Cuộc Ghi Hình Chi Tiết Cuối Cùng Tiết Lộ Nguyên Nhân Gì Gây Ra Sét Đánh

Buzz

Nội dung bài viết

More Great Mytour Stories

Xem thêm

Đọc tóm tắt

- Vào mùa hè năm 2018, một tia chớp đặc biệt đã được ghi nhận bởi mạng radio quan sát LOFAR ở Hà Lan, tiết lộ rằng sét bắt đầu bên trong đám mây sấm sét.
- Nghiên cứu mới sử dụng dữ liệu từ LOFAR để giải thích cơ chế kích thích sét, cho thấy rằng các tinh thể băng trong đám mây có thể tạo ra sét, thay vì tia vũ trụ.
- LOFAR cung cấp hình ảnh độ phân giải cao về sét, giúp hiểu rõ hơn về quá trình khởi đầu của sét và vai trò của tinh thể băng.
- Kết quả này có thể làm sáng tỏ nhiều bí ẩn về sét và cải thiện mô hình dự đoán của chúng ta về hiện tượng này.

Trong một cơn bão mùa hè năm 2018, một tia chớp đặc biệt đã xuất hiện trên một mạng lưới radio quan sát ở Hà Lan. Những bản ghi chi tiết của các kính thiên văn, được xử lý chỉ gần đây, tiết lộ điều chưa từng ai thấy: sét thực sự bắt đầu bên trong một đám mây sấm sét.

Trong một bài báo mới sẽ sớm được xuất bản trên tạp chí Geophysical Research Letters, các nhà nghiên cứu sử dụng những quan sát để giải quyết cuộc tranh luận lâu dài về điều gì kích thích sét đánh—bước đầu tiên trong quá trình bí ẩn mà trong đó những cú sét xuất hiện, phát triển và truyền ra đất. “Hơi ngượng ngùng. Đây là quá trình năng lượng cao nhất trên hành tinh, chúng ta có tôn giáo tập trung vào thứ này, và chúng ta không có ý tưởng nó hoạt động như thế nào,” nói Brian Hare, một nhà nghiên cứu về sét đánh tại Đại học Groningen và là một trong những tác giả của bài báo mới.

Bức tranh trong sách giáo trình là rằng, bên trong một đám mây sấm sét, mưa đá rơi khi các hạt băng nhẹ hơn nổi lên. Mưa đá tróc ra các electron mang điện tiêu cực của các hạt băng, làm cho phía trên của đám mây trở nên tích điện dương trong khi phía dưới trở nên tích điện âm. Điều này tạo ra một trường điện phát triển cho đến khi một tia chớp khổng lồ nhảy qua bầu trời.

Tuy nhiên, trường điện bên trong đám mây yếu khoảng 10 lần so với mức độ đủ mạnh để tạo ra tia chớp. “Những người đã gửi các quả bóng, tên lửa và máy bay vào trong bão từ nhiều thập kỷ trước đến nay chưa bao giờ thấy trường điện nào đủ lớn,” nói Joseph Dwyer, một nhà vật lý tại Đại học New Hampshire và là một trong những tác giả của bài báo mới, đã băn khoăn về nguồn gốc của sét trong hơn hai thập kỷ. “Điều này đã là một bí ẩn thực sự làm sao nó bắt đầu.”

Một rào cản lớn là đám mây là mờ; thậm chí máy ảnh tốt nhất cũng không thể nhìn vào bên trong để nhìn thấy thời điểm bắt đầu. Cho đến gần đây, điều này khiến cho các nhà khoa học không có lựa chọn nào khác ngoại trừ việc liều mình vào trong cơn bão—một điều mà họ đã cố gắng thực hiện từ thí nghiệm cây dù nổi tiếng của Benjamin Franklin năm 1752. (Theo một bản kể đương thời, Franklin đính một chiếc chìa khóa vào một chiếc diều và bay nó dưới một đám mây sấm sét, quan sát thấy rằng diều trở nên điện.) Gần đây hơn, các quả bóng thời tiết và tên lửa đã cung cấp những bức tranh về bên trong, nhưng sự hiện diện của chúng thường làm nhiễm loạn dữ liệu bằng cách tạo ra những tia chớp nhân tạo mà không tự nhiên xảy ra. “Trong một thời gian dài, chúng ta thực sự không biết điều kiện bên trong một cơn bão tại thời điểm và vị trí mà sét bắt đầu,” nói Dwyer.

Vì vậy, Dwyer và đội ngũ của anh đã quay về Low Frequency Array (LOFAR), một hệ thống của hàng nghìn kính thiên văn radio nhỏ chủ yếu ở Hà Lan. LOFAR thường ngắm nhìn các dải ngân hà xa xôi và những ngôi sao nổ tung. Nhưng theo Dwyer, “nó chỉ tình cờ làm việc rất tốt để đo lường sét đánh, nữa.”

Khi cơn bão sấm sét tràn qua đầu, LOFAR chỉ có ít nhiệt độ thiện chiến hữu ích. Thay vào đó, kính thiên văn điều chỉnh ăng-ten của mình để phát hiện một loạt khoảng một triệu xung radio hoặc nhiều phát ra từ mỗi tia chớp. Khác với ánh sáng nhìn thấy, xung radio có thể đi qua đám mây dày.

Việc sử dụng bộ cảm biến radio để ánh xạ sét đánh không mới; các ăng-ten radio được xây dựng đặc biệt đã lâu đã quan sát bão ở New Mexico. Nhưng những hình ảnh đó có độ phân giải thấp hoặc chỉ ở hai chiều. LOFAR, một kính thiên văn hiện đại, có thể ánh xạ sét đánh trên một tỷ lệ mét theo chiều dọc, và với tốc độ khung hình nhanh gấp 200 lần so với các công cụ trước đó có thể đạt được. “Các đo lường của LOFAR đang cung cấp cho chúng tôi bức tranh đầu tiên thực sự rõ ràng về điều gì đang xảy ra bên trong cơn bão,” nói Dwyer.

Một tia chớp sét đánh hình thành tạo ra hàng triệu xung radio. Để tái tạo hình ảnh sét 3D từ dữ liệu lộn xộn, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một thuật toán tương tự như một trong những thuật toán được sử dụng trong các lần hạ cánh mặt trăng Apollo. Thuật toán liên tục cập nhật những gì được biết về vị trí của một đối tượng. Trong khi một ăng-ten radio đơn chỉ có thể chỉ ra hướng gần đúng của tia chớp, thêm dữ liệu từ một ăng-ten thứ hai cập nhật vị trí. Bằng cách liên tục đưa vào hàng nghìn ăng-ten của LOFAR, thuật toán xây dựng một bản đồ rõ ràng.

Khi những nhà nghiên cứu phân tích dữ liệu từ tia chớp sét tháng 8 năm 2018, họ nhìn thấy rằng các xung radio đều phát ra từ một vùng rộng 70 mét sâu bên trong đám mây bão. Họ nhanh chóng suy luận rằng mô hình xung hỗ trợ một trong hai lý thuyết hàng đầu về cách sét loại phổ biến nhất bắt đầu.

Một ý tưởng nói rằng tia vũ trụ—những hạt từ không gian bên ngoài—va chạm với electron bên trong cơn bão sấm sét, kích thích lavan electron làm tăng cường trường điện.

Các quan sát mới chỉ đến lý thuyết đối thủ. Nó bắt đầu từ các cụm tinh thể băng trong đám mây. Những va chạm hỗn loạn giữa các tinh thể hình kim cưa tách ra một số electron, để lại một đầu của mỗi tinh thể băng mang điện tích dương và đầu kia mang điện tích âm. Đầu tích điện dương thu hút electron từ các phân tử không khí lân cận. Nhiều electron chảy từ các phân tử không khí ở xa hơn, tạo thành dải không khí ion hóa mà kéo dài từ đầu mỗi tinh thể băng. Những dải này được gọi là streamers.

Mỗi đầu tinh thể tạo ra đám đông streamers, với từng streamer phân nhánh lại lần nữa. Các streamer làm nóng không khí xung quanh, kéo electron từ phân tử không khí hàng loạt để tạo ra một dòng lớn chảy vào các tinh thể băng. Cuối cùng, một streamer trở nên đủ nóng và dẫn điện để biến thành leader—một kênh theo đó một vạch sáng đầy đủ của sét có thể bất ngờ di chuyển.

“Đây là điều chúng tôi đang nhìn thấy,” nói Christopher Sterpka, tác giả chính của bài báo mới. Trong một bộ phim hiển thị sự bắt đầu của tia chớp mà các nhà nghiên cứu làm từ dữ liệu, các xung radio tăng một cách mũi dốc, có lẽ do cơn mưa của streamers. “Sau khi lavan dừng lại, chúng tôi thấy một leader sét gần đó,” anh ấy nói. Trong những tháng gần đây, Sterpka đã biên soạn thêm nhiều bộ phim khởi đầu sét đánh giống như bức đầu tiên.

Vai trò chủ chốt của tinh thể băng liên kết với những phát hiện gần đây cho thấy hoạt động sét giảm hơn 10% trong ba tháng đầu tiên của đại dịch Covid-19. Các nhà nghiên cứu quyết định giảm này là do các biện pháp phong tỏa, dẫn đến ít chất gây ô nhiễm trong không khí, và do đó ít điểm hạt nhân cho tinh thể băng.

“Những bước mà LOFAR đã đặt ra chắc chắn rất quan trọng,” nói Ute Ebert, một nhà vật lý tại Viện Nghiên cứu Quốc gia về Toán học và Khoa học Máy tính và Đại học Công nghệ Eindhoven ở Hà Lan, nghiên cứu về sự bắt đầu của sét nhưng không tham gia vào công việc mới. Cô nói rằng bộ phim khởi đầu của LOFAR cung cấp một khung nhìn để xây dựng mô hình sét chính xác và mô phỏng, cho đến nay đã bị hạn chế bởi thiếu dữ liệu có độ phân giải cao.

Tuy nhiên, Ebert lưu ý rằng mặc dù có độ phân giải, bộ phim khởi đầu mô tả trong bài báo mới không trực tiếp hình ảnh các hạt băng ion hóa không khí—nó chỉ hiển thị điều gì xảy ra ngay sau đó. “Nguyên tử điện tử đầu tiên đến từ đâu? Làm thế nào sự xảy ra gần một hạt băng?” cô hỏi. Ít nhất có ít nghiên cứu viên vẫn ưa chuộng lý thuyết đối thủ rằng tia vũ trụ trực tiếp khởi đầu sét, nhưng tia vũ trụ vẫn có thể đóng vai trò phụ trợ trong việc tạo ra electron kích thích streamers đầu tiên kết nối với tinh thể băng, nói Ebert. Cách chính xác làm thế nào streamers biến thành leader cũng là một “vấn đề lớn” nói Hare.

Dwyer hy vọng rằng LOFAR sẽ có khả năng giải quyết những quy trình có tỷ lệ mili mét này. “Chúng tôi đang cố nhìn thấy những tia lửa nhỏ đầu tiên đến từ [tinh thể băng] để bắt lấy hành động khởi đầu ngay từ đầu,” ông nói.

Khởi đầu chỉ là bước đầu tiên trong nhiều bước phức tạp mà sét thực hiện trên đường đi của nó đến mặt đất. “Chúng tôi không biết nó làm thế nào lan truyền và phát triển,” nói Hare. “Chúng tôi không biết làm thế nào nó kết nối với mặt đất.” Các nhà khoa học hy vọng sẽ đồng bộ toàn bộ chuỗi với mạng LOFAR. “Đó là một khả năng hoàn toàn mới, và tôi nghĩ rằng nó sẽ tăng cường sự hiểu biết của chúng ta về sét một cách đột phá,” nói Julia Tilles, một nhà nghiên cứu về sét tại Viện Nghiên cứu Quốc gia Sandia ở New Mexico.

Original story reprinted with permission from Quanta Magazine, an editorially independent publication of the Simons Foundation whose mission is to enhance public understanding of science by covering research developments and trends in mathematics and the physical and life sciences.

Các câu hỏi thường gặp

Sét bắt đầu như thế nào trong một cơn bão sấm sét?

Sét bắt đầu bên trong một đám mây sấm sét khi các tinh thể băng va chạm với nhau, tạo ra các electron và làm phát triển trường điện. Quá trình này diễn ra khi các electron tách ra từ tinh thể băng, dẫn đến hình thành các streamers.

Tại sao việc nghiên cứu sét lại quan trọng cho khoa học?

Nghiên cứu sét rất quan trọng vì nó giúp chúng ta hiểu rõ hơn về hiện tượng tự nhiên cực đoan này, từ đó phát triển các mô hình dự đoán chính xác hơn về thời tiết và giảm thiểu thiệt hại do sét gây ra.

Hệ thống LOFAR đã đóng góp gì trong nghiên cứu sét?

Hệ thống LOFAR cung cấp dữ liệu có độ phân giải cao về sự hình thành sét, cho phép các nhà nghiên cứu ánh xạ quá trình bắt đầu của sét và hiểu rõ hơn về cơ chế điện bên trong cơn bão.

Các nhà khoa học đã sử dụng công nghệ gì để quan sát sét?

Các nhà khoa học đã sử dụng kính thiên văn radio LOFAR để quan sát các tia chớp, cho phép họ đo lường hàng triệu xung radio phát ra từ mỗi tia chớp, tạo ra hình ảnh rõ ràng về sự bắt đầu của sét.

Những lý thuyết nào được đề xuất về nguồn gốc của sét?

Hai lý thuyết chính về nguồn gốc của sét gồm: tia vũ trụ va chạm với electron trong cơn bão, và sự tách electron từ các tinh thể băng do va chạm, tạo ra các streamers dẫn đến sự hình thành sét.

Nội dung từ Mytour nhằm chăm sóc khách hàng và khuyến khích du lịch, chúng tôi không chịu trách nhiệm và không áp dụng cho mục đích khác.

Nếu bài viết sai sót hoặc không phù hợp, vui lòng liên hệ qua email: [email protected]