Hiện tượng sấm sét đã mê hoặc con người suốt nhiều thế kỷ, song những nguyên nhân tiềm ẩn lại hé lộ một sự tương tác phức tạp của vật lý khí quyển mà đến nay, với công nghệ hiện đại, chúng ta vẫn đang tiếp tục khám phá.

Sấm sét khởi phát từ các quá trình điện động trong mây dông, tạo nên những phóng điện khổng lồ kết nối giữa mây với đất hoặc giữa các đám mây với nhau, kèm theo những chớp sáng rực rỡ và sức nóng dữ dội.

Quá Trình Điện Hóa Trong Mây Dông: Sự Tích Tụ Điện Tích

Trung tâm của sự hình thành sấm sét chính là quá trình phân tách điện tích trong những đám mây tích điện khổng lồ (cumulonimbus). Các luồng khí đối lưu mạnh đẩy các giọt nước và hạt băng lên cao, khiến chúng va chạm và trao đổi electron, tái phân bố điện tích. Thông thường, phần trên của mây tích lũy điện tích dương, trong khi phần dưới lại tích điện âm. Sự phân tầng này tạo ra một điện trường khổng lồ bên trong mây cũng như giữa mây với mặt đất.

Vai Trò Của Hạt Phân Cực Và Sự Va Chạm

Những tương tác vi mô trong mây giữ vai trò tối quan trọng. Các giọt nước, hạt mưa đá và tinh thể băng với kích thước, trạng thái khác nhau va đập và vỡ ra, dẫn đến việc tái phân bố điện tích thông qua quá trình gọi là “nạp điện do ma sát” và “cảm ứng điện”. Đặc biệt, hiện tượng đóng băng và tan chảy của nước trong điều kiện siêu lạnh quyết định vị trí tích tụ điện dương và âm: các hạt graupel (mưa đá mềm) mang điện âm nặng dần rơi xuống, trong khi tinh thể băng nhẹ mang điện dương lại bay lên cao, càng làm nổi bật sự phân tầng điện tích.

Sự Khởi Phát Của Sét: Từ Phá Vỡ Điện Môi Đến Hình Thành Kênh Dẫn

Thông thường, không khí đóng vai trò như chất cách điện, ngăn cản dòng điện. Tuy nhiên, khi cường độ điện trường địa phương vượt ngưỡng khoảng 3 triệu vôn trên mỗi mét, nó có thể ion hóa các phân tử khí, tạo nên một kênh plasma dẫn điện. Quá trình này khởi phát sự hình thành “tia tiên đạo” — những kênh không khí bị ion hóa, di chuyển từng bước xuống dưới hoặc hướng lên trên trong khí quyển.

Thác Electron Tương Đối Tính Và Sự Sinh Ra Tia Gamma

Các nghiên cứu mới đây cho thấy vai trò của hiện tượng “thác electron chạy trốn tương đối tính” (Relativistic Runaway Electron Avalanches - RREAs) trong việc khởi phát sấm sét. Dưới tác động của điện trường cực mạnh, các electron được gia tốc gần bằng tốc độ ánh sáng, va chạm với phân tử không khí và tạo ra những chùm tia gamma năng lượng cao, gọi là “chớp gamma trong khí quyển” (Terrestrial Gamma-ray Flashes - TGFs). Những hiện tượng năng lượng cao này xảy ra chỉ vài micro-giây trước khi tia sét lóe sáng, thay đổi nhận thức của chúng ta: sấm sét không chỉ là một phóng điện mà còn là nguồn phát xạ bức xạ năng lượng trong khí quyển.

Vi Sét: Khám Phá Mới Về Các Phóng Điện Quy Mô Nhỏ

Một hiện tượng thú vị song song với sấm sét truyền thống là “vi sét” (microlightning) — những tia lửa điện tí hon được sinh ra giữa các giọt nước mang điện tích trái dấu, chẳng hạn trong thác nước hay sóng biển. Nghiên cứu tại Đại học Stanford do Giáo sư Richard Zare dẫn dắt đã chứng minh rằng các phóng điện vi mô này có thể khơi mào các phản ứng hóa học tạo nên phân tử hữu cơ, có khả năng gieo mầm cho sự khởi nguồn của sự sống trên Trái Đất.

Động Lực Của Tia Tiên Đạo Và Sự Giải Phóng Năng Lượng

Quỹ đạo của tia sét là kết quả của sự tương tác giữa nhiều kênh tiên đạo mang điện trái dấu. Ngay khoảnh khắc các kênh này gặp nhau, một dòng điện ngược khổng lồ lao dọc kênh plasma, tạo nên ánh chớp rực sáng đặc trưng và sóng xung kích vang dội thành tiếng sấm. Giáo sư Martin Uman, một nhà vật lý lỗi lạc chuyên nghiên cứu sét, nhận định rằng “sấm sét là một hiện tượng điện tự nhiên phi thường, đòi hỏi sự tích tụ điện tích chính xác cùng việc hình thành những kênh dẫn điện trong một môi trường vốn dĩ cách điện. Hiểu được các cơ chế vi mô này là chìa khóa để dự báo sét tốt hơn và bảo vệ cơ sở hạ tầng.” Hàng chục năm nghiên cứu của ông nhấn mạnh cách những cơ chế vật lý nền tảng được chuyển hóa thành màn trình diễn khí quyển hùng vĩ này.

Sấm sét nảy sinh từ sự phân tầng điện tích do vi vật lý trong mây, sự phá vỡ điện môi của không khí dưới điện trường cực mạnh, cùng sự gia tốc electron tương đối tính, không chỉ dẫn đến phóng điện mà còn phát ra chớp gamma. Sự phát hiện vi sét và mô hình hóa chi tiết quá trình hình thành tiên đạo cho thấy sấm sét là một hiện tượng đa tầng, đa quy mô, gắn chặt với vai trò của nước trong khí quyển, và vẫn đang tiếp tục khơi nguồn cho những nghiên cứu tiên phong.