Sấm chớp hình thành trong mây dông như thế nào?

Quá trình này diễn ra chủ yếu trong những vùng của mây có đồng thời dòng khí đi lên mạnh, tinh thể băng nhỏ, graupel — các hạt băng mềm giống mưa đá nhỏ — và các giọt nước siêu lạnh. Va chạm giữa các hạt làm điện tích được trao đổi; chuyển động khác nhau của chúng sau đó tách các điện tích trái dấu thành những vùng riêng. Khi điện trường cục bộ đủ mạnh để ion hóa không khí và mở một đường dẫn điện, phóng điện xảy ra. Chính phóng điện đó tạo ra cả chớp và sấm.

Điều kiện trong mây dông tạo ra môi trường tích điện

Mây dông phát triển mạnh theo chiều thẳng đứng vì không khí nóng ẩm ở dưới thấp liên tục bốc lên. Ở phần cao hơn, nhiệt độ xuống dưới 0°C nhưng nước không phải lúc nào cũng đóng băng ngay. Vì vậy, một vùng pha hỗn hợp hình thành, nơi giọt nước siêu lạnh, tinh thể băng và graupel cùng tồn tại trong dòng khí rất nhiễu động.

Đây là vùng quan trọng đối với quá trình điện hóa của mây. Trong mô hình điển hình, hoạt động tích điện mạnh thường tập trung ở khu vực có nhiệt độ khoảng -15 đến -25°C. Dòng khí đi lên có thể giữ hoặc đưa các tinh thể băng nhẹ lên cao, trong khi graupel lớn và nặng hơn có xu hướng rơi xuống hoặc lơ lửng ở các tầng thấp hơn. Sự khác nhau về kích thước, khối lượng và chuyển động khiến các hạt va chạm với nhau rất nhiều lần.

Chỉ có hơi nước hoặc giọt mây thông thường chưa đủ để giải thích sự tích điện mạnh của một cơn dông. Sự hiện diện đồng thời của băng, nước siêu lạnh, chuyển động thẳng đứng mạnh và va chạm giữa các hạt mới tạo ra môi trường thuận lợi cho việc phân tách điện tích ở quy mô toàn đám mây.

Va chạm giữa tinh thể băng và graupel làm tách điện tích ra sao?

Cơ chế được chấp nhận rộng rãi nhất là tích điện không cảm ứng. Khi một tinh thể băng nhỏ va chạm rồi bật khỏi một hạt graupel trong môi trường có nước siêu lạnh, một lượng điện tích có thể được chuyển từ hạt này sang hạt kia. Dấu và lượng điện tích phụ thuộc vào nhiệt độ, hàm lượng nước lỏng và trạng thái phát triển của các hạt; vì thế quá trình thực tế phức tạp hơn mô hình “hạt này luôn âm, hạt kia luôn dương”.

Trong cấu trúc thường gặp của mây dông, các tinh thể băng nhỏ mang điện tích dương được dòng khí đi lên đưa về phía đỉnh mây, còn graupel mang điện tích âm tập trung ở vùng giữa hoặc thấp hơn. Một vùng điện tích dương nhỏ cũng có thể xuất hiện gần đáy mây. Kết quả là mây không nhất thiết chỉ có hai lớp điện tích đơn giản mà thường có cấu trúc nhiều vùng, thay đổi theo giai đoạn phát triển và động lực của cơn dông.

Điểm quan trọng là va chạm chỉ tạo ra sự trao đổi điện tích ở cấp hạt; dòng khí và trọng lực mới biến sự khác biệt đó thành phân tách điện tích ở quy mô lớn. Nếu các hạt mang điện trái dấu vẫn trộn đều với nhau, điện trường của toàn đám mây sẽ không tăng mạnh như khi chúng bị đưa về các khu vực khác nhau.

Các chi tiết vi mô của quá trình tích điện trong dông vẫn là chủ đề nghiên cứu. Vì vậy, mô hình graupel–tinh thể băng nên được hiểu là cơ chế chủ đạo giải thích phần lớn hiện tượng quan sát được, không phải một quy tắc duy nhất áp dụng giống hệt cho mọi đám mây dông.

Điện trường tăng đến mức phóng điện như thế nào?

Khi các vùng điện tích trái dấu tách xa nhau, hiệu điện thế giữa chúng tăng và tạo ra điện trường mạnh trong mây. Không khí bình thường là chất cách điện khá tốt nên điện tích không lập tức chạy qua khoảng không. Tuy nhiên, điện trường không đồng đều: ở một số vị trí, hình dạng vùng điện tích, mật độ hạt và các ion sẵn có làm điện trường cục bộ tăng mạnh hơn vùng xung quanh.

Khi điều kiện cục bộ đủ để ion hóa các phân tử không khí, các electron tự do được gia tốc và tạo thêm ion cùng electron. Từ đó hình thành những nhánh ion hóa mảnh gọi là streamer và các kênh dẫn phát triển theo từng bước gọi là leader. Chúng mở rộng qua những vùng có điện trường thuận lợi, dần tạo ra đường dẫn mà dòng điện có thể đi qua dễ dàng hơn nhiều so với không khí chưa ion hóa.

Vì vậy, nói “điện tích tích đủ thì không khí bị đánh thủng” là đúng ở mức khái quát nhưng chưa mô tả hết quá trình. Tia sét không xuất hiện vì toàn bộ khoảng không giữa hai vùng điện tích đồng thời vượt một ngưỡng cố định; phóng điện phát triển cục bộ theo các kênh phân nhánh rồi lan rộng qua mây.

Kênh sét phát triển trong mây và xuống đất ra sao?

Phóng điện trong mây

Nếu kênh dẫn điện phát triển giữa hai vùng điện tích trái dấu bên trong cùng một đám mây, phóng điện nội mây xảy ra. Kênh sét có thể phân nhánh rất phức tạp khi mở rộng qua các vùng điện trường khác nhau. Ánh sáng phát ra từ khí bị ion hóa và nung nóng dọc theo kênh chính là phần chớp nhìn thấy, dù nhiều đoạn của kênh có thể bị mây che khuất.

Phóng điện giữa mây và mặt đất

Khi vùng điện tích âm ở phần thấp của mây tạo ra điện tích dương cảm ứng trên mặt đất, một leader có thể phát triển từng bước từ mây xuống. Lúc đầu leader tiến gần mặt đất, các streamer hướng lên có thể xuất hiện từ cây, công trình hoặc những điểm nhô cao. Khi hai hệ kênh nối được với nhau, một dòng điện rất lớn truyền qua đường dẫn đã ion hóa và tạo ra pha sáng mạnh gọi là dòng hồi.

Mô tả này áp dụng cho một dạng sét mây–đất âm phổ biến, không phải mọi tia sét. Dông còn có thể tạo phóng điện giữa những vùng khác nhau trong cùng mây, giữa các đám mây hoặc theo những cấu trúc điện tích có cực tính khác. Điểm chung vẫn là điện trường tạo điều kiện cho kênh ion hóa phát triển, sau đó điện tích được trung hòa hoặc tái phân bố qua kênh đó.

Vì sao tia chớp tạo ra tiếng sấm?

Dòng điện trong kênh sét làm không khí xung quanh nóng lên trong thời gian cực ngắn, có thể đạt khoảng 30.000°C. Nhiệt độ tăng quá nhanh khiến không khí không kịp giãn nở từ từ mà nở ra gần như bùng nổ, ép lớp không khí kế cận và tạo thành sóng xung kích. Khi lan xa và yếu dần, sóng xung kích trở thành sóng âm mà tai nghe được dưới dạng tiếng sấm.

Tiếng sấm không nhất thiết là một tiếng nổ duy nhất. Một kênh sét có thể dài nhiều kilômét và ngoằn ngoèo, nên âm thanh từ các đoạn khác nhau đến tai ở những thời điểm khác nhau. Sự khúc xạ của âm trong các lớp không khí và phản xạ từ địa hình cũng có thể kéo dài âm thanh. Vì vậy, sét ở gần thường nghe sắc và đột ngột hơn, còn sét xa dễ tạo tiếng rền kéo dài.

Sấm không phải một quá trình điện thứ hai xảy ra sau chớp. Nó là hệ quả cơ học của chính tia sét: phóng điện làm nóng không khí, không khí giãn nở nhanh rồi sóng áp suất truyền tới người nghe.

Vì sao thấy chớp trước khi nghe sấm?

Ánh sáng truyền nhanh đến mức thời gian đi từ tia sét tới người quan sát gần như không đáng kể ở khoảng cách thông thường, trong khi âm thanh trong không khí chỉ truyền khoảng 340 m/s. Bởi vậy mắt thấy chớp trước, còn tai nghe sấm sau.

Độ trễ này cũng cho phép ước tính tương đối khoảng cách tới tia sét. Với vận tốc âm thanh gần 340 m/s, mỗi khoảng 3 giây giữa chớp và sấm tương ứng xấp xỉ 1 km. Đây chỉ là ước lượng vì nhiệt độ, gió và đường truyền âm có thể làm vận tốc và quãng đường thực tế thay đổi.

Hiện tượng “chớp trước, sấm sau” không có nghĩa hai sự kiện xảy ra cách nhau vài giây tại đám mây. Chúng gần như phát sinh từ cùng một lần phóng điện; sự chênh lệch chủ yếu đến từ việc ánh sáng và âm thanh truyền tới người quan sát với tốc độ rất khác nhau.

Sấm chớp bắt đầu từ vi vật lý bên trong mây dông: băng, graupel và nước siêu lạnh va chạm để trao đổi điện tích, còn dòng khí và trọng lực tách các hạt mang điện thành những vùng khác nhau. Điện trường giữa các vùng này tăng lên cho đến khi các kênh ion hóa phát triển và cho phép phóng điện. Tia sét phát sáng tạo ra chớp, đồng thời nung nóng không khí rất nhanh để tạo sóng xung kích và tiếng sấm. Vì ánh sáng truyền nhanh hơn âm thanh rất nhiều, chớp được nhìn thấy trước khi tiếng sấm từ cùng sự kiện truyền tới tai.