Lí thuyết mới về sự hình thành tia sét

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.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

Nguồn: physicsworld.com

http://360.thuvienvatly.com