Thực đơn
Tia_sét
Chi tiết quá trình tích điện vẫn đang được các nhà khoa học nghiên cứu, nhưng đã có một vài ý kiến thống nhất chung. Một cơn dông được hình thành khi có một khối không khí nóng ẩm chuyển động, trong đó khu vực trung tâm của đám mây dông là khu vực xảy ra sự tích điện đám mây chủ yếu, nơi có luồng không khí di chuyển hướng lên rất nhanh (gọi là updraft) do đối lưu và nhiệt độ từ −15 đến −25 °C (5 đến −13 °F). Ở đó, nhiệt độ thấp cùng với sự chuyển động nhanh của luồng không khí đi lên tạo ra một hỗn hợp gồm các giọt mây trong trạng thái siêu lạnh (tức các giọt ở thể lỏng dưới điểm đóng băng), các tinh thể băng nhỏ và graupel (mưa đá mềm). Dòng không khí đưa các giọt mây siêu lạnh và tinh thể băng nhỏ nhẹ lên trên, về phía đỉnh đám mây dông; trong khi các hạt graupel nặng và đặc hơn có xu hướng rơi xuống phần dưới đám mây hoặc lơ lửng trong không khí. Các chuyển động ngược chiều nhau của các hạt ngưng đọng khác nhau sẽ dẫn tới sự va chạm. Khi có va chạm các giữa tinh thể băng và các hạt mưa đá mềm, các tinh thể băng bị nhiễm điện dương và hạt mưa đá mềm bị nhiễm điện âm do cọ xát (H1.).[12]
Các tinh thể băng tiếp tục bị đẩy lên phía đỉnh đám mây, và các hạt mưa đá mềm sẽ lơ lửng hoặc đi xuống phần phía dưới. Kết quả là trong đám mây dông sẽ phân li thành hai miền điện tích trái dấu: Miền điện tích âm ở phía dưới và miền điện tích dương ở phía trên (xem H2.). Do tác động của chuyển động không khí đi lên trong cơn bão và gió trên cao trong khí quyển, đỉnh đám mây nơi có điện tích dương thường bị tản ra theo phương ngang một khoảng xa đáng kể so với chân đám mây. Khu vực này của đám mây dông vì thế trông giống hình cái đe và được gọi là vùng (đỉnh) hình đe hoặc vùng chóp đe.[12]
Trong đám mây còn có thể xảy ra sự tái phân bố điện tích do các loại chuyển động không khí khác. Ngoài ra còn có một khu vực điện tích dương mỏng hơn phía gần đáy của đám mây (xem H2.), hình thành do mưa và nhiệt độ ấm hơn gần mặt đất.[12]
Để hiểu được tia sét hình thành từ đâu, trước tiên ta phải tìm hiểu giai đoạn sơ khai của chúng: dưới dạng các luồng dẫn sét. Các luồng dẫn (hay kênh dẫn sét) là các kênh ion trong không khí và là cơ chế chính của sự hình thành các tia sét. Chưa thể có tia sét (phóng điện) nếu chưa có kênh dẫn mở con đường cho nó đi theo và đánh xuống.
Sự phóng điện xảy ra khi điện trường giữa đám mây và mặt đất đủ mạnh. Sét thường đánh vào những chỗ nhô cao.Các điều kiện cần để bắt đầu xảy ra sự phóng điện trong không khí bao gồm: thứ nhất, phải tồn tại hiệu điện thế cao (ngưỡng vài triệu volt) giữa các khu vực trong không gian để tạo ra điện trường đủ mạnh để làm ion hóa không khí và góp phần hình thành các luồng dẫn; thứ hai là phải có môi trường trở kháng cao ngăn cản sự trung hòa tự nhiên giữa các điện tích trái dấu - trong trường hợp sét nó là bầu khí quyển. Điện trường được sinh ra giữa các khu vực mang điện tích trái dấu, cường độ của điện trường tăng khi lượng (hay mật độ) điện tích tăng, chiều của điện trường từ bản dương là mặt đất lên bản âm là chân đám mây.
Hai miền điện tích khác dấu của đám mây dông có thể coi như là hai bản của một tụ điện không khí khổng lồ. Giữa phần chân đám mây dông mang điện âm và mặt đất tích điện dương (do sự hưởng ứng tĩnh điện) cũng là một tụ điện với không khí đóng vai trò như chất điện môi giữa 2 bản tụ. Tia sét là sự phóng điện - dưới dạng một tia lửa điện khổng lồ, sẽ bắt đầu xảy ra dưới hình thức luồng dẫn, khi hiệu điện thế giữa 2 bản được nâng dần tới mức đủ lớn để "đánh thủng" điện môi không khí. Người ta hiểu được rằng có sự phân tách và tái hợp điện tích giữa các miền đám mây, nhưng chi tiết các quá trình thì vẫn chưa rõ.[13]
Một lượng điện tích tương đương trái dấu (dương) với điện tích của đám mây sẽ được tích trên mặt đất do sự hưởng ứng tĩnh điện. Lượng điện tích đo tại một điểm cố định trên mặt đất sẽ tăng dần khi đám mây dông tiến gần nơi đó, và giảm đi khi đám mây đi qua. Giá trị của điện tích mặt đất theo vị trí tương đối của đám mây có thể được biểu diễn gần đúng bằng một đường cong hình chuông.
Sét đánh khi có sự tiếp xúc của hai luồng dẫn dương (tô màu xanh, đi lên từ mặt đất) và âm (tô màu đỏ, đi xuống từ mây).Luồng dẫn sét, còn được gọi là kênh dẫn, dòng dẫn, sét tiên đạo (leader) là một kênh khí bị ion hóa nóng theo hai chiều, được hình thành giữa các khu vực tích điện trái dấu. Kênh sét thường lan truyền trong không khí theo hai chiều ngược nhau ở hai đầu kênh, chừng nào chưa gặp và kết nối với vùng tích điện khác dấu với đầu kênh tới. Chẳng hạn đầu âm của kênh dẫn sét sẽ kết nối với vùng mang điện dương trong đám mây trong khi đầu dương của kênh sẽ tới gắn vào vùng mang điện âm. Các luồng dẫn thường không trơn mà bị tách thành nhánh như cành cây, do trong khi lan truyền luồng dẫn cùng một lúc bị thu hút bởi nhiều vùng điện tích ngược dấu với nó.[14] Sự di chuyển của các luồng mở đường không liên tục mà gấp khúc theo từng bậc bước do đó chúng có tên gọi "luồng dẫn bước" (step leader), như quan sát thấy trong các video quay chậm tia chớp. Chưa thể có tia sét hình thành nếu chưa có kênh dẫn mở con đường cho nó đánh xuống.
Một đầu kênh dẫn có thể tới lấp đầy khu vực điện tích trái dấu tương ứng trong khi đầu kia vẫn còn hoạt động. Chẳng hạn, trong một tia sét đánh xuống đất, một kênh dẫn hai hướng được hình thành giữa các vùng điện tích âm chính (phần dưới mây) và vùng điện tích dương mỏng phía đáy của đám mây. Đầu kênh dẫn âm sẽ nhanh chóng hoàn toàn lấp đầy vùng điện tích dương mỏng và tiếp tục lan truyền ra ngoài đám mây trong không khí tới mặt đất (nơi mang điện tích hưởng ứng).
Các luồng dẫn âm và dương trong cơn dông di chuyển theo hai hướng ngược nhau: Luồng dẫn dương di chuyển lên trên về phía đám mây theo chiều điện trường, trong khi luồng dẫn âm di chuyển ngược chiều điện trường xuống mặt đất. Mỗi luồng dẫn trong khi di chuyển sẽ tiếp tục thu nhận thêm ion ở phía đỉnh luồng và tại đó có thể xuất hiện các nhánh luồng mới, cứ như thế một luồng dẫn vừa lan truyền vừa phân ra nhiều nhánh và nhánh con. Gần 90% các kênh ion có chiều dài giữa các vùng vào khoảng 45 m (148 ft). Các kênh dẫn phát sáng nhưng không rõ rệt bằng tia sét sinh ra sau đó, và lan truyền với tốc độ chậm hơn rất nhiều (chậm hơn khoảng 1000 lần). Bản chất của nguyên nhân hình thành các kênh sét vẫn chưa được hiểu rõ. Điện trường trong đám mây dường như chưa đủ để tự nó sinh ra kênh dẫn.[15] Một giả thuyết gần đây cho rằng có các dòng electron tương đối tính có nguồn gốc từ tia vũ trụ hoặc từ trên tầng điện ly tới va chạm với các phân tử không khí, gây ra sự lan truyền thác lũ và kích hoạt sự hình thành kênh ion sét, trong một quá trình gọi là runaway breakdown.[16]
Cường độ điện trường tăng lên khi luồng dẫn bước di chuyển xuống mặt đất. Theo nguyên lí phân bố điện tích của vật trong điện trường, điện tích ở các vật thể (mặt đất trong trường hợp này) thường tập trung tại những chỗ mũi nhọn và do đó điện trường nơi đó cũng mạnh. Vì thế trên mặt đất các ion mang điện tích dương bắt đầu tập hợp lại, nhất là ở các chỗ nào đó cao (cây cối, cột hay các vật dựng đứng, các công trình cao...). Khi cường độ điện trường đủ mạnh, một kênh ion dương gọi là luồng đi lên (upward streamer) có thể phát triển từ những nơi này. Chúng sẽ phóng lên trên để nối vào luồng âm đang di chuyển xuống dưới. Chính việc này quyết định tia sét sẽ đánh vào đâu khi sét đánh xuống đất. Sự phóng điện sẽ xảy ra ngay khi có sự tiếp xúc giữa các luồng này. Lí thuyết này được đề xuất đầu tiên bởi Heinz Kasemir.[15]
Vì có rất nhiều luồng ion dương hình thành khi luồng dẫn âm tiến xuống, luồng nào nối được vào luồng dẫn âm sẽ dẫn cả tia sét vào chỗ mà nó phóng ra. Có thể hình dung luồng ion dương giống như một dây câu sét mà nơi nó xuất phát là cần câu; vì thế nơi xuất phát nào ở vị trí cao hơn thì xác suất nối được vào luồng ion âm trước sẽ cao vì thế sét thường hay đánh vào những nơi nhô cao và đứng độc lập.
Hình thức phóng điện mà tia sét thường xuất hiện nhất là dưới dạng vệt sét (stroke), tức kênh plasma phát sáng. Tia sét chẳng là gì khác ngoài việc trao đổi các hạt (ion dương và âm, electron) để cân bằng lại điện tích giữa các vùng trong khí quyển hoặc giữa khí quyển và mặt đất và khi thực hiện việc đó nó tạo ra một vệt sét.
Sự kết nối các kênh dẫn sẽ mở đường đi mà trên đó sự phóng điện xảy ra. Khi các kênh bước và kênh đi lên đã được kết nối với nhau và bắc cầu khoảng cách trong không khí giữa lượng dư điện tích âm trong đám mây và lượng dư điện tích mặt đất dương bên dưới, sẽ có sự sụt giảm rất đáng kể của điện trở không khí dọc theo kênh sét (môi trường không khí bị đánh thủng sơ bộ). Sét sẽ bắt đầu hình thành theo đường đi mới tạo ra này và khi đó các điện tích âm bắt đầu tràn nhanh xuống mặt đất. Các electron tăng tốc nhanh chóng tại một vùng xuất phát từ điểm mà tại đó các kênh ion gắn kết, sau đó vùng này lan ngược ra toàn bộ kênh với tốc độ nhanh gần ánh sáng. Một kênh plasma, hay chính là tia sét được hình thành.
Hình ảnh tốc độ cao cho thấy từng phần khác nhau của tia chớp trong quá trình phóng điện giữa các đám mây, quay tại Toulouse, Pháp.Quá trình này chính là sự tạo thành cái gọi là "vệt sét phản hồi" (return stroke) đầu tiên. Đây là giai đoạn phát sáng mạnh mẽ nhất và rõ rệt nhất của sự phóng điện. Vệt phản hồi cũng chính là hình ảnh mà người ta thường nghĩ tới khi nhắc đến tia sét hay ánh chớp.
Một dòng điện cường độ rất lớn chạy dọc theo kênh plasma từ đám mây xuống mặt đất, làm trung hòa điện tích mặt đất dương khi các electron phóng ra từ điểm xảy ra sét trên mặt đất đến các khu vực xung quanh, khi đó ta nói có sét đánh. Dòng điện cực lớn này tạo ra sự chênh lệch điện áp xuyên tâm lớn dọc theo bề mặt của mặt đất. Sự chênh lệch điện áp hay "điện thế bước" này gây ra hiện tượng thường gọi là "sét đánh tạt ngang", là nguyên nhân của nhiều trường hợp thương vong do sét hơn là chính sự đánh thẳng xuống.[17] Dòng điện chọn tất cả mọi đường đi điện trở thấp đối với chúng. Vì thế một phần dòng điện từ vệt phản hồi khi đi vào cơ thể người hoặc động vật (không may đứng gần điểm đánh) thường sẽ đi từ một chân sang chân kia và dần gây tê liệt cơ thể.[18] Trên mặt đất nơi sét đánh hoặc trên bề mặt và bên trong các vật thể bị sét đánh, dòng điện có thể để lại những dấu vết hình cành cây giống tia sét (còn gọi là hình Lichtenberg).
Tốc độ dòng lan truyền trong không khí của vệt sét phản hồi được tính khoảng gần 100,000 km/s (xấp xỉ 1/3 tốc độ ánh sáng trong chân không).[1] Dòng điện cực lớn nhanh chóng hâm nóng toàn bộ kênh sét, tạo nên kênh plasma với nhiệt độ bên trong rất cao, tới khoảng 50,000 K- làm cho nó phát sáng mạnh mẽ với màu xanh-trắng đặc trưng. Sự hâm nóng không khí gần như tức thì khiến cho không khí giãn nở mạnh, tạo thành sóng xung kích mà âm thanh nghe được gọi là tiếng sấm. Dòng điện thay đổi nhanh chóng cũng tạo ra các xung điện từ (EMP) tỏa ra từ kênh ion. Đây là tính chất chung của mọi quá trình phóng điện.
Các máy quay tốc độ cực cao đã chỉ ra rằng sét trên thực tế là gồm nhiều vệt (lần đánh) trên cùng một đường đi. Trung bình một tia sét có 3 đến 4 vệt sét hay có thể hơn (có thể nhiều đến 30).[19] Mỗi khi sét hình thành một vệt phản hồi đầu tiên, một vệt khác sẽ xuất hiện chạy lại cùng đường đi của nó trong khoảng 40 đến 50 milli giây và thực hiện lặp đi lặp lại nhiều lần như thế tạo ra các vệt tiếp theo với hiệu ứng ánh sáng nhấp nháy rất nhanh, mắt thường không thể nhìn thấy, thông thường chỉ có thể thấy nó ngày càng sáng hơn trước khi biến mất.[20]
Thường thì sau khi vệt sét phản hồi đầu tiên hình thành, cân bằng điện tích chưa đạt được ngay, thường một lượng điện tích âm vẫn còn dư. Lí do là, sau khi các kênh kết nối tạo vệt đầu tiên, kênh đi lên dương thường triệt tiêu nhanh hơn kênh âm, như vậy khiến cho đám mây còn một lượng dư điện tích âm (chưa xuống hết). Sau khi kênh dẫn dương đã tiêu tan, đầu kênh âm tiếp tục quá trình ion hóa không khí và một kênh ion hai hướng bắt đầu hình thành tại chỗ có kênh dương triệt tiêu. Khi kênh ion này kết nối được vào một phần khí dẫn điện của hệ thống kênh cũ, nó sẽ kích thích cả hệ thống tái ion hoá. Một quá trình giống vệt sét phản hồi sẽ lại xảy ra. Các electron (hay điện tích âm) dư sẽ vẫn cứ theo hệ thống kênh ion đó tràn xuống từ đám mây. Luồng điện tích âm bây giờ gọi là "luồng phi tiêu" (dart leader), lan truyền dọc theo hệ thống kênh sét và tạo ra vệt sét thứ hai. Cứ như vậy các vệt sét tiếp sau sinh ra sẽ tận dụng con đường cũ và tiếp tục nhiệm vụ trao đổi điện tích tới khi có sự cân bằng. Các luồng phi tiêu thường không tồn tại lâu, vì thế cần nhiều luồng và vệt thứ phát. Cứ sau mỗi lần trao đổi điện tích thì lần sau lại yếu hơn lần trước đến khi luồng trao đổi này mất hẳn. Các tiếng sét cũng được tạo ra khi thực hiện việc trao đổi điện tích này.[21]
Sự phóng điện của tia sét có thể sản sinh nhiều loại bức xạ điện từ, từ các dòng plasma rất nóng tạo ra bởi các chuyển động rất nhanh của electron cho đến những ánh chớp rực rỡ của ánh sáng nhìn thấy dưới dạng bức xạ vật đen. Độ chói của sét rất lớn (có thể thắp sáng cả bầu trời đêm). Thời lượng trung bình của toàn bộ các quá trình sét là 0.2 giây, bao gồm một số lần chớp (vệt) ngắn hơn, khoảng 60 tới 70 mili giây.[22]
Cường độ dòng điện sinh ra khi có một tia sét từ mây xuống đất (CG) đánh xuống tăng tới mức cực đại rất nhanh chóng, trong khoảng 1-10 micro giây, và tắt dần trong khoảng lâu hơn trong 50-200 micro giây. Do tính chất thoáng qua rất nhanh của dòng điện trong một tia chớp, có một số hiện tượng cần được tính toán và giải quyết trong việc bảo vệ hiệu quả các cấu trúc trên mặt đất khỏi sét. Những dòng điện thay đổi nhanh chóng có xu hướng truyền ngay trên bề mặt của một vật dẫn (hiện tượng này gọi là hiệu ứng bề mặt), và không giống như dòng điện không đổi thường truyền qua toàn bộ khối vật dẫn như nước chảy bên trong một ống vòi. Vì vậy, những vật dẫn sét bảo vệ các công trình thường có cấu trúc đa sợi, với nhiều dây dẫn đan xen nhau. Điều này nhằm làm tăng tổng diện tích bề mặt của bó dây dẫn theo tỉ lệ nghịch với đường kính thiết diện từng sợi dây, với một tổng diện tích thiết diện của toàn bó không đổi.[23]
Các xung điện từ tỏa ra từ kênh sét suy yếu nhanh theo khoảng cách so với điểm gốc. Tuy nhiên, nếu chúng đi qua các phần tử dẫn điện trên mặt đất, ví dụ như đường dây điện, đường dây liên lạc, hoặc các ống kim loại... chúng có thể lập tức gây ra một dòng điện cảm ứng ở các vật này, và được truyền đi hết. Những dòng tăng đột ngột này, thường gọi là dòng xung, có cường độ tỉ lệ nghịch với trở kháng đối với nó của vật thể. Vì thế, trở kháng của vật càng cao thì dòng điện xung càng nhỏ. Sự tăng áp đột ngột xảy ra này rất thường xuyên phá hủy hoặc gây hư hỏng các thiết bị điện tử, điện dân dụng, hoặc các động cơ điện. Một số thiết bị đặc biệt gọi là "thiết bị bảo vệ chống xung áp" (surge protector - SPD), hay "thiết bị ức chế tăng áp tức thời" (transient voltage surge suppressor - TVSS) khi được mắc song song với đường dây điện có thể phát hiện được dòng điện thoáng qua bất thường của tia chớp; và bằng cách thay đổi một số tính chất dẫn điện của chúng, các thiết bị này có thể chuyển hướng xung xuống chỗ nối đất được gắn vào, nhờ đó bảo vệ được các thiết bị điện tử khỏi hư hỏng.
Trên đây đã trình bày những lí thuyết đã biết về nguyên nhân và cơ chế hình thành tia sét. Phần tiếp theo sẽ nói đến các loại tia sét trong tự nhiên.
Thực đơn
Tia_sétLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: Tia_sét