Các nhà khoa học giải mã bí ẩn sét hình thành từ mây

Sau hơn 270 năm kể từ khi Benjamin Franklin phát hiện mối liên hệ giữa sét và điện, bí ẩn lớn nhất về cách sét được hình thành từ mây dông cuối cùng đã được giải đáp.

Một phát hiện mới mang tính đột phá trong lĩnh vực vật lý khí quyển cho thấy sét không chỉ là kết quả của mây dông thông thường. Thay vào đó, trong tầng khí quyển có thể diễn ra một phản ứng dây chuyền cực mạnh, giống như hiệu ứng "máy bắn bi", có thể là mấu chốt khởi phát tia sét.

Mặc dù sét là một hiện tượng quen thuộc, có thể làm nóng không khí lên tới 27.000 độ C, gấp 5 lần nhiệt độ bề mặt Mặt trời, nhưng cho đến nay các nhà khoa học vẫn chưa hiểu đầy đủ quá trình khởi phát của nó từ bên trong mây.

Trong công bố mới trên American Geophysical Union (Liên đoàn Địa vật lý Hoa Kỳ), nhóm nghiên cứu quốc tế do giáo sư Victor Pasko và nghiên cứu sinh tiến sĩ Zaid Pervez (Đại học Penn State, Mỹ) dẫn đầu đã lần đầu tiên đưa ra lời giải chính xác và định lượng cho hiện tượng này.

"Phát hiện của chúng tôi cung cấp lời giải thích đầu tiên, rõ ràng và có thể đo đếm được về cách sét bắt đầu trong tự nhiên" - Pasko cho biết. "Nó kết nối các yếu tố từ tia X, điện trường đến vật lý của hiện tượng 'tuyết lở điện tử'".

Theo nhóm nghiên cứu, quá trình khởi phát sét xảy ra tương tự như một máy bắn bi vô hình bên trong đám mây dông. Cụ thể là các điện trường cực mạnh trong mây dông đẩy nhanh các electron tự do, khiến chúng va chạm mạnh vào các phân tử khí như nitơ và oxy.

Những va chạm này tạo ra tia X và các hạt photon năng lượng cao, vốn là thành phần cơ bản của ánh sáng. Chính các photon này tiếp tục giải phóng thêm electron mới thông qua hiệu ứng quang điện, tạo ra một chuỗi phản ứng dây chuyền, còn gọi là "tuyết lở điện tử tương đối tính". 

Khi quá trình này đạt đến mức độ nhất định, tia sét được hình thành.

Không dừng lại ở việc giải thích sét thông thường, nhóm nghiên cứu còn mở rộng hiểu biết về một hiện tượng khó nắm bắt hơn: "sét đen" hay còn gọi là tia gamma trong khí quyển Trái đất (terrestrial gamma-ray flash).

Đây là những vụ nổ tia X năng lượng cao nhưng không đi kèm ánh sáng hay sóng vô tuyến, điều khiến chúng gần như "vô hình" với mắt thường và radar thời tiết.

Dựa trên mô phỏng vật lý chi tiết, nhóm cho rằng: Dưới điều kiện phù hợp, các tia X năng lượng cao do tuyết lở electron sinh ra có thể tiếp tục tạo ra electron mới qua hiệu ứng quang điện trong không khí. Quá trình này diễn ra rất nhanh, tạo thành chuỗi phản ứng tự khuếch đại mạnh mẽ, nhưng không phát ra ánh sáng rõ ràng hay tín hiệu vô tuyến rõ rệt.

Điều này lý giải một hiện tượng từng khiến giới khoa học bối rối suốt nhiều năm là tại sao một số vùng mây dù trông rất tối và yên ắng lại có thể tạo ra các tia gamma năng lượng cao.

Phát hiện này không chỉ là lời giải cho một trong những bí ẩn lâu đời nhất của khí tượng học, mà còn mở đường cho các ứng dụng quan trọng: cảnh báo sét chính xác hơn trong tương lai, hiểu rõ hơn về tác động của sét đối với máy bay và vệ tinh. Xa hơn có thể cải thiện mô hình dự báo thời tiết cực đoan trong bối cảnh biến đổi khí hậu.