Thực hiện thí nghiệm với 300kg tro bụi có tuổi đời 13.000 năm, các nhà nghiên cứu khám phá nguyên nhân tạo ra sét trong núi lửa

Các nhà khoa học nghiên cứu về hiện tượng tự nhiên nguy hiểm nhất trên Trái Đất nhưng cũng mang vẻ đẹp đặc biệt.

Trên Trái Đất, không có hiện tượng nào kỳ diệu như sét núi lửa mà cũng nguy hiểm như thế: một cột khói lớn phun ra từ miệng một quả núi lớn, các hạt khói bụi núi lửa va chạm tạo ra tĩnh điện, tạo ra một cảnh tượng như trong câu chuyện cổ tích với rồng và phép màu.

Chúng ta quan tâm đến sét núi lửa, trong khi các nhà khoa học nhìn vào hiện tượng tự nhiên này với sự tò mò: làm thế nào sét núi lửa được hình thành? Dù họ hiểu vai trò của khói bụi, nhưng sự thật không phải lúc nào cũng đơn giản như vậy. Đó chính là lý do tại sao từ lâu, các nhà khoa học đã và đang cố gắng tạo ra sét núi lửa trong phòng thí nghiệm.

Thành công mới nhất có lẽ là bước tiến gần nhất đến thực tế. Trong nghiên cứu được đăng trên Geophysical Research Letters, các nhà khoa học cho biết họ đã thay đổi đặc tính của khói bụi núi lửa, việc thay đổi nhiệt độ và độ đặc của khói có thể quyết định sự thành bại của sét núi lửa.

Có vẻ như khói bụi khô chính là chìa khóa tạo ra kỳ quan tự nhiên này.

Thí nghiệm này không chỉ là để thỏa mãn sự tò mò và thử nghiệm tạo ra sét núi lửa cho vui: sét núi lửa là cách chúng ta có thể phát hiện núi lửa phun trào từ xa. Việc hiểu rõ hơn về cách sét núi lửa được hình thành giúp chúng ta xác định đợt phun trào đang diễn ra là loại nào, giảm thiểu gánh nặng của công tác giám sát và cứu hộ cho những cộng đồng sống dưới chân núi.

Sönke Stern, nhà nghiên cứu về sét núi lửa tại Đại học Ludwig Maximilian và cũng là tác giả chính của nghiên cứu mới, hiểu rõ về sự đóng góp của mình cho cộng đồng và khoa học. Tuy nhiên, ông cũng chia sẻ với Gizmodo rằng: “Nói thật đi, mỗi ngày ngồi xem đống đá nổ làm tôi thấy thích thú.”

Tương tự như sét trong mây giông, sét núi lửa cũng có một yếu tố quan trọng: phải có sự phân biệt rõ ràng giữa điện tích âm và dương. Khi không thể duy trì sự phân biệt này, tia sét sẽ xuất hiện, xé tan không khí cách điện.

Thành phần của cột khói của sét núi lửa cũng khác với mây thông thường: tro bụi núi lửa là nguyên liệu chính. “Chúng tôi rất chắc chắn rằng ma sát đã tạo ra điện tích,” Alexa Van Eaton, một nhà nghiên cứu núi lửa tại Viện Quan sát Núi lửa Cascades thuộc Viện Địa chất Hoa Kỳ nói.

Khi các hạt khói bụi va chạm với nhau, đó là một ví dụ cho sự tạo ra điện tích bằng ma sát - hay còn gọi là … điện ma sát. Các nhà nghiên cứu đã nhận ra điều này qua nghiên cứu thực địa, bởi chỉ khi thực hiện nghiên cứu trên thực địa, họ mới có thể thấy được hiện tượng mà họ đang cố gắng giải thích. Nhà nghiên cứu Cassandra Smith, cũng làm việc tại Viện Quan sát Núi lửa Cascades, chia sẻ với Gizmodo: “Nghiên cứu thực địa thật sự quan trọng.”

Đáng tiếc, “bạn không thể biết trước được những gì núi lửa sẽ làm,” cô Smith nói. Quá khó để quan sát hiện tượng sét núi lửa ngoài đời thực, vì bạn biết, xung quanh cơn bão sét là khói bụi nóng chảy từ một trong những môi trường khắc nghiệt nhất của Trái Đất. May mắn thay, chúng ta có phòng thí nghiệm để nghiên cứu.

Đại học Ludwig Maximilian là một trong số ít nơi có phòng thí nghiệm có khả năng tái tạo hiện tượng núi lửa phun trào một cách thực tế và chính xác nhất. Ngoài ra, họ còn có khả năng tạo ra sét trong phòng thí nghiệm. Tại phòng thí nghiệm, Corrado Cimarelli, chuyên gia núi lửa và cũng là tác giả chính của nghiên cứu mới, là người thường xuyên xuất hiện nhất.

Trong thí nghiệm mới nhất, họ sử dụng một thí nghiệm gọi là bom bụi: một khoang chứa khí argon nén và tro bụi sẽ nổ khi đạt đến áp suất nhất định, đẩy khí gas vào một khoang thép. Khói bụi sẽ phun ra với tốc độ cực cao, và từ đó sét núi lửa được hình thành. Nhờ vào nhiệt độ từ lò nung, tro bụi có thể đạt đến hơn 300 độ C.

Tro bụi thử nghiệm không phải từ bất kỳ nguồn cung cấp tro nào, mà là những gì còn sót lại từ một vụ phun trào của núi lửa Laacher See cách đây 13.000 năm. Nhóm nghiên cứu đã nhận được 300 kg tro bụi từ một công ty khai thác đá hoạt động gần khu vực núi lửa.

Nhóm nhà khoa học đã phát hiện rằng: ở nhiệt độ phòng, số lượng tia sét ít hơn nhưng lớn hơn; khi nhiệt độ tăng lên, cường độ sét giảm nhưng tần suất xuất hiện tăng. Mặc dù họ hiểu tác động của nhiệt độ, nhưng họ chưa hiểu rõ quy luật hình thành sét và các yếu tố khác tham gia vào quá trình này.

Tác động của nước trở nên rõ ràng hơn: nếu tro bụi hơi ẩm, khả năng tĩnh điện giảm và không gây ra sét. Họ vẫn còn băn khoăn về lý do cho hiện tượng này.

Sau vài lần thử nghiệm, nhóm nghiên cứu phát hiện rằng hơi nước phóng ra nhanh hơn khí argon, tạo ra vụ nổ lớn hơn và làm tăng kích thước của đám tro bụi, ngăn chặn khả năng ma sát và tạo ra tĩnh điện. Vì vậy, tro bụi khô càng nhiều, sét núi lửa càng nhiều.

Ngoài thực tế, vẫn chưa có đủ tư liệu để chỉ ra rằng tro ẩm tạo ra ít sét hơn. Mặc dù chưa rõ lý do, nhưng một sự thực là: nếu nước được thêm vào magma nóng, vụ nổ sẽ mạnh hơn rất nhiều. Sự khác biệt giữa “nước magma” và “nước tro bụi” vẫn chưa rõ, nhưng khi magma ẩm, tro bụi ít va chạm với nhau và không tạo điện.

Tuy nhiên, tro bụi khô lại tạo điện dễ dàng hơn. Theo nhà nghiên cứu Stern, tro bụi đã là chất cách điện kém, do đó, các hạt bụi tách rời nhau và giữ lấy điện tích của mình, chỉ khi va chạm và tạo sét thì mới phóng điện.

Những kết quả từ thử nghiệm giúp khoa học hiểu rõ hơn về cách sét núi lửa hình thành. Tuy nhiên, nhà nghiên cứu Smith cũng nói rằng rất khó để phân biệt từng yếu tố ảnh hưởng đến sét núi lửa, ngay cả trong điều kiện thí nghiệm được kiểm soát cẩn thận. Điều này có nghĩa là không thể (hoặc ít nhất là chưa thể) chỉ ra yếu tố nào tạo ra sét núi lửa.

Thí nghiệm mới chỉ tập trung vào phần dưới của cột khói. Khi tro bụi núi lửa bay cao hơn, thì các hạt băng mới gây ra sét núi lửa. “Khu vực trên cao là một vương quốc tĩnh điện tro bụi núi lửa hoàn toàn mới, chưa được ai khám phá,” nhà nghiên cứu sét Van Eaton nói.

Vệ tinh quan sát núi lửa thường gặp khó khăn do bị mây che khuất. Ngoài việc dựa vào sét núi lửa để phân tích, không có cách nào khác để nhận biết khối tro bụi phát ra từ một vụ phun trào núi lửa. Khói bụi từ một cơn “mê đắm” có thể gây ra nguy hiểm cho máy bay, nhà cửa, ô nhiễm nguồn nước và ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, vì vậy hiểu rõ về tính chất của tro bụi sẽ rất quan trọng.

Hiểu biết sâu hơn về tro bụi (qua việc quan sát và phân tích sét núi lửa tạo ra từ khối tro bụi lớn), sẽ giúp chúng ta hiểu được nguyên nhân gây ra sự chết người của khói độc này.

Nhưng việc nhận ra tầm quan trọng của nghiên cứu cũng không dễ dàng, và đôi khi là nghi ngờ động cơ của nhóm các nhà khoa học. Thực tế, sét núi lửa là một hiện tượng “cool” lắm, nếu có cơ hội (với một phòng thí nghiệm kín và 300 kg tro bụi 13.000 năm tuổi), chúng tôi cũng sẽ ngồi cả ngày để tạo ra sét núi lửa để vui vẻ.

May mắn là các nhà khoa học, với khả năng nghiên cứu chi tiết những gì xảy ra trong một đám khói bụi, có những dụng cụ thí nghiệm này trong tay. Sức mạnh càng lớn, trách nhiệm càng cao, một ông chú tên B. của tôi thường nói thế.