Tia vũ trụ tương tác với những giọt nước bên trong những đám mây
giông có thể giữ một vai trò quan trọng trong sự kích hoạt tia sét. Đó
là khẳng định của các nhà nghiên cứu ở Nga, họ đã nghiên cứu những tín
hiệu vô tuyến phát ra trong hàng nghìn cú sét đánh. Nghiên cứu trên có
thể mang đến những hiểu biết sâu sắc mới về nguyên nhân và diễn biến của
sự hình thành tia sét lúc ban đầu.
Mặc dù đa số mọi người đều đã từng chứng kiến tia sét vào lúc nào đó
trong đời mình, nhưng các nhà khoa học vẫn chưa hiểu hết nguyên nhân gây
ra sự phóng điện lúc ban đầu. Sét đã được nghiên cứu trong hàng trăm
năm qua, nhưng trong khi nhiều khả năng quan sát luôn có sẵn – có khoảng
40 đến 50 tia sét mỗi giây trên toàn cầu – việc dự báo sự xuất hiện của
một tia sét là chuyện không đơn giản.
Có ba loại sét cơ bản: sét xảy ra bên trong một đám mây; sét xảy ra
giữa hai đám mây; và sét xảy ra giữa một đám mây và mặt đất. Trong một
cú sét từ-mây-xuống-đất tiêu biểu, các nhà khoa học biết rằng một kênh
plasma dẫn điện hình thành giữa đám mây và mặt đất, cho phép sự phóng
điện xảy ra. Tuy nhiên, những yếu tố gây ra sự tích điện ban đầu của đám
mây và sự phóng điện sau đó của nó thì chưa được hiểu rõ lắm.
Cái gì kích hoạt cho
tia sét? Trong ảnh trên, nhiều tia sét mây-xuống-đất và mây-sang-mây
xuất hiện trong một cơn giông bão vào ban đêm. Ảnh: NOAA
Cú hích tia vũ trụ
Aleksandr Gurevich thuộc Viện Vật lí Lebedev ở Moscow và Anatoly
Karashtin thuộc Viện Nghiên cứu Vật lí Vô tuyến ở Nizhny Novgorod vừa đề
xuất một mô hình mới bao gộp hai yếu tố thiết yếu có thể giúp giải
thích quá trình trên: hành trạng của những hạt nước hoặc băng bên trong
các đám mây, được đặt tên là “sao băng nước” (hydrometeor); và những cơn
mưa electron gây ion hóa có thể do tia vũ trụ gây ra.
Lí thuyết cho rằng tia vũ trụ có thể gây ra những cơn mưa hạt ion hóa
làm kích hoạt tia sét đã được nêu ra lần đầu tiên bởi Gurevich hồi hơn
20 năm về trước. Gọi là “sự đánh thủng phi mã”, Gurevich cho rằng các
hạt gây ion hóa có thể tạo ra các electron tự do bên trong những đám mây
giông sau đó chúng được gia tốc lên những năng lượng cực cao bởi điện
trường bên trong những đám mây. Những electron này va chạm với những
nguyên tử khác trong không khí gây ra một “đợt thác” những hạt năng
lượng cao bên trong đám mây – và đợt thác này gieo mầm cho sự xuất hiện
của sét. Trong khi lí thuyết trên đã được bàn luận rộng rãi, thì
Gurevich đã không thể tìm thấy bằng chứng rằng tia vũ trụ thật sự kích
hoạt sự tuôn thác như thế.
Nhằm thu thập thêm bằng chứng, Gurevich và Karashtin vừa thực hiện
một phân tích mới sử dụng một giao thoa kế vô tuyến của những xung vô
tuyến phát ra lúc xuất hiện 3800 tia sét trên khắp nước Nga và
Kazakhstan. Một chuỗi dài những xung ngắn nhưng mạnh này được phát ra
ngay trước khi tia sét xuất hiện và, theo các nhà nghiên cứu, dữ liệu
xung đó khớp với mô hình đánh thủng điện của Gurevich.
Những xung thông tin
Các nhà nghiên cứu còn trình bày rằng biên độ của một xung tỉ lệ với
số lượng electron thứ cấp, và vì thế tỉ lê với năng lượng của tia vũ trụ
ban đầu gây ra cơn mưa hạt. Nhưng khi họ tính năng lượng tia vũ trụ,
Gurevich và Karashtin tìm được nó vào khoảng 1017 eV – một con số bất ngờ vì tia vũ trụ thuộc năng lượng này quá hiếm để giải thích cái đã đo được.
Để giải thích tại sao quan sát thấy năng lượng cao như thế, các nhà
nghiên cứu cho rằng các sao băng nước mà họ sử dụng đã trở nên phân cực
điện khi điện trường mạnh bên trong đám mây hình thành và một sự “phóng
điện micro” nữa xảy ra tại sao băng nước khi điện trường đạt tới ngưỡng
của nó, từ đó làm khuếch đại sự đánh thủng do tia vũ trụ kích hoạt. Khi
xét đến yếu tố này, thì chỉ cần những hạt tia vũ trụ với năng lượng
khoảng 1012–1013 eV dễ gặp hơn nhiều là đủ để kích thích sự phóng điện.
Nhà vật lí và chuyên gia nghiên cứu tia sét Joseph Dwyer thuộc trường
Đại học Công nghệ Florida, người không có liên quan gì với nghiên cứu
trên, phát biểu rằng mô hình mới trên là “một ý tưởng hay, nhưng vẫn cần
có thêm nhiều việc để làm nữa, ví dụ như các thí nghiệm đo đồng thời
các xung vô tuyến và các cơn mưa không khí,” đó là cái mà Dwyer và các
đồng nghiệp của ông hiện đang nghiên cứu.
Gurevich và Karashtin phát biểu rằng các quan sát của họ cho thấy sự
phát xạ vô tuyến gây ra bởi những sự phóng điện nhất định trong các đám
mây giông, chúng khác với sự phóng điện thông thường mà người ta trông
đợi và “sự đánh thủng phi mã” cũng giữ một vai trò quan trọng. Sẽ cần có
thêm những quan sát khác nữa mới giải mã được bí ẩn tối hậu của tia
sét.
