Âm thanh sấm

Sấm hay sấm sét là âm thanh được tạo ra bởi tia sét và là một hiện tượng thiên nhiên thú vị. Âm thanh này có thể thay đổi từ một tiếng nổ lớn đột ngột đến một tràng âm trầm kéo dài, tùy thuộc vào khoảng cách và bản chất của tia chớp. Sự tăng đột ngột về áp suất và nhiệt độ từ sét dẫn đến sự giãn nở nhanh chóng trong không khí, tạo ra sóng xung kích âm thanh, hiện tượng này được biết đến với tên gọi 'tiếng sấm đùng đùng'. Âm thanh sấm thường đến tai người quan sát sau khi ánh sáng của tia chớp lóe lên. Ngành khoa học chuyên nghiên cứu về sấm được gọi là brontology.

Nguyên nhân của sấm

Trong suốt nhiều thế kỷ, nguyên nhân của sấm sét đã là một chủ đề thú vị cho sự suy đoán và nghiên cứu khoa học. Vào thời kỳ cổ đại, người ta tin rằng hiện tượng này do các vị thần gây ra, nhưng đến thời Hy Lạp cổ, các triết gia đã bắt đầu đưa ra những lý giải tự nhiên, chẳng hạn như tiếng động phát ra khi gió va chạm với các đám mây (Anaximander, Aristotle) hoặc chuyển động mạnh của không khí bên trong những đám mây (Democritus). Triết gia La Mã Lucretius còn cho rằng đó là âm thanh của mưa đá va chạm trong các đám mây.

Đến giữa thế kỷ 19, lý thuyết phổ biến lúc bấy giờ cho rằng tia sét tạo ra một môi trường chân không, và khi chân không này sụp đổ thì tiếng sấm sẽ phát ra.

Chỉ đến thế kỷ 20, quan điểm đồng thuận mới bắt đầu được hình thành, cho rằng sấm khởi nguồn từ sóng xung kích trong không khí. Sét được hiểu là sự phóng điện hoặc sự di chuyển nhanh chóng của các điện tử, khiến không khí nóng lên và tạo ra plasma giãn nở trong kênh sét. Nhiệt độ plasma bên trong kênh sét, được phân tích quang phổ, thay đổi trong thời gian tồn tại chỉ 50 μs, ban đầu tăng từ khoảng 20.000 K lên tới 30.000 K, sau đó giảm dần xuống còn 10.000 K. Nhiệt độ trung bình rơi vào khoảng 20.400 K (20.100 °C; 36.300 °F). Theo lý thuyết động học, không khí sẽ giãn nở mạnh mẽ do sự gia tăng nhiệt độ và áp suất diễn ra quá nhanh, tác động vào không khí mát hơn xung quanh tia sét với tốc độ nhanh hơn âm thanh. Sóng xung kích được tạo ra sẽ lan tỏa ra xung quanh, giống như sóng xung kích từ một vụ nổ hay khi máy bay bay nhanh hơn âm thanh, kèm theo tiếng động. Gần nguồn phát là tia sét, cường độ âm của tiếng sấm đạt khoảng 120 dB, trong khi áp suất âm có thể lên đến 165-180 dB, và trong một số trường hợp, có thể vượt quá 200 dB.

Vì có nhiều sóng chấn động được tạo ra liên tiếp khi sét xuất hiện, với nhiều tia sét trên cùng một đường đi, tiếng sấm không chỉ phát ra một lần mà sẽ rền vang trong một khoảng thời gian tùy thuộc vào chiều dài của sét và khoảng cách đến người nghe. Các đặc tính của sấm rất phức tạp, phụ thuộc vào hình học của sét như chiều dài, số lượng nhánh, số lượng các vệt sét trên cùng một đường đi và độ vọng âm thanh từ mặt đất. Nghiên cứu thực nghiệm mô phỏng sét đã cho thấy phần lớn phù hợp với mô hình này, mặc dù vẫn còn tranh cãi về cơ chế vật lý chính xác của quá trình. Một số nguyên nhân khác cũng đã được đề xuất, dựa trên hiệu ứng điện động lực học của dòng điện lớn tác động lên plasma trong tia sét.

Hậu quả của hiện tượng

Sóng xung kích từ sấm có thể gây ra tổn thương cho tài sản và gây thương tích, chẳng hạn như tạo ra bầm tím dưới da cho những người đứng gần tia sét. Tiếng sấm còn có khả năng làm thủng màng nhĩ của những người xung quanh, dẫn đến tình trạng suy giảm thính lực vĩnh viễn. Ngay cả khi không gây thủng màng nhĩ, tiếng sấm vẫn có thể khiến người khác bị điếc tạm thời.

Nhận thức và đo đạc khoảng cách

Khi tia chớp xuất hiện, một khoảng thời gian sau sẽ có tiếng sấm vang lên. Điều này xuất phát từ việc tốc độ âm thanh chậm hơn tốc độ ánh sáng khi truyền qua không khí từ nơi có sét đến chỗ quan sát (khác với tốc độ của chính tia sét khi nó hình thành từ đám mây, xấp xỉ 1/3 tốc độ ánh sáng). Nhờ vào sự khác biệt này, người ta có thể tính toán khoảng cách của tia chớp bằng cách đo thời gian giữa việc nhìn thấy tia chớp và nghe thấy tiếng sấm. Tốc độ âm thanh trong không khí khô khoảng 343 m/s hay 1127 ft/s hay 768 mph (1.236 km/h) ở 20 °C (68 °F). Tương ứng, khoảng 4 giây cho mỗi dặm (mile) (hay 3 giây/km). Tốc độ ánh sáng rất cao nên thường không được tính đến trong hiện tượng này vì khoảng cách mà ánh sáng đi được là khá ngắn. Đây là một phương pháp hữu ích; chỉ cần đếm số giây giữa việc thấy một tia chớp cụ thể và nghe thấy tiếng sấm của nó, chúng ta có thể sử dụng số giây đó để ước lượng khoảng cách của tia chớp và cơn dông để đảm bảo an toàn.

Một vệt chớp sáng rực kèm theo một tiếng sét nổ ngắn gần như ngay lập tức chỉ ra rằng sét đã đánh gần ngay vị trí của người quan sát.

Tiếng sấm phát ra từ sét đánh gần được mô tả một cách chi tiết đầu tiên với âm thanh như tiếng lách cách, giống như tiếng vải bị xé rách, tiếp theo là tiếng nổ lớn ngắn giống như tiếng đại bác, và cuối cùng là tiếng sấm rền rãnh kéo dài. Những âm thanh ban đầu của sấm phát ra từ các phần kênh dẫn của tia sét, sau đó từ các phần gần của vệt sét phản hồi sau khi hình thành, và cuối cùng là từ các phần xa hơn của vệt sét.

Các loại âm thanh sấm

Vavrek và các cộng sự đã chỉ ra rằng âm thanh của sấm được phân chia thành nhiều loại khác nhau dựa trên độ to, thời gian và âm vực của chúng. Tiếng sấm nổ (clap, crack) hay tiếng sét là những âm thanh rất to và ngắn, kéo dài từ 0,2 đến 2 giây với âm vực cao, phát ra từ các tia chớp CG đánh từ đám mây xuống đất ở khoảng cách gần. Hồi hay tràng sấm (peal) là các âm thanh thay đổi cả về độ cao và độ lớn. Tiếng sấm lăn (roll) là sự kết hợp không đồng đều giữa cường độ và âm vực. Tiếng sấm rền (rumble) có âm lượng nhỏ hơn, nhưng kéo dài lâu hơn (lên đến hơn 30 giây) và có âm vực thấp, thường phát ra từ các tia chớp ở xa hoặc từ các đám mây trên cao (CC và IC).

Sấm nghịch nhiệt xảy ra khi một tia sét CG được hình thành trong điều kiện nghịch nhiệt. Lúc này, âm thanh mà nó tạo ra có năng lượng âm cao hơn nhiều so với âm thanh ở cùng khoảng cách trong điều kiện không nghịch nhiệt. Trong tình huống nghịch nhiệt, lớp không khí gần mặt đất lạnh hơn không khí phía trên; nghịch nhiệt thường xảy ra khi một khối không khí nóng ẩm di chuyển qua một frông lạnh. Dưới điều kiện nghịch nhiệt, năng lượng âm thanh không còn phân tán theo chiều dọc (như thường thấy trong điều kiện bình thường), do đó năng lượng được tập trung ở lớp gần mặt đất.

Sét CG thường bao gồm hai hoặc nhiều hơn các vệt sét phản hồi từ mặt đất trở lại. Những vệt sét thứ phát này tạo ra năng lượng âm lớn hơn so với vệt sét chính.

• Sấm sét
• Sét nhiệt
• Giông bão
• Hình thái tia chớp
• Brontophobia (nỗi sợ tiếng sấm)
• Hiệu ứng âm thanh sấm Castle
• Danh sách các vị thần sấm sét
• Mistpouffers

Các liên kết bên ngoài

• Tài liệu liên quan đến Sấm sét trên Wikimedia Commons

• Khoa học về sấm sét Lưu trữ 2007-10-15 tại Wayback Machine
• Sấm sét: Một đứa con của tia chớp
• Wikibooks: Kỹ thuật âm thanh/Âm thanh sấm sét
• Bão: Âm thanh sấm sét trong âm thanh binaural