáng".

Sét hòn (ball lighting). (Ảnh: Thư viện hình ảnh Mary Evans).

Dù không được thừa nhận và bị coi là chuyện hoang đường trong thời gian dài, sét hòn là một hiện tượng có thật.
Năm 2012, một nhóm nhà khoa học thực hiện nghiên cứu những tia sét thông thường tại khu vực thường xuyên hứng chịu các cơn bão ở cao nguyên Thanh Hải, Trung Quốc. Đột nhiên, một sét hòn đường kính 5m xuất hiện ngay trước mặt họ. Quả cầu ánh sáng có màu trắng sáng lóa, sau đó chuyển sang đỏ, tồn tại khoảng vài giây rồi biến mất.

Đây là sét hòn tự nhiên đầu tiên được nghiên cứu. Các nhà khoa học đã ghi lại quang phổ của sét hòn và phân tích xem liệu có thể xác định nguyên nhân hình thành của loại sét đầy bí ẩn này.

Kết quả cho thấy hiện tượng sét hòn có nguồn gốc từ chính mặt đất. Khi một tia sét thông thường đánh thẳng từ đám mây giông xuống đất, một số khoáng chất trong đất bị bay hơi. Vài khoáng chất có chứa hợp chất silicon, dưới những điều kiện cực đoan, phản ứng hóa học xảy ra làm hình thành các sợi silicon có tính phản ứng mạnh, cháy trong oxy tạo thành đốm sáng màu cam mà các nhà nghiên cứu quan sát được.

Mặt Trời xanh hay Chớp xanh (Green Flash) xuất hiện khi Mặt Trời lặn. (Ảnh: Stephen & Dona O’meara/SPL).

Trong những giây cuối trước khi Mặt Trời lặn hẳn, các tia sáng Mặt Trời chuyển sang màu xanh lục rực rỡ. Tuy nhiên, Mặt Trời không hề đổi màu, chớp xanh hình thành chính là do ảo ảnh.

Ánh sáng trắng của Mặt Trời đi qua bầu khí quyển bị tán sắc thành những màu khác nhau, tương tự như khi chiếu ánh sáng qua lăng kính. Bầu khí quyển Trái Đất đóng vai trò như lăng kính bẻ cong ánh sáng đỏ nhiều hơn cam, cam nhiều hơn vàng và tương tự. Do chịu tác động bẻ cong lớn nhất, ánh sáng đỏ dường như mất hút dưới đường chân trời trước tiên, theo sau là màu cam, vàng và xanh lục.

Phổ màu sau xanh lục như xanh lam, chàm và tím bị tán xạ mạnh nhất vào khí quyển, đây là lý do bầu trời dường như có màu xanh. Kết quả, màu sắc cuối cùng chúng ta nhìn thấy khi Mặt Trời lặn xuống đường chân trời là xanh lục.

Thông thường, hiện tượng này xảy ra khá yếu ớt. Để quầng sáng xanh quanh mặt trời có thể nhìn thấy được, cần phải có ảo ảnh làm mặt trời to hơn bình thường. Các ảo ảnh như vậy có thể khiến Mặt Trời trông như đang di chuyển trên những con sóng và giống như khối lỏng khi lặn xuống phía chân trời.

Vị trí tuyệt vời nhất cho hiện tượng Mặt Trời xanh là các đường chân trời trên đại dương.

Sét ngược. (Ảnh: Tom A. Warner).

Đặt camera trên đỉnh tòa nhà Empire State ở New York, Mỹ năm 1935, Karrl McEachron, nhân viên công ty General Electric ghi lại hiện tượng lạ thường. Tia sét không xuất phát từ đám mây đánh xuống đất mà ngược lại, nó bắt nguồn từ tòa nhà và bắn thẳng lên các đám mây bão.

Các nhà khí tượng học hiện nay xác định, trong khoảng 1.000 tia sét sẽ có một tia sét ngược. Tuy nhiên, hàng thập kỷ nghiên cứu hiện tượng lạ thường này vẫn chưa đưa ra một lời giải thích thỏa đáng.

Nhiếp ảnh gia chuyên chụp ảnh các cơn bão Tom Warner đang nghiên cứu cơ chế hình thành tia sét ngược, tại trường Mỏ và công nghệ Nam Dakota, thành phố Rapid, Mỹ.

Nghiên cứu của ông cùng nhiều nghiên cứu khác cho thấy có hai dạng sét ngược riêng biệt. Yếu tố cần thiết cho cả hai là một công trình cao như tòa nhà chọc trời hoặc tua bin gió.

Loại sét ngược đầu tiên đòi hỏi một tia sét bình thường phóng từ mây xuống đất trước tiên. Điện trường đột ngột bị phá vỡ sẽ tạo ra lighting leader, hay đường dẫn truyền sét, một dòng điện tích âm hoặc dương, hướng ngược lên đám mây giông mang điện tích trái dấu. Loại thứ hai không cần tia sét bình thường hướng xuống xảy ra trước và có thể phóng lên hoàn toàn tự động.

Warner bắt đầu nghiên cứu và chụp lại hình ảnh về hiện tượng hiếm gặp này từ khi bị cuốn hút bởi sét ngược hồi năm 2004. Để có được dữ liệu và các bức ảnh quý giá phục vụ nghiên cứu, Warner đã tự lái máy bay bọc sắt lao vào tâm bão.

"Trải nghiệm những cơn bão ở cự ly gần và thậm chí ngay bên trong mang lại cảm giác thật sự tuyệt vời. Nhiệm vụ này đầy thử thách và đòi hỏi sự tập trung cao độ. Mỗi lần bay qua một đám mây giông, tôi có thể khẳng định chắc chắn rằng đây không phải là nơi dành cho máy bay", Warner chia sẻ.

Sét dị hình Sprite. Ảnh màu đầu tiên về sắt dị hình Sprite ghi lại vào ngày 4/7/1994. (Ảnh: NASA/Đại học Alaska/SPL).

Bên trên đám mây giông bão, mọi người có thể phát hiện một quần sáng đỏ trải rộng từ 10 đến hàng trăm km, với hình dạng giống một con sứa lửa có các tua đỏ dài thả xuống dưới thân tròn. Những cơn giông có cường độ rất mạnh có khả năng sinh ra hiện tượng này, thường được gọi với tên sét dị hình Sprite.

"Chúng có cường độ rất mạnh", Martin Fullekru, đại học Bath, Anh cho hay. "Cơn giông cần tạo ra một dạng chớp đặc biệt, mà dạng này thì rất hiếm xảy ra. Có lẽ trong 1.000 tia chớp mới tạo được một sét dị hình Sprite".

Những tia chớp này cần phải giải phóng nhiều electron khỏi đám mây giông. Một dòng điện tích dài và chậm là cần thiết để hình thành sét dị hình, dòng điện tích như vậy có thể được sinh ra trong những hoàn lưu bão phủ rộng 100 km.

Sét dị hình được đặt tên là Sprite theo tên một nhân vật trong vở Giấc mộng đêm hè của Shakespeare xuất phát từ tính hiếm có của nó. Song hiện nay, các hình ảnh về sét dị hình được ghi lại thường xuyên hơn. Máy quay bình thường với tầm nhìn ban đêm tốt có thể ghi lại sét dị hình, dù cho chất lượng hình ảnh thấp. Những người quan sát sao băng nghiệp dư cũng thu thập được nhiều tài liệu bổ sung về hiện tượng này.

"Bạn có thể thu được hình ảnh về sét dị hình bằng một máy quay giá hơn 300 USD", Fullekrug nói. "Cộng thêm một vài hướng dẫn, ai cũng có thể làm được điều này".

Sét dị hình ELVES. Sét đặc biệt này trông giống như bánh rán và chỉ kéo dài khoảng một mili giây. (Ảnh: Oscar van der Velde).

ELVES là từ viết tắt của "Sự phát sáng và nhiễu loạn tần số rất thấp từ các nguồn xung điện". Xuất hiện ở độ cao 80-100km so với mặt đất, sét dị hình ELVES rất khác biệt so với sét dị hình Sprite.

"Chúng tỏa ra những vòng tròn sáng, giống những chiếc bánh rán giữa không gian, với một lỗ tối ngay ở giữa. Sét dị hình ELVES có thể trải rộng khoảng 1.000km", Fullekrug mô tả.

ELVES diễn ra chớp nhoáng, chỉ kéo dài chưa tới một phần nghìn giây. Điều kiện bão cần thiết để tạo ra sét dị hình ELVES bao gồm một loại sét nhất định với dòng điện tăng lên đột ngột. Khác với sét dị hình Sprite, ELVES đòi hỏi sự phóng điện thình lình, do đó hai loại sét đặc biệt này rất hiếm khi xảy ra cùng lúc.

ELVES có tần suất xuất hiện nhiều hơn Sprites, với tỷ lệ 1/100. Những cơn bão nhỏ cũng có khả năng tạo ra nó như bão mạnh, bởi một dòng điện tích nhanh có thể xuất hiện trong bất kỳ cơn bão nào. Sét ELVES chủ yếu có màu trắng vì cường độ của chúng rất mạnh.

"Chúng rất, rất nhanh. Rất khó để thấy được ELVES chỉ với mắt thường. Bản thân tôi cũng chưa thấy lần nào dù quan sát khá nhiều", Fullekrug cho biết.

Sét xanh (Blue Jet). (Ảnh minh họa: Victor Habbick Visions/SPL).

"Sét xanh vẫn còn là một bí ẩn", Fullekrug nhận định. Nguyên nhân đầu tiên là do chúng có màu xanh trong khi các hiện tượng thuộc khí quyển có màu xanh rất khó nghiên cứu, bởi bầu khí quyển thường tán xạ mạnh ánh sáng xanh. Tiếp đến, sét xanh thường rất hiếm khi xảy ra.

Nhà khoa học này cho hay, các cơn bão thường có dòng vận động thẳng đứng khá mạnh giúp đẩy những đám mây giông lên cao. "Đây là điều kiện để sinh ra sét xanh, song chúng ta không thể chắc chắn điều này", Fullekrug kết luận.

Sét khổng lồ. Hình ảnh sét khổng lồ ghi lại bên trên một cơn bão ở Bắc Carolina, Mỹ, năm 2009. (Ảnh: Steven Cummer)

Bên cạnh sét xanh, các nhà nghiên cứu còn biết tới một hiện tượng khác có tên gọi là sét khổng lồ, dường như là một sự kết hợp giữa sét xanh và sét dị hình Sprite. Chúng rộng hơn, có hình nêm và dễ nhìn thấy. Sét khổng lồ có thể kéo dài 10-100 mili giây, khá lâu so với các hiện tượng khác xảy ra trong bão.

"Điển hình của hiện tượng ngoạn mục này là sét khổng lồ hình thành ngoài bờ biển châu Phi", Fullekrug cho hay. "Song sét khổng lồ rất hiếm gặp. Có thể trong 10 hoặc thậm chí 100 tia sét dị hình, mới có một tia kết hợp với sét xanh để tạo thành sét khổng lồ".

Cực quang rực rỡ với các dải sáng tím và xanh lục trên bầu trời Vatnajökull, Iceland. (Ảnh: Tiến sĩ Juerg Alean/SPL)

Những dải sáng nhiều hình thù với màu xanh lục, xanh da trời, đỏ của cực quang, tạo thành những vòng xoáy rực rỡ sắc màu ở hai cực Trái Đất. Cực quang xuất hiện khi các hạt năng lượng từ gió Mặt Trời quét qua Trái Đất và tương tác với từ trường Trái Đất.

Các hạt mang năng lượng Mặt Trời trượt dọc theo đường từ trường đến hai cực. Khi vào đến tới tầng khí quyển cao, các hạt Mặt Trời tương tác tầng khí quyển và cung cấp đủ năng lượng cho các phân tử khí giải phóng electron, giúp chúng phát sáng với một loạt màu sắc.

"Cực quang có thể có nhiều hình dáng và cấu trúc, phụ thuộc vào quyển từ", Charles Swenson, đại học bang Utah, Logan, Mỹ cho biết. "Chúng có thể là hình vòng cung, sóng hướng về phía tây hay bất cứ tên gọi nào khác cho những hình dáng quan sát được". Trái Đất không phải là hành tinh duy nhất có cực quang.

"Điều kiện cần thiết để hình thành cực quang là gió mặt trời thổi qua một hành tinh có phân tử khí và từ trường", Swenson giải thích. Sao Mộc và sao Thổ cũng có cực quang rất độc đáo, vì phân tử khí trong bầu khí quyển của hai hành tinh này khác nhau.

Cực quang cũng bao gồm thành phần không nhìn thấy được, đây đang là đề tài khoa học mà Swenson thực hiện. Những hạt mang năng lượng từ gió Mặt Trời gây ra dòng điện trong cực quang, vốn rất khó để nghiên cứu trên mặt đất. Đầu năm 2015, Swenson phóng một tên lửa vào trong tự quang để đo đạc những thành phần vô hình của nó.