Tai sao trong mỗi trận mưa hay có sấm sét?

Vào mùa hè nhiệt độ chênh lệch giữa bề mặt và tầng cao của khí quyển tương đối lớn, các frong nóng, lạnh tương tác mãnh liệt. Không khí và hơi nước bốc hơi nhanh, độ ẩm lớn, gió thổi mạnh, dẫn tới các phân tử khí và hơi nước cọ sát nhau mãnh liệt từ đó hình thành các đám mây có lượng điện tích rất lớn. Vì vậy mà vào mùa hè trong những cơn giông hay hình thành các tia sét. Còn vào mùa đông không khí hanh khô, ít hơi nước, nên không khí khó bị ion hóa hơn, các đám mây gần như trung hòa đều lượng điện tích hình thành.

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 (Hình 2).

Hình 2: Cơ chế hình thành các đám mây điện tích

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 “phá vỡ cấu trúc cân bằngcác phân tử khí”. Các nguyên tử trong không khí bắt đầu bị tách riêng thành ion dương và các electron – không khí đã bị ion hoá. Nhưng 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 (Hình 3).

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 “hình thành môi trường lan truyền đầu tiên”.

Hình thành con đường dẫn truyền

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 là các lớp dẫn truyền (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.

Đã xong điều kiện hình thành tia sét, vậy bây giờ, chúng ta đã có một đám mây mang điện, với các “dải truyền dẫn” trải dài từ đám mây xuống mặt đất. Những “dải dẫn” này, có ánh hơi đỏ tía rất mờ nhạt. Một khi được hình thành, các “dải dẫn” sẽ tồn tại đến khi có dòng điện phóng qua chứ không liên quan tới vị trí của “dải dẫn” đó. Các “dải dẫn” 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 (Hình 4).

Và khi “dải dẫn” cuối cùng chạm đến mặt đất, con đường dẫn truyền giữa đám mây và mặt đất được hình thành. Hãy nhớ, các “dải dẫn” này 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 “dải dẫn” sẽ làm nhiệm vụ dẫn truyền, hình thành con đường đi.

Khi “dải dẫn” gặp streamer. Một điều đặc biệt, streamer tiếp xúc với “dải dẫn” 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 “dải dẫn” 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 (Hình 6).

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, khi tia sét đánh gần, âm thanh ta nghe thấy là tiếng sét (nghe chói tai). Khi tiếng sét ở xa phản xạ qua những đám mây rồi mới đến tai ta thì âm thanh đó ta gọi là tiếng sấm (âm thanh trầm hơn).

Thực tế ta thấy rằng các streamer hình thành và tập trung tại những vị trí có độ dẫn điện cao, như ao hồ, vũng nước, cây xanh, ăng ten, cột điện,... Do đó mà các “dải dẫn” sẽ dễ dàng tiếp xúc với những vùng này hơn so với các vùng khác. Tất nhiên là “anh thiên lôi” rất thích lựa chọn những vị trí này để đánh sét xuống.

Vì vậy khi có mưa giông sấm sét, chúng ta không nên đứng một mình ở giữa cánh đồng, những nơi trống trải. Nếu không còn cách nào khác thì ta phải tìm vị trí nào càng thấp để tránh sét. Ta có thể làm như sau:
Tìm nhanh nơi khô giáo gầm cầu cống, đặt những mảnh gỗ hay áo mưa xuống rồi ngồi lên đó. Nếu không có chỗ núp thì ta trải áo mưa ra rồi nằm xấp xuống. Tuyệt đối không tìm gốc cây, chòi canh, hay cây cột điện để tránh mưa! Vì những vị trí đó hay bị sét đánh nhất, rất nguy hiểm!

Khi trời xắp có mưa giông ta nên ngắt hết tất cả các thiết bị điện ra khỏi nguồn, nhất là rút dây anten ra khỏi tivi. Kiểm tra cột thu lôi vẫn tiếp đất tốt hay không.

Như vậy sau bài này, chúng ta đã có một chút hiểu biết về sét, từ đó chúng ta có biện pháp, để có thể phòng tránh được những lần tức giận của mẹ thiên nhiên!