Sét (Lightning)

1. Cơ chế hình thành:

Sự hình thành sét liên quan đến sự tích tụ điện tích trong các đám mây dông. Các hạt băng và nước bên trong đám mây va chạm với nhau, tạo ra sự phân tách điện tích. Điện tích dương thường tập trung ở phần trên của đám mây, trong khi điện tích âm tập trung ở phần dưới. Sự chênh lệch điện thế giữa hai vùng này, hoặc giữa đám mây và mặt đất, tăng lên cho đến khi vượt quá sức chịu đựng của không khí, dẫn đến sự phóng điện. Quá trình này diễn ra rất nhanh, tạo ra một dòng điện cực mạnh di chuyển từ vùng điện tích âm đến vùng điện tích dương, hoặc từ đám mây xuống đất. Dòng điện này làm nóng không khí xung quanh lên đến nhiệt độ rất cao (khoảng 30.000 độ C), khiến không khí giãn nở đột ngột và tạo ra sóng xung kích mà ta nghe thấy là sấm sét. Ánh sáng chói lòa mà ta nhìn thấy là tia chớp, chính là do không khí bị nung nóng sáng lên.

Các loại sét

• Sét trong mây (Intracloud lightning): Xảy ra giữa các vùng có điện tích trái dấu trong cùng một đám mây. Đây là loại sét phổ biến nhất.
• Sét giữa các đám mây (Intercloud lightning): Xảy ra giữa các đám mây có điện tích trái dấu khác nhau.
• Sét đánh xuống đất (Cloud-to-ground lightning): Xảy ra giữa đám mây và mặt đất. Loại sét này nguy hiểm nhất đối với con người và tài sản. Nó thường bắt đầu bằng một luồng điện tích âm đi xuống từ đám mây (stepped leader). Khi luồng này đến gần mặt đất, một luồng điện tích dương đi lên từ mặt đất (positive streamer) gặp luồng điện tích âm, tạo thành kênh dẫn điện. Sau đó, một dòng điện cực mạnh di chuyển dọc theo kênh này tạo ra tia chớp chính (return stroke). Đôi khi, sau tia chớp chính, nhiều tia chớp nhỏ hơn có thể xuất hiện, tạo thành hiện tượng sét đa tia.

Đặc điểm của sét

• Ánh sáng: Tia chớp là luồng plasma nóng sáng, có nhiệt độ có thể lên tới 30.000 độ C, nóng hơn bề mặt Mặt Trời gấp nhiều lần.
• Âm thanh: Sấm sét là âm thanh được tạo ra do sự giãn nở đột ngột của không khí khi bị đốt nóng bởi tia chớp. Âm thanh này có thể vang xa nhiều km.
• Điện tích: Một tia sét trung bình mang dòng điện khoảng 30.000 ampe và điện áp hàng triệu vôn.
• Thời gian: Tia chớp thường kéo dài khoảng 1/1000 giây. Tuy nhiên, toàn bộ quá trình phóng điện của một tia sét có thể kéo dài hơn, bao gồm cả stepped leader và các tia chớp tiếp theo.

Tác động của sét

• Nguy hiểm cho con người và động vật: Sét có thể gây bỏng, ngừng tim, tổn thương thần kinh và tử vong.
• Hỏa hoạn: Sét có thể gây cháy rừng và cháy nhà.
• Sóng điện từ: Sét tạo ra sóng điện từ có thể gây nhiễu loạn thiết bị điện tử.
• Tạo ra ozone: Sét góp phần tạo ra ozone trong khí quyển, một chất khí quan trọng trong việc hấp thụ bức xạ tia cực tím từ Mặt Trời.

Phòng chống sét

• Kim thu sét: Lắp đặt kim thu sét trên các công trình cao tầng để dẫn sét xuống đất an toàn. Hệ thống kim thu sét bao gồm kim, dây dẫn xuống và hệ thống tiếp địa.
• Tìm nơi trú ẩn an toàn: Khi có dông, nên tìm nơi trú ẩn trong nhà hoặc trong xe ô tô. Nếu ở trong nhà, nên tránh xa cửa sổ, cửa ra vào và các thiết bị điện.
• Tránh xa các vật kim loại: Không nên đứng gần cây cối, cột điện, hàng rào kim loại khi có dông.

Công thức liên quan

Mặc dù có nhiều công thức phức tạp mô tả vật lý sét, một công thức đơn giản tính khoảng cách đến tia sét dựa trên thời gian giữa tia chớp và tiếng sấm là:

$d = v \times t$

Trong đó:

• $d$ là khoảng cách đến tia sét (km)
• $v$ là tốc độ âm thanh (khoảng 0.34 km/s)
• $t$ là thời gian giữa tia chớp và tiếng sấm (giây)

Các giai đoạn của một tia sét đánh xuống đất (chi tiết hơn)

Quá trình một tia sét đánh xuống đất phức tạp hơn mô tả ban đầu và bao gồm nhiều giai đoạn:

• Stepped Leader: Một luồng điện tích âm yếu, phân nhánh, di chuyển xuống từ đám mây theo từng bước. Mỗi bước dài khoảng 50 mét và tạm dừng khoảng vài chục micro giây.
• Positive Streamer: Khi stepped leader đến gần mặt đất, các vật thể trên mặt đất, đặc biệt là những vật nhọn và cao, sẽ phát ra các luồng điện tích dương gọi là positive streamer.
• Connection: Khi stepped leader và positive streamer gặp nhau, một kênh dẫn điện được hình thành.
• Return Stroke: Một dòng điện cực mạnh di chuyển ngược lên theo kênh dẫn điện này, tạo ra tia chớp sáng chói mà chúng ta nhìn thấy. Đây là giai đoạn nguy hiểm nhất.
• Dart Leader: Nếu đám mây vẫn còn tích điện, các luồng điện tích âm khác, gọi là dart leader, có thể di chuyển xuống theo kênh dẫn điện đã hình thành, tạo ra các tia chớp tiếp theo. Quá trình này có thể lặp lại nhiều lần trong cùng một tia sét.

Màu sắc của sét

Màu sắc của tia chớp có thể thay đổi tùy thuộc vào thành phần của không khí.

• Trắng: Sét trắng thường chỉ ra hàm lượng hơi nước thấp trong không khí. Nó cũng có thể liên quan đến điện áp cao.
• Xanh lam/Tím: Cho thấy hàm lượng hơi nước cao trong không khí.
• Đỏ: Cho thấy mưa đá trong đám mây.
• Vàng: Cho thấy hàm lượng bụi cao trong không khí.

Sét hòn (Ball Lightning)

Đây là một hiện tượng hiếm gặp và chưa được hiểu rõ hoàn toàn. Sét hòn được mô tả là một quả cầu phát sáng, di chuyển chậm trong không khí. Nó có thể tồn tại trong vài giây đến vài phút và biến mất đột ngột.

Ảnh hưởng của sét lên tầng ozone

Sét góp phần tạo ra NOx (nitơ oxit) trong khí quyển. NOx tham gia vào các phản ứng hóa học phức tạp, có thể vừa góp phần tạo ozone ở tầng đối lưu (gần mặt đất, gây ô nhiễm), vừa phá hủy ozone ở tầng bình lưu (tầng ozone bảo vệ Trái Đất).

Nghiên cứu về sét

Các nhà khoa học sử dụng nhiều phương pháp để nghiên cứu sét, bao gồm:

• Máy ảnh tốc độ cao: Để ghi lại các giai đoạn khác nhau của tia sét.
• Ăng-ten: Để phát hiện và định vị sét.
• Máy bay và bóng bay: Để đo điện trường trong đám mây dông.

• Uman, M. A. (2001). The lightning discharge. Dover Publications.
• Rakov, V. A., & Uman, M. A. (2003). Lightning: physics and effects. Cambridge university press.
• National Weather Service. (n.d.). Lightning safety. Retrieved from [website của NWS – bạn có thể thêm link thật vào đây]

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao sét thường đánh vào các vật thể cao và nhọn?

Trả lời: Sét “chọn” đường đi có điện trở thấp nhất. Các vật thể cao và nhọn làm tăng cường độ điện trường xung quanh chúng, ion hóa không khí gần đó, tạo ra một đường dẫn điện dễ dàng hơn cho sét so với không khí xung quanh. Hiện tượng này giải thích tại sao kim thu sét, với đầu nhọn, lại hiệu quả trong việc thu hút sét.

Ngoài sấm sét và tia chớp, còn có những hiện tượng vật lý nào khác liên quan đến sét?

Trả lời: Sét còn tạo ra các hiện tượng khác như: sóng điện từ (có thể gây nhiễu loạn thiết bị điện tử), bức xạ X và gamma (tuy nhiên, cường độ thấp và không gây nguy hiểm đáng kể cho con người trên mặt đất), sóng xung kích (gây ra tiếng nổ), và sự thay đổi áp suất không khí đột ngột.

Làm thế nào để phân biệt sấm sét thường và sấm sét khô? Tại sao sấm sét khô lại nguy hiểm?

Trả lời: Sấm sét khô xảy ra khi mưa từ đám mây bốc hơi trước khi chạm đất. Do không có mưa đi kèm, nên cảm giác về nguy hiểm của sét giảm đi. Tuy nhiên, sét vẫn có thể đánh xuống đất và gây cháy rừng, đặc biệt là ở những khu vực khô hạn. Sấm sét thường thì đi kèm với mưa, giúp làm giảm nguy cơ cháy rừng.

Nếu bị kẹt ngoài trời khi có dông sét, tư thế “cúi thấp người xuống, hai chân chụm lại” có tác dụng gì?

Trả lời: Tư thế này giúp giảm thiểu diện tích tiếp xúc với mặt đất và giảm nguy cơ bị điện giật do “dòng điện bước” (ground current) – dòng điện lan truyền trên mặt đất khi sét đánh. Tuy nhiên, tư thế này không đảm bảo an toàn tuyệt đối. Nơi an toàn nhất vẫn là trong nhà hoặc trong xe ô tô.

Vai trò của tầng ozone trong việc bảo vệ sự sống trên Trái Đất là gì? Sét ảnh hưởng đến tầng ozone như thế nào?

Trả lời: Tầng ozone hấp thụ phần lớn bức xạ tia cực tím (UV) từ Mặt Trời, bảo vệ sự sống trên Trái Đất khỏi tác hại của tia UV. Sét tạo ra NOx, chất này vừa tham gia vào quá trình tạo ozone ở tầng đối lưu (gần mặt đất, gây ô nhiễm), vừa có thể phá hủy ozone ở tầng bình lưu (tầng ozone bảo vệ Trái Đất). Tuy nhiên, lượng NOx do sét tạo ra chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng lượng NOx trong khí quyển, so với các nguồn khác như hoạt động công nghiệp và giao thông.