Dù đã được nghiên cứu qua nhiều thế kỷ, sét vẫn là một trong những hiện tượng kỳ vĩ nhất của Trái Đất chưa được hiểu rõ hoàn toàn.
Chỉ trong thời gian bạn đọc xong câu này, có thể đã có đến 270 tia sét đánh xuống Trái Đất. Nghe có vẻ nhiều, nhưng theo Cơ quan Khí tượng Anh (Met Office), có khoảng 44 tia sét đánh mỗi giây. Nói cách khác, đó là khoảng 3 triệu tia sét mỗi ngày trên toàn cầu.
Với tần suất đáng kinh ngạc như vậy và với thực tế là các nhà khoa học đã quan sát hiện tượng tự nhiên này hàng thế kỷ, hẳn chúng ta đã có lượng dữ liệu khổng lồ và hiểu khá rõ nguyên nhân gây ra sét, đúng không?
Thật ra thì… chưa hẳn.
Chúng ta chắc chắn đã cố gắng đi đến tận cùng của hiện tượng này, và qua nhiều năm, hành trình khám phá sét đã truyền cảm hứng cho nhiều nỗ lực kỳ lạ – và đôi khi mang lại hiệu quả. Ví dụ, vào năm 1752, thí nghiệm nổi tiếng với con diều của Benjamin Franklin đã chứng minh rằng sét là một hiện tượng điện.
Kể từ đó, con người đã thả khí cầu và tên lửa vào các đám mây giông để tìm hiểu cận cảnh điều kiện tạo ra sét, và cũng đã có góc nhìn hoàn toàn mới bằng cách quan sát sét từ không gian.
Năm 2023, các nhà khoa học Na Uy báo cáo những dữ liệu mới được thu thập với sự trợ giúp của máy bay do thám từ thời Chiến tranh Lạnh, mang lại những hiểu biết thú vị. Nhưng mặc cho tất cả nỗ lực đó, chính xác điều gì kích hoạt tia sét vẫn là một bí ẩn.
Điều này không có nghĩa là chúng ta hoàn toàn “mù tịt”. Chúng ta biết rằng sét là sự phóng điện quy mô lớn. Nó có thể đi từ mây xuống đất, giữa các đám mây với nhau, hoặc thậm chí từ mây phóng ngược lên không gian.
Điện tích hình thành khi các hạt nhỏ của mưa đá, băng và nước di chuyển trong môi trường hỗn loạn bên trong mây giông. Khi va chạm với nhau, chúng làm bật ra electron và truyền điện tích – tương tự như khi bạn cọ bóng bay vào tóc, làm tóc bạn dựng lên vì tích điện.
Thông thường, các tinh thể băng tích điện dương nhẹ sẽ bay lên phía trên đám mây, trong khi các viên mưa đá nặng, tích điện âm rơi xuống dưới. Sự phân cực này tạo ra một trường điện.
Đồng thời, trên bề mặt Trái Đất bên dưới đám mây giông, cũng hình thành một vùng điện tích dương. Bây giờ, bạn có thể tưởng tượng trên bầu trời như một cục pin khổng lồ, nhưng thay vì chỉ vài volt như pin gia dụng, cục pin mây này có điện thế đến hàng trăm triệu volt.
Khi trường điện trở nên đủ mạnh, một kênh sét hình thành và giải phóng điện. Kênh sét này “rất hẹp, rất nóng và dẫn điện cực tốt. Nó gần như hoạt động giống một sợi dây trong mây,” theo lời Giáo sư David Smith, chuyên gia khoa học khí quyển và vật lý thiên văn tại Đại học California, Santa Cruz (Mỹ).
Chúng ta quen thuộc với sét đánh từ mây xuống đất, nhưng thực tế, khoảng 75% sét xảy ra ngay trong đám mây – vì trường điện bên trong mây mạnh hơn giữa mây và mặt đất.
Nhưng dù xuất phát từ đâu, vẫn còn một câu hỏi cốt lõi mà chúng ta chưa trả lời được: Sét bắt đầu như thế nào?
Ẩn mình trong mây
Một phần lý do khiến chúng ta vẫn chưa hiểu rõ cách sét hình thành là vì rất khó để nghiên cứu nó. “Nó xảy ra ở trên cao, trong một đám mây – nơi vô cùng nguy hiểm,” Smith nói. “Và vào những khoảnh khắc ngay trước khi sét đánh – khi sét đang hình thành – nó bị che khuất bởi các lớp mây.”
Việc bay trực tiếp vào mây giông là cực kỳ nguy hiểm, và phần lớn máy bay không thể bay cao hơn đám mây, nên các nhà nghiên cứu chủ yếu bị giới hạn trong việc quan sát từ mặt đất hoặc từ không gian.
Chưa hết, bản thân việc nghiên cứu sét có thể phá vỡ điều kiện cần thiết để nó hình thành.
“Máy bay là một khối kim loại lớn, và khi bạn đưa nó vào mây, bạn làm xáo trộn môi trường điện mà bạn muốn khám phá,” Smith nói.
Vì không thể dễ dàng tiếp cận bên trong mây giông để nghiên cứu trực tiếp, phần lớn nghiên cứu về sét dựa vào các phương pháp gián tiếp. Ví dụ, ánh sáng và sóng vô tuyến được tạo ra khi điện tích di chuyển – cung cấp manh mối cho các nhà khoa học về nơi sét đang hình thành.
Một phương pháp phổ biến là sử dụng giao thoa vô tuyến (radio interferometry), với các ăng-ten đặt dưới mặt đất để phát hiện sóng vô tuyến.
Các nhà khoa học có thể sử dụng cách này để định vị tia sét trong đám mây với độ chính xác vài chục mét. Nhưng điều đó vẫn không cho biết chính xác điều gì kích hoạt sét.
Một phương pháp khác trong “hộp công cụ” của giới nghiên cứu là tạo sét nhân tạo trong phòng thí nghiệm chuyên biệt.
“Ưu điểm của phòng thí nghiệm là có thể kiểm soát và lặp lại thí nghiệm,” theo Tiến sĩ Daniel Mitchard, nhà vật lý hạt tại Phòng thí nghiệm Sét thuộc Đại học Cardiff. Nói cách khác, họ có thể thu thập những dữ liệu gần như bất khả thi trong đám mây thật, do tính không đoán trước được của sét.
“Bạn có thể đặt rất nhiều thiết bị gần tia sét nhân tạo để đo các yếu tố như năng lượng và nhiệt độ,” Mitchard giải thích.
Tuy nhiên, sét nhân tạo vẫn “hủy diệt” y như sét thật, ông nói. “Chúng tôi không thể đứng gần khi nó đánh. Không thể nhìn trực tiếp vì sẽ bị lóa mắt. Phải đeo thiết bị bảo vệ tai, vì nó cũng tạo ra tiếng sấm – và tất cả diễn ra trong phòng cách âm.”
Chỉ trong khoảng 30 năm trở lại đây, con người mới có công nghệ để nghiên cứu sét từ trên cao – nhờ tàu con thoi và vệ tinh – và điều này đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới, làm sống lại hành trình khám phá bí ẩn về cách sét được hình thành.
Hiện tượng “tuyết lở điện tử”
Một yếu tố then chốt trong bí ẩn về cách tia sét hình thành chính là không khí vốn là chất cách điện cực kỳ hiệu quả – nói cách khác, nó không dễ dẫn điện. Do đó, cần một điện trường khổng lồ để vượt qua sức cách điện đó và tạo ra tia sét có thể nhảy qua những khoảng cách dài hàng kilomet.
Các nhà khoa học đã tính toán được cường độ của điện trường cần thiết (gọi là “ngưỡng đánh thủng”), nhưng khi đo điện trường bên trong các đám mây dông, họ không tìm thấy giá trị nào gần với ngưỡng này.
“Chúng ta có hàng triệu tia sét mỗi ngày, nhưng dường như chẳng bao giờ đo được điện trường đủ mạnh để tạo ra tia lửa điện,” giáo sư Joseph Dwyer, chuyên ngành vật lý và thiên văn học tại Đại học New Hampshire (Mỹ), nói. “Đây là một trong những bí ẩn lớn nhất của khoa học khí quyển.”
Các nhà khoa học đã đưa ra một số giả thuyết để giải thích mâu thuẫn rõ ràng này. Một khả năng là các điện trường cực lớn thật sự tồn tại trong mây dông, nhưng chúng ta chưa đo được do thiết bị không đủ nhạy, hoặc do điện trường chỉ xuất hiện trong những túi nhỏ mà chưa phát hiện được. Ngoài ra, thiết bị nghiên cứu có thể đang vô tình làm rò rỉ điện trường trước khi kịp đo đạc.
Một khả năng khác là các tinh thể băng làm tăng cường độ điện trường xung quanh đầu nhọn của chúng, tạo ra các đợt phóng điện nhỏ có thể kết hợp lại thành kênh tia sét.
Tuy nhiên, nhiều nhà nghiên cứu sét hiện nay tin rằng còn một mảnh ghép khác trong bài toán hình thành tia sét: các hạt năng lượng cao. Theo giả thuyết này, điện trường trong đám mây dông đẩy các electron tự do bay với tốc độ gần bằng ánh sáng.
Những electron năng lượng cao này va chạm với các nguyên tử trong mây, làm bật ra nhiều electron khác, tạo nên “một trận tuyết lở của các hạt năng lượng cao,” theo giáo sư David Smith.
Quá trình này thậm chí có thể được kích hoạt bởi bức xạ vũ trụ – tức các hạt năng lượng cao từ không gian. Các chuyên gia tin rằng hiện tượng tuyết lở điện tử này có thể tạo ra điện trường đủ lớn để vượt qua ngưỡng đánh thủng và tạo ra tia sét.
Tất cả những va chạm giữa các electron cũng tạo ra tia gamma – một loại bức xạ năng lượng cao thường gắn liền với các sự kiện vũ trụ như siêu tân tinh, chứ hiếm khi xảy ra trong khí quyển Trái Đất.
Một số chuyên gia cho rằng việc đo tia gamma phát ra từ mây dông là cách để quan sát điện trường bên trong mây mà không làm gián đoạn nó – giúp ta tiến gần hơn tới việc hiểu cách tia sét khởi phát. “Nó giống như chụp X-quang một cơn giông bằng phương pháp này để nhìn vào bên trong,” Dwyer nói.
Những đám mây phát sáng
Vào những năm 1990, tàu vũ trụ của NASA đã phát hiện ra những chớp bức xạ cực mạnh, cực ngắn phát ra từ khí quyển Trái Đất, được gọi là “chớp tia gamma trong khí quyển” (terrestrial gamma-ray flashes – TGF). Sau đó, người ta xác nhận rằng những chớp tia gamma này đến từ các đám mây dông.
“Chúng sáng đến mức làm các vệ tinh ở quỹ đạo thấp bị chói mù tạm thời,” Dwyer cho biết.
Điều thú vị nhất là: TGFs gần như luôn đi kèm với hoạt động sét.
Điều này hỗ trợ cho giả thuyết về năng lượng cao, và cho thấy rằng ít nhất một số tia sét có thể được kích hoạt bởi hiện tượng tuyết lở điện tử. “Việc xuất hiện tia gamma cho thấy điện trường đã trở nên cực kỳ mạnh ở một khu vực rộng lớn trong cơn giông,” Dwyer nói.
Trước khi bạn lo rằng lượng phóng xạ này có thể gây nguy hiểm, các chuyên gia khẳng định khả năng gây hại cho con người là rất thấp – ngay cả khi sét đánh trúng máy bay thương mại.
Ngoài TGF, các nhà nghiên cứu còn phát hiện một dạng phát tia gamma khác từ mây dông, gọi là “hào quang tia gamma” (gamma-ray glows). Những hào quang này mờ hơn nhiều và kéo dài hàng giây đến hàng phút, thay vì chỉ vài phần triệu giây như TGF.
Tuy nhiên, hiện vẫn chưa rõ mối liên hệ giữa TGFs và hào quang tia gamma, hoặc giữa chúng và sét – nếu có.
Sứ mệnh ở độ cao lớn
Hy vọng tìm ra câu trả lời, năm 2023, các nhà nghiên cứu tại Đại học Bergen (Na Uy) thực hiện một nhiệm vụ mới để nghiên cứu mây dông phát tia gamma ở cự ly gần.
Họ sử dụng một máy bay nghiên cứu đặc biệt để bay trên một đám mây dông đang hoạt động tại vùng biển Caribbean. Chiếc máy bay – nguyên là máy bay do thám thời Chiến tranh Lạnh được NASA cải tiến thành phòng thí nghiệm bay – mang tên ER-2.
Nhờ ER-2, các nhà nghiên cứu có thể bay ở độ cao 20 km (65.000 feet) – cao hơn khoảng 6 km so với bất kỳ sứ mệnh nghiên cứu sét nào trước đây.
Từ góc nhìn mới này, họ phát hiện những chớp tia gamma yếu hơn nhiều so với dữ liệu từ vệ tinh và tàu vũ trụ, đồng thời đo được cả TGF lẫn hào quang tia gamma với độ chi tiết chưa từng có.
Các chuyến bay nghiên cứu như vậy mang theo hàng loạt cảm biến tạo ra lượng dữ liệu khổng lồ – quá nhiều để truyền tải theo thời gian thực. Do đó, dữ liệu thường chỉ được phân tích sau khi chuyến bay kết thúc. Nhưng lần này, các nhà nghiên cứu đã dùng “chiêu”: tải về phiên bản dữ liệu tia gamma có độ phân giải thấp mỗi giây một lần.
Điều này cho phép họ hướng dẫn phi công theo sát vùng phát tia gamma chừng nào nhiên liệu còn cho phép.
Họ phát hiện một đám mây dông phát tia gamma có diện tích hàng nghìn kilomet vuông phát sáng liên tục trong nhiều giờ. Và không giống như nguồn sáng đều đặn, ánh sáng gamma này nhấp nháy khắp đám mây.
“Nó không phát sáng đồng đều. Nó giống như một nồi nước sôi,” giáo sư Nikolai Østgaard, chuyên gia vật lý không gian tại Đại học Bergen, cho biết.
Họ còn phát hiện một hiện tượng hoàn toàn mới: “chớp tia gamma nhấp nháy” (flickering gamma-ray flashes). Lâu hơn TGFs nhưng ngắn hơn hào quang, những tín hiệu này có vẻ là mắt xích còn thiếu giữa hai loại bức xạ trên – và cũng có liên quan đến sét.
“Sau các chớp tia gamma nhấp nháy, hoạt động sét trở nên cực kỳ mạnh mẽ,” Østgaard nói.
Tuy nhiên, ông lưu ý rằng chính tia gamma không phải là nguyên nhân gây ra sét. Tia gamma chỉ là sản phẩm phụ của quá trình tuyết lở electron năng lượng cao – thứ có thể đóng vai trò khởi đầu.
Mô phỏng máy tính cho thấy hiện tượng nhấp nháy này là do sự xuất hiện của positron (phản hạt hay phản vật chất của electron) trong quá trình tuyết lở electron năng lượng cao.
Các positron này lại tạo ra nhiều tuyết lở electron hơn nữa, tạo thành một vòng lặp phản hồi dương – có thể là manh mối then chốt trong bí ẩn khởi phát tia sét.
Mô hình cũng cho thấy các chớp tia gamma nhấp nháy này giải phóng điện trường ở một khu vực trong mây, đồng thời làm tăng điện trường ở nơi khác – từ đó có thể tạo ra điện trường đủ mạnh để tạo ra tia sét.
“Nó giống như dẫm lên một chỗ phồng lên trong tấm thảm – bạn ấn xuống ở chỗ này thì nó lại phồng lên ở chỗ khác,” Dwyer ví von.
Được khích lệ bởi phát hiện mới, Østgaard và nhóm nghiên cứu đã lên kế hoạch cho sứ mệnh tiếp theo. Họ muốn trang bị thêm cảm biến nhạy hơn cho ER-2 nhằm hiểu rõ hơn mối liên hệ giữa các chớp tia gamma nhấp nháy và tia sét.
Họ hy vọng điều này sẽ đưa chúng ta tiến gần hơn đến một lời giải đầy đủ về cách tia sét hình thành. Nhưng nếu dựa vào quy luật của những khám phá trong quá khứ, có thể những gì họ phát hiện ra lại tiếp tục mở ra thêm những câu hỏi mới.
Sét đã làm các nhà khoa học đau đầu suốt nhiều thế kỷ. Ảnh: Getty Images
