vatlythpt

M

Sét - hiện tượng thiên nhiên kì thú

Thứ Hai, 31 tháng 8, 2009
Sét là một trong những màn trình diễn đẹp nhất trong tự nhiên. Nó cũng là một trong những hiện tượng thiên nhiên gây chết chóc nhiều nhất đối với loài người. Với nhiệt độ chớp lửa nóng hơn bề mặt mặt trời và các sóng xung kích phát ra theo mọi hướng, sét là một bài học trong khoa học vật lí lẫn nhân loại học.

Ngoài vẻ đẹp tráng kiện của nó, sét còn đi vào khoa học với một trong những bí ẩn cục bộ lớn nhất của nó. Nó hoạt động như thế nào? Người ta thường biết rằng sét phát sinh trong những hệ giông bão tích điện, nhưng phương thức các đám mây tích điện vẫn còn là một ẩn số. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khảo sát hiện tượng sét nhìn từ trong ra để bạn có thể hiểu rõ hiện tượng này.

Sét bắt đầu với một quá trình kém bí ẩn hơn: vòng tuần hoàn nước. Để hiểu trọn vẹn vòng tuần hoàn nước hoạt động như thế nào, trước hết chúng ta phải tìm hiểu các nguyên lí bay hơi và ngưng tụ.

Sự bay hơi là một quá trình nhờ đó một chất lỏng hấp thụ nhiệt và biến thành hơi. Lấy thí dụ một vũng nước sau một cơn mưa rào. Vì sao vũng nước đó khô đi? Nước trong vũng hấp thụ nhiệt từ mặt trời và môi trường xung quanh và thoát ra dạng hơi nước. “Thoát ra” là thuật ngữ được sử dụng khi trình bày về sự bay hơi. Khi chất lỏng là đối tượng chịu nhiệt, thì các phân tử của nó chuyển động ra xung quanh nhanh hơn. Một số phân tử có thể chuyển động đủ nhanh để chọc thủng bề mặt chất lỏng và mang nhiệt ra ngoài dưới dạng hơi hoặc khí. Một khi đã thoát khỏi sự ràng buộc của khối chất lỏng, hơi nước bắt đầu bốc lên cao trong khí quyển.

Sự ngưng tụ là quá trình nhờ đó một chất hơi hoặc khí mất nhiệt và biến thành chất lỏng. Hễ khi nào có nhiệt truyền tải, thì nó chuyển từ nhiệt cao hơn sang nhiệt độ thấp hơn. Cái tủ lạnh trong nhà sử dụng nguyên lí này để làm lạnh thực phẩm và nước uống của bạn. Nó cung cấp một môi trường nhiệt độ thấp hấp thụ nhiệt từ thức ăn và đồ uống của bạn và mang nhiệt đó ra bên ngoài trong cái gọi là chu trình máy lạnh. Ở khía cạnh này, bầu khí quyển đóng vai trò một cái tủ lạnh khổng lồ đối với chất khí và hơi. Khi hơi hoặc chất khí bốc lên cao, nhiệt độ trong không khí xung quanh càng lúc càng giảm đi. Không bao lâu sau, hơi nước, cái mang nhiệt ra khỏi chất lỏng “mẹ” của nó, bắt đầu mất nhiệt sang khí quyển. Khi nó bốc lên những độ cao càng lớn và nhiệt độ càng thấp, cuối cùng thì phần nhiệt mất đi đủ để làm cho hơi nước ngưng tụ và trở lại trạng thái lỏng.


Giờ ta hãy áp dụng hai khái niệm này cho vòng tuần hoàn nước.

Nước hoặc hơi nước trên trái đất hấp thụ nhiệt từ mặt trời và môi trường xung quanh. Khi nhiệt lượng hấp thụ đã đủ, thì một số phân tử chất lỏng có thể có đủ năng lượng để thoát ra khỏi chất lỏng và bắt đầu bốc lên vào trong khí quyển dưới dạng hơi. Khi hơi bốc lên càng cao, thì nhiệt độ của không khí xung quanh trở nên càng thấp. Cuối cùng, hơi mất đủ nhiệt sang không khí xung quanh để cho phép nó quay trở lại thành chất lỏng. Lực hút hấp dẫn của trái đất khi đó làm cho chất lỏng “rơi” trở xuống trái đất, do đó hoàn thành vòng tuần hoàn. Nên lưu ý rằng nếu nhiệt độ trong không khí xung quanh đủ thấp, thì hơi nước có thể ngưng tụ và sau đó đông đặc thành tuyết hoặc băng. Một lần nữa, lực hấp dẫn sẽ quyết định dạng đông đặc và chúng sẽ rơi trở lại mặt đất.

Bão điện

Trong cơn bão điện, các đám mây giông được tích điện giống như những tụ điện khổng lồ trên bầu trời. Phần phía trên đám mây nhiễm điện dương và phần phía dưới nhiễm điện âm. Làm thế nào đám mây tích điện như thế này thì cộng đồng khoa học vẫn chưa có sự nhất trí, nhưng mô tả sau đây mang lại một lời giải thích đáng tin cậy.


Trong tiến trình của vòng tuần hoàn nước, hơi nước có thể tích góp trong khí quyển. Sự tích góp này là cái chúng ta thấy dưới dạng mây. Thật thú vị, các đám mây có thể chứa hàng triệu triệu giọt nước và băng lơ lửng trong không khí. Khi quá trình bay hơi và ngưng tụ tiếp diễn, những giọt nước này va chạm với hơi ẩm đang ở trong tiến trình ngưng tụ khi nó bốc lên cao. Đồng thời, hơi ẩm đang bốc lên có thể va chạm với băng hoặc mưa đá đang trong tiến trình rơi xuống đất hoặc nằm trong phần dưới của đám mây. Tầm quan trọng của những va chạm này là các electron bị đánh bật ra khỏi hơi nước đang bốc lên, do đó tạo ra sự chia tách điện.

Các electron mới bị đánh bật ra tập hợp lại ở phần dưới của đám mây, làm cho nó tích điện âm. Hơi nước đang bốc lên vừa mất electron mang điện tích dương lên phần trên của đám mây. Ngoài các va chạm ra, sự đông đặc còn giữ một vai trò quan trọng. Khi hơi nước đang bốc lên gặp phải nhiệt độ lạnh hơn ở những vùng mây cao hơn và bắt đầu đông lại, thì phần đông đặc trở nên tích điện âm và các giọt chưa đông đặc thì trở nên tích điện dương. Ở đây, dòng không khí đang bốc lên có khả năng lấy các giọt tích điện dương ra khỏi băng và mang chúng lên phần trên của đám mây. Phần đã đông đặc còn lại có khả năng rơi xuống phần dưới của đám mây hoặc tiếp tục rơi tới mặt đất. Kết hợp các va chạm với sự đông đặc, chúng ta có thể bắt đầu hiểu được làm thế nào một đám mây có thể có được sự chia tách điện tích trái ngược cần thiết cho một cú sét.

Khi có sự chia tách điện tích trong đám mây, thì sẽ có điện trường đi cùng với sự chia tách đó. Giống như đám mây, điện trường này là âm ở vùng dưới và là dương ở vùng trên.

Cường độ hay độ lớn của điện trường đó tỉ lệ với lượng điện tích hình thành nên đám mây. Khi các va chạm và sự đông đặc tiếp tục xảy ra và điện tích ở phần trên và phần dưới của đám mây tăng lên, thì điện trường càng lúc càng mạnh hơn – mạnh đến mức, trên thực tế, các electron ở mặt đất bị đẩy sâu hơn vào trong lòng đất bởi điện tích âm ở phần dưới của đám mây. Sự đẩy các electron này làm cho mặt đất bị nhiễm điện dương mạnh.

Tất cả những gì cần thiết lúc này là một đường dẫn cho phần dưới đám mây nhiễm điện âm tiếp xúc với bề mặt trái đất nhiễm điện dương. Điện trường mạnh, có phần tự lực, tạo ra đường dẫn này.

Sự ion hóa không khí
Mô tả sau đây còn đúng là cái xảy ra khi một máy phát Van de Graff hoạt động. Nếu bạn có ước muốn chơi cùng tia sét, thì máy phát Van de Graff chính là cách an toàn nhất để triển khai và có thể mang lại hàng giờ giải trí.

Điện trường mạnh làm cho không khí xung quanh đám mây bị “chọc thủng”, cho phép dòng điện chạy trong một nỗ lực nhằm trung hòa sự phân li điện tích. Nói đơn giản, không khí bị chọc thủng tạo ra một lối dẫn làm ngắn mạch đám mây/trái đất như thể có một dây kim loại dài nối đám mây với trái đất. Sau đây là cách thức sự chọc thủng này hoạt động.

Khi điện trường trở nên rất mạnh (vào bậc hàng chục ngàn volt trên inch), thì điều kiện đã chín muồi cho không khí bắt đầu bị chọc thủng. Điện trường làm cho không khí xung quanh trở nên bị phân li thành các ion dương và các electron – không khí bị ion hóa. Chú ý rằng sự ion hóa không có nghĩa là có nhiều điện tích âm (electron) hay nhiều điện tích dương (hạt nhân nguyên tử mang điện dương/ion dương) hơn trước đó. Sự ion hóa này chỉ có nghĩa là các electron và ion dương tách ra xa nhau hơn so với ở trong cấu trúc phân tử hoặc nguyên tử ban đầu. Về cơ bản, các electron bị tước ra khỏi cấu trúc phân tử của không khí chưa bị ion hóa.

Cái quan trọng của sự phân li/chia tách này là các electron giờ đã tự do di chuyển dễ dàng hơn nhiều so với trước khi phân li. Cho nên, không khí bị ion hóa này (còn gọi là plasma) có độ dẫn cao hơn nhiều so với không khí chưa ion hóa trước đó. Vả lại, khả năng hay sự tự do di chuyển của các electron là cái làm cho mọi chất dẫn điện tốt. Thông thường, kim loại được xem là hạt nhân nguyên tử tích điện dương được bao quanh bởi đám mây electron giống như chất lỏng. Điều đó làm cho nhiều kim loại là chất dẫn điện tốt.

Các electron này có độ linh động cao, cho phép dòng điện chạy qua. Sự ion hóa không khí hay chất khí tạo ra plasma với các tính chất dẫn tương tự như tính chất của kim loại. Plasma là công cụ tự nhiên dùng để trung hòa sự phân li điện tích trong một điện trường. Độc giả đã quen thuộc với phản ứng hóa học của lửa sẽ nhớ lại sự ôxi hóa giữ một vai trò quan trọng. Ôxi hóa là quá trình qua đó một nguyên tử hay phân tử mất đi một electron khi kết hợp với ôxi. Nói đơn giản, nguyên tử hay phân tử đã biến đổi từ một thế dương thấp hơn sang một thế dương cao hơn. Thật thú vị, quá trình ion hóa, cái tạo ra plasma, cũng xảy ra qua sự mất electron. Với sự so sánh này, chúng ta có thể xem quá trình ion hóa là “đốt đuốc” trong không khí cho tia sét đi qua, giống hệt như đào một đường hầm xuyên qua núi cho xe lửa chạy qua.

Sau quá trình ion hóa, đường dẫn giữa đám mây và mặt đất bắt đầu hình thành.

Sự phóng điện tiên phát

Một khi quá trình ion hóa bắt đầu và plasma hình thành, một đường dẫn không được tạo ra ngay tức thời. Thật ra, thường thì có nhiều đường dẫn không khí bị ion hóa phát sinh từ đám mây. Những đường dẫn này thường được gọi là dòng phóng điện tiên phát.

Các dòng phóng điện tiên phát truyền về hướng mặt đất thành từng giai đoạn, chúng không phải đi thẳng đến đất. Không khí không bị ion hóa đồng đều theo mọi hướng. Bụi hay các tạp chất (bất kì vật gì) trong không khí có thể làm cho không khí bị chọc thủng dễ hơn theo một hướng, mang lại cơ hội tốt hơn cho dòng phóng điện tiên phát đi tới đất theo hướng đó. Đồng thời, hình dạng của điện trường có thể ảnh hưởng đáng kể lên đường dẫn ion hóa. Hình dạng này tùy thuộc vào vị trí các của các hạt tích điện, trong trường hợp này chúng nằm dưới đáy đám mây và tại mặt đất. Nếu như đám mây song song với mặt đất, thì vùng diện tích đủ nhỏ để bỏ qua được độ cong của mặt đất, và hai vị trí tích điện sẽ xử sự như thể hai bản tích điện song song nhau. Các đường sức điện phát sinh bởi sự phân li điện tích sẽ vuông góc với đám mây và mặt đất.

Các đường sức luôn đi ra vuông góc với bề mặt tích điện trước khi tiến về phía đích của chúng (vị trí tích điện ngược lại). Có kiến thức này, chúng ta có thể nói nếu mặt dưới của đám mây là không thẳng, thì các đường sức sẽ không đồng đều. Hãy thử như thế này: Vẽ hai điểm tại hai phía đối diện của một quả bóng rỗ. Sau đó, vẽ một đường thẳng trên quả bóng rỗ nối liền hai điểm đó. Sự cong của đường thẳng đó là tương tự với các đường sức trong một điện trường không đều. Đường sức không đồng đều có thể làm cho dòng phóng điện tiên phát đi theo một đường dẫn không phải là đường thẳng xuống mặt đất.

Xem xét những khả năng này, rõ ràng là có những nhân tố khác nhau ảnh hưởng đến hướng của dòng phóng điện tiên phát. Chúng ta đã được dạy trong nhà trường rằng khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm là một đường thẳng; nhưng trong trường hợp điện trường, các đường sức không đi theo đường đi ngắn nhất, vì đường đi ngắn nhất không luôn luôn thể hiện đường đi có điện trở thấp nhất.

Giờ thì chúng ta có một đám mây tích điện với các dòng phóng điện tiên phát kéo dài dần về hướng mặt đất thành từng giai đoạn. Những dòng tiên phát này phát sáng yếu ớt dưới dạng lóe màu hơi tía và có thể sinh ra những dòng tiên phát khác ở những nơi dòng tiên phát ban đầu uốn cong hoặc đổi hướng. Một khi đã bắt đầu, dòng tiên phát sẽ vẫn tồn tại cho đến khi dòng điện chạy, cho dù nó có phải là dòng tiên phát đầu tiên đi tới đất hay không. Dòng tiên phát về cơ bản có hai khả năng: tiếp tục lớn lên trong các giai đoạn tăng trưởng plasma hoặc kiên nhẫn chờ trong điều kiện plasma hiện tại của nó cho đến khi dòng tiên phát khác đi tới đích của nó.

Dòng tiên phát đầu tiên đi tới đất sẽ gặt được kết quả của hành trình là mang lại một đường dẫn giữa đám mây và mặt đất. Dòng tiên phát này không phải là tia sét; nó chỉ vẽ đường cho tia sét đi theo. Tia sét là một dòng điện lớn, đột ngột chạy từ mây xuống đất.

Trước khi tiếp tục câu chuyện, chúng ta phải xét xem cái gì đang xảy ra với bề mặt trái đất và các vật trên mặt đất. Chúng ta sẽ xét các cột sáng dương và cái xảy ra khi những cột sáng này gặp các dòng tiên phát trong phần tiếp theo.

(theo HowStuffWork)
  • https://www.tailieuthpt.tk/2009/08/set-hien-tuong-thien-nhien-ki-thu.html
cám ơn bạn đã quan tâm và rất vui vì bài viết đã đem lại thông tin hữu ích cho bạn.