Bài giảng Thời tiết khí hậu: Chương 11- Sét, sấm và vòi rồng

Ch€ơng 11 sét, sấm vˆ vòi rồng Khó t‡ởng t‡ợng một ai đó lại không có ấn t‡ợng gì về vẻ đẹp cũng nh‡ sự nguy hiểm m một cơn dông tố mang lại. Mặc dù rất ngoạn mục, nh‡ng những cơn dông tố không phải l hiếm xảy ra. Thực tế, chúng rất phổ biến trên khắp thế giới v diễn ra khoảng 40000 lần mỗi ngy. Mặc dù tần suất xuất hiện của chúng biến đổi đáng kể từ nơi ny đến nơi khác, thực tế l từng địa ph‡ơng trên Trái Đất đều bị tổn th‡ơng bởi sấm sét trong một thời gian no đó. Sét có thể gây nên những bất tiện - nh‡ lm hỏng những dụng cụ điện trong nh. Nó cũng có thể gây tác hại đáng kể, nh‡ lm mồi cho những vụ cháy rừng. V dĩ nhiên, nó có thể gây chết ng‡ời; trung bình mỗi năm khoảng 200 ng‡ời bị chết do sét ở Mỹ v Canađa. Nh‡ng nếu xét rằng dân số của hai đất n‡ớc lớn ny tới 300 triệu ng‡ời, thì dễ dng thấy rằng khả năng để bạn bị sét đánh l rất xa vời. Hình 11.1. Sean v† Michael McQuilken ở trong một điện tr~ờng mạnh ngay tr~ớc lúc sét đánh Song ng‡ời ta vẫn bị sét tấn công. Xét tr‡ờng hợp xảy ra với gia đình McQuilken trong cuộc dạo chơi của họ tới Công viên Quốc gia Sequoia, California tháng 8 năm 1975. Khi bầu trời bắt đầu tối sầm lại, Sean, Michael v em gái Mary thấy tóc họ dựng đứng lên. Nhận ra sự buồn c‡ời vẻ ngoi của tình huống ny, các cậu bé đã chụp một tấm ảnh nh‡ trên hình 11.1. M‡a đá tức thời rơi. Rồi tia chớp giáng xuống ngay sau đó - Sean bị quật ngã bất tỉnh. Michael nhanh chóng lm hô hấp nhân tạo, có lẽ chính vì thế m Sean đ‡ợc cứu vớt. Nh‡ng một nạn nhân khác thì ít may mắn hơn. Tia chớp có vẻ rẽ thnh nhiều nhánh, một nhánh khác chiếu vo hai ng‡ời bên cạnh v một trong hai đã bị giết. Nh‡ng những tác động của sét v sấm chớp còn ch‡a l gì so với một mối nguy 377 hiểm thậm chí lớn hơn - vòi rồng. Bây giờ chúng ta sẽ xem nh‡ thế no, ở đâu v tại sao thời tiết dữ tợn xuất hiện, v chúng ta sẽ xét những tình huống lm cho một số cơn gió lốc thì yếu, còn một số cơn khác lại trở thnh tác hại v gây chết ng‡ời. Những quá trình hình th†nh sấm sét Khoảng 80 phần trăm tất cả những tia chớp l do tích điện trong phạm vi các đám mây, ng‡ợc lại với sự tích điện từ mây tới bề mặt. Tia chớp từ mây tới mây ny xuất hiện khi građien điện thế trong phạm vi một đám mây, hoặc giữa các đám mây, v‡ợt quá điện trở của không khí. Kết quả l một tia sáng lóe lên rất lớn v mạnh, một phần t‡ơng đ‡ơng với sự chia tách điện tích. Tia chớp từ mây tới mây lm cho bầu trời sáng lên một cách ít nhiều không đều nhau. Bởi vì tia sáng lóe bị che chắn bởi chính đám mây, nên nó th‡ờng hay đ‡ợc gọi l chớp xa. 20 phần trăm còn lại của các tia chớp l những sự kiện kịch tính hơn, trong đó điện tích truyền giữa chân mây v bề mặt. Phần lớn sét từ mây tới đất xuất hiện khi điện tích âm tích tụ ở trong những phần d‡ới thấp của đám mây. Các điện tích d‡ơng bị hút tới một khu vực t‡ơng đối nhỏ trên mặt đất ở ngay bên d‡ới đám mây. Điều đó tạo thnh một hiệu điện thế lớn giữa mặt đất v chân mây. Điện tích d‡ơng tại bề mặt l một hiện t‡ợng cục bộ; nó tạo ra bởi vì điện tích âm tại chân mây đẩy các điện tử trên đất phía d‡ới. ở cách xa chỗ đó thì bề mặt duy trì điện tích âm bình th‡ờng của nó so với khí quyển. Mặc dù thuật ngữ từ mây tới đất đ‡ợc dùng, song một hiệu ứng đúng nh‡ vậy diễn ra trong n‡ớc - v tia sét th‡ờng hay đánh xuống các hồ, sông v đại d‡ơng. Mặc dù một cú sét có thể xuất hiện v tiếp diễn chỉ trong vi tích tắc, song tr‡ớc đó phải có một chuỗi những sự kiện bình th‡ờng đã diễn ra. Sự tạo ra điện của một đám mây l giai đoạn khởi đầu trong tất cả các tia chớp sét. Sau đó, phải có một con đ‡ờng để các điện tử có thể truyền qua. Chỉ sau đó điện mới thực sự đ‡ợc tích để tạo ra một cú sét. Sự chia tách điện tích Tất cả các tia chớp đòi hỏi lúc đầu các điện tích d‡ơng v âm phải chia tách vo những vùng khác nhau của một đám mây. Th‡ờng hay xảy ra nhất l các điện tích d‡ơng tích tụ ở các chóp phía trên của một đám mây, các điện tích âm ở các phần phía d‡ới. Những túi điện tích d‡ơng nhỏ có thể cũng tập trung ở gần chân mây (hình 11.2a). Vậy bây giờ câu hỏi l: sự chia tách điện tích xảy ra nh‡ thế no ở vị trí thứ nhất? Không ai biết chắc chắn, bởi vì những đám mây m tạo ra sét v sấm tỏ ra l những phòng thí nghiệm không mấy mến khách. Nh‡ng chúng ta biết một số thực tế quan trọng, từ đó chúng ta có thể có ý niệm no đó về các điện tích chia tách ra nh‡ thế no. Tr‡ớc hết, tia chớp chỉ xuất hiện trong những đám mây mở rộng tới trên mực kết băng v cũng bị giới hạn ở những đám mây gây m‡a. Nh‡ vậy, các quá trình tinh thể băng l nguyên nhân gây m‡a cũng đồng thời phải tác động đến sự chia tách điện tích. Trong nhiều năm, nhiều lý thuyết đã đ‡ợc đề xuất v bị tranh cãi gay gắt. Không có một đáp án cuối cùng no đ‡ợc đ‡a ra cho đến khi một phát hiện lớn vo năm 1998, khi một mô hình đề cập tới sự truyền điện tích qua những lớp n‡ớc mỏng ở trên các tinh thể băng v hạt m‡a đá đã đ‡ợc khẳng định bằng thực nghiệm. Hình 11.2. Sau khi sự chia tách điện tích diễn ra bên trong một đám mây (a) thì một đầu dẫn từng b~ớc di chuyển xuống phía d~ới (b) v† (c) tr~ớc khi tiếp xúc với đối t~ợng tại mặt đất. Dòng điện tạo ra sóng va đập của tia sét (d) Mặc dù chúng ta không nhận ra, nh‡ng các vật rắn th‡ờng hay bị bao bọc bởi một lớp bề mặt lỏng với độ dy chỉ vi phân tử. Lớp ny cấu tạo từ những phân tử chỉ liên kết yếu ớt với chất rắn ở phía trong v nó hiện diện thậm chí tại những nhiệt độ khá thấp hơn so với điểm đóng băng. (Ngoi những lý do khác, sự hiện diện của lớp ny giải thích tại sao băng lại trơn nh‡ vậy tại các nhiệt độ khá thấp d‡ới không độ bách phân) *. Trong một đám mây, khi một tinh thể băng v một hạt m‡a đá va chạm với nhau, một số phân tử n‡ớc lỏng ở trên bề mặt hạt m‡a đá di c‡ sang băng. Thực tế, có bằng chứng để cho rằng sự va chạm thực sự lm tăng xu thế chất lỏng hóa v nhờ đó lm tăng sự vận chuyển khối l‡ợng. Cùng với các phân tử n‡ớc, còn có sự vận chuyển điện tích d‡ơng từ hạt m‡a đá tới tinh thể băng hay, một cách t‡ơng đ‡ơng, vận chuyển điện tích âm từ tinh thể tới hạt m‡a đá. Bằng * Cú thӇ bҥn tӯng nghe núi rҵng ỏp suҩt tӯ mӝt lѭӥi dao dày trѭӧt băng làm tan ÿӫ băng ÿӇ tҥo ra mӝt lӟp màng nѭӟc trѫn, nhѭng ÿiӅu ÿú khụng ÿỳng. Băng tӵ nú ÿó trѫn bҩt chҩp bҥn cú nộn mҥnh nú hay khụng. 379 cách ny m các tinh thể băng nh‡ờng những iôn âm cho phần lớn những hạt m‡a đá lớn, sau đó những hạt ny rơi xuống d‡ới tới phía chân mây. Giai đoạn dẫn xuống, va đập v† lóe sáng Trong tia chớp từ mây tới đất, sự kiện chớp thực thụ đ‡ợc dẫn tr‡ớc bởi một sự tiến về phía d‡ới rất nhanh v va chạm của một nhánh chớp gồm không khí tích điện âm, gọi l một đầu dẫn từng b€ớc (hình 11.2b), từ chân của đám mây. Đầu dẫn không phải l một cột đơn của không khí bị iôn hóa; nó rẽ thnh các nhánh từ một nhánh chính ở một số chỗ. Với đ‡ờng kính chỉ bằng khoảng 10 cm, từng nhánh chớp lúc đầu từ chân mây bổ nho kiểu sóng xuống phía d‡ới khoảng 50 m trong vòng khoảng một phần triệu giây. Đầu dẫn không nhìn thấy ny dừng lại trong khoảng 50 m,μ sau đó ln sóng nho xuống phía d‡ới 50 m nữa hoặc đại loại nh‡ vậy. Chính vì chuyển động h‡ớng xuống d‡ới thnh một chuỗi rất nhanh các b‡ớc riêng lẻ m ng‡ời ta gọi l đầu dẫn từng b‡ớc. Khi đầu dẫn tiếp cận mặt đất (hình 11.2c), một chớp sáng từ mặt đất phóng lên trên tới phía đầu dẫn. Khi đầu dẫn v chớp sáng gặp nhau, chúng tạo ra một đ‡ờng dẫn cho dòng điện tử phát sinh lúc đầu thnh một chuỗi các sóng xung phát sáng chói lòa, hay các sóng xung đập trả lại. Dòng điện với c‡ờng độ khoảng 20000 ampe có đ‡ờng dẫn xuống phía d‡ới từ chân của đám mây, nh‡ng sóng xung đập thực sự truyền lên phía trên (hình 11.2d). Їờng dẫn điện kết thúc tại bề mặt m từ đó có một sóng xung đập của điện tích d‡ơng phóng lên trên về phía mây. Dòng điện đốt nóng không khí trong kênh dẫn đến các nhiệt độ cao tới 30000 K, hay bằng năm lần nhiệt độ của bề mặt Mặt Trời! (xem hình 11.3). Hình 11.3. Chớp Sự phóng điện của sóng xung đập thứ nhất lm trung hòa một số, nh‡ng không phải l tất cả các iôn tích điện âm ở gần chân mây. Kết quả l, một đầu dẫn khác (gọi l đầu dẫn liên tục) hình thnh trong phạm vi khoảng một phần m‡ời giây v từ nó có một sóng xung đập tiếp theo xuất hiện. Chuỗi các đầu dẫn liên tục v các sóng xung đập ny có thể lặp lại bốn hay năm lần.* Bởi vì các sóng xung đập riêng rẽ diễn ra rất nhanh nối tiếp nhau, nên chúng tỏ ra nh‡ một sóng xung đập đơn nhấp nháy v nhảy xung quanh. Chúng ta gọi tập hợp các sóng xung đập l một tia chớp, hiệu ứng ròng của nó l vận chuyển các điện tử từ mây xuống đất. Vận chuyển tổng cộng các điện tử không lớn, chỉ nhiều bằng khoảng chúng ta sử dụng để lm sáng một bóng đèn 100 W trong một phút hoặc khoảng đó. Vậy lm thế no tia chớp có thể cắt xẻ các cây v thực hiện những việc kịch tính khác? Vì một lý do l trong tia chớp sự truyền điện tích rất nhanh, cho nên dòng điện bằng khoảng 100 lần dòng điện dùng trong nh. Để hiểu vì sao, hãy suy nghĩ về ví dụ bóng đèn có dòng điện thấp chạy trong một thời gian t‡ơng đối lâu. Điện tích tổng cộng bị vận chuyển bằng đúng nh‡ trong tia chớp khi một dòng điện lớn chạy qua chỉ trong một thoáng. Nhân tố khác, đó l građien điện thế lớn hơn nhiều so với trong một dòng điện sinh hoạt, cho nên năng l‡ợng giải phóng lớn hơn nhiều do mỗi điện tử đ‡ợc vận chuyển. Tất cả những thực tế đó có nghĩa rằng một l‡ợng lớn năng l‡ợng đ‡ợc giải phóng trong một thời khoảng rất ngắn, lm cho mỗi sóng xung đập cực kỳ mạnh hơn so với bóng đèn 100 W. Hình 11.4. Một tia chớp d~ơng Những điện tích d‡ơng ở trên đỉnh của các đám mây gây dông tố có thể cũng dẫn đến chớp. Khi gió mực cao thổi mạnh, các đám mây gây dông tố bị xô nghiêng đi trong gió v có các điện tích d‡ơng đ‡ợc mang theo ở phía tr‡ớc (hình 11.4). Những điện tích d‡ơng ny cảm ứng những điện tích âm tại bề mặt đất, dẫn đến một tia chớp mang điện tích d‡ơng đi xuống d‡ới bề mặt. Kết quả l, th‡ờng hay xảy ra các tia chớp đầu tiên của một trận dông tố l những tia chớp d‡ơng v các quan trắc phát hiện đ‡ợc rằng chúng có thể mạnh gấp hai lần những sóng xung đập âm thanh tiếp sau. Dạng chớp d‡ơng ny do đó đặc biệt nguy hiểm. Nó có thể xuất hiện cách xa bão một số dặm, nơi m ng‡ời ta không cảm thấy bị đe dọa; nó có dòng điện tử đỉnh điểm lớn hơn v nó th‡ờng kéo di hơn, dễ gây những vụ cháy. Các loại chớp Rất ít phổ biến hơn so với những tia chớp xung đập v đầu dẫn đó l kiểu sinh điện lạ gọi l sét hòn. Sét hòn xuất hiện thnh một khối tròn, sáng nóng của không * Cú khi mӝt chӟp cú thӇ gӗm hѫn 30 súng xung ÿұp riờng rӁ. 381 khí nhiễm điện, kích th‡ớc bằng tới một quả bóng chuyền, nó có vẻ chạy đu đ‡a trong không khí hoặc dọc theo bề mặt trong khoảng 15 giây hoặc đại loại nh‡ vậy tr‡ớc khi tan biến hoặc nổ tung. Có một dạng sét hòn l một khối mu đỏ xẫm, trôi tự do, nó có xu h‡ớng tránh những dây dẫn điện v trôi vo những khoảng không gian khép kín hoặc qua các cửa ra vo v cửa sổ. Dạng khác thì sáng chói hơn nhiều v bị thu hút bởi những vật dẫn điện (kể cả ng‡ời). Nhiều cách giải thích về sét hòn đã đ‡ợc đ‡a ra trong ít nhất một trăm năm m‡ơi năm qua, nh‡ng cho tới gần đây không cách giải thích no thâu tóm đ‡ợc tất cả những khía cạnh của hiện t‡ợng v phần lớn cách giải thích có nh‡ợc điểm rất thô sơ. Tình hình mới đ‡ợc cải thiện đáng kể vo đầu năm 2000 với một thông báo về những cuộc thí nghiệm liên quan tới sét nhân tạo trên đất. Ng‡ời ta thấy rằng sét lm suy giảm các hợp chất của silic trong đất tới những phần tử kích th‡ớc nano nhỏ bé của silicon carbibe (SiC) v silic ôxit đơn (SiO) v silic kim loại (Si). Khác với các hợp chất silic nguyên thủy, những hợp chất ny chứa hóa năng lớn đáng kể v không bền vững trong môi tr‡ờng ôxy. Chúng thoát vo trong không khí, ở đó chúng bị lạnh đi nhanh v ng‡ng tụ thnh các chuỗi xích v mạng l‡ới rất mỏng. Các mạng l‡ới rất nhẹ, cho nên chúng trôi dễ dng trong khí quyển. V điều quan trọng l chúng cháy sáng khi bị ôxy hóa, giải phóng năng l‡ợng dự trữ d‡ới dạng ánh sáng nhìn thấy. Vầng lửa thánh Elmo cũng l một dạng hiện t‡ợng điện hiếm v lạ th‡ờng khác. Sự iôn hóa trong không khí - th‡ờng l ngay tr‡ớc khi hình thnh chớp từ mây tới đất - có thể lm cho những đối t‡ợng cao nh‡ các tháp chuông nh thờ hoặc các cột buồm của tầu thủy nóng sáng lên khi chúng phát ra một loạt lóe sáng liên tục. Hiện t‡ợng ny tạo ra một sắc mu xanh lam - xanh lá cây cho không khí, kèm theo một âm thanh rít lên. Hình 11.5. ảnh một bóng ma Những quan trắc v ảnh chụp gần đây từ không gian đã phát hiện ra hiện t‡ợng điện ch‡a từng đ‡ợc biết ở trên đỉnh của cơn dông lốc. Các bóng ma (hình 11.5) l những loạt chùm sáng điện rất lớn nh‡ng ngắn ngủi nâng lên từ các đỉnh mây khi chớp xuất hiện ở phía d‡ới. Một bóng ma trông giống nh‡ một con sứa mu đỏ khổng lồ, mở rộng tới 95 km bên trên các đám mây, có các vòi mu xanh lơ hoặc xanh thẫm treo lơ lửng ở d‡ới thân. Những vụ bóng ma chỉ xảy ra khoảng một phần trăm của tất cả những hiện t‡ợng chớp. (Điều thú vị l, các phi công quân sự v dân sự bây giờ thừa nhận l họ đã từng nhìn thấy những bóng ma tr‡ớc khi hiện t‡ợng ny đ‡ợc quan sát từ các chuyến bay đặc nhiệm trong không gian, nh‡ng tr‡ớc đây họ th‡ờng không thông báo về chúng, sợ rằng họ bị quy kết có chứng hoang t‡ởng). Những tia sáng xanh (hình 11.6) l những vụ phóng điện h‡ớng lên phía trên từ các phần đỉnh cao của các bộ phận dông tố hoạt động mạnh nhất. Chúng phóng vọt lên trên với tốc độ khoảng 100 km/s v đạt các độ cao tới 50 km bên trên bề mặt. Rất có thể rằng những loại hiện t‡ợng điện khác bên trên các cơn dông bão vẫn ch‡a đ‡ợc phát hiện hết. Sấm Sự tăng mạnh nhiệt độ trong một cú va đập chớp lm cho không khí nở ra rất nhanh v tạo thnh âm thanh quen thuộc của sấm. Mặc dù âm truyền đi rất nhanh - khoảng 0,3 km/s - song nó chậm hơn tốc độ của ánh sáng (300000 km/s) rất nhiều. Chênh lệch ny tạo ra một khoảng trễ giữa tia chớp v tiếng sấm; chớp cng ở xa thì thời gian trễ cng lâu. Bạn có lẽ đã biết một quy tắc kinh Hình 11.6. Một tia sáng xanh nghiệm để ‡ớc l‡ợng khoảng cách của một tia chớp: đơn giản l đếm số giây giữa chớp v sấm v đem chia cho ba để xác định khoảng cách bằng kilômét (chia cho năm để có khoảng cách bằng dặm). Ph‡ơng pháp ny có thể sai đối với những sóng xung đập rất xa, xa hơn khoảng 20 km. Sự giảm mật độ không khí theo độ cao lm cho sóng âm bị lệch h‡ớng lên trên. Tại những khoảng cách ngắn, l‡ợng lệch h‡ớng có thể bỏ qua. Nh‡ng với khoảng cách 20 km, thì nó đủ lm dịch chuyển các sóng âm để không thể nghe thấy tại mực bề mặt. Tia chớp t‡ởng nh‡ xuất hiện không có sấm đôi khi đ‡ợc gọi l chớp nhiệt, mặc dù chuyên từ ny gây nhầm lẫn ở chỗ nó hm ý có một cái gì đó không bình th‡ờng ở loại chớp ny. Sự bất th‡ờng duy nhất chỉ l âm thanh của sấm không đạt tới ng‡ời nghe m thôi. Bạn có lẽ đã để ý thấy rằng ở gần thì sấm nghe nh‡ một tiếng nổ lớn, đanh ròn ngắn, còn sấm ở xa th‡ờng hay xuất hiện thnh một tiếng rì rầm kéo di. Một sóng xung của chớp tạo ra sấm có thể di một số km, nên một phần của nó có thể khá xa đối với ng‡ời nghe so với các phần kia. Do đó, tiếng sấm tạo thnh một âm thanh kéo di vì các âm thanh của phần ở xa của sóng xung đập cần thời gian lâu hơn để đạt tới ng‡ời nghe. Tại những khoảng cách lớn hơn, tiếng vọng của sóng âm từ các tòa nh v đồi núi có thể lm cho sấm thnh một âm thanh rì rầm. 383 11-1 Những nguyên lý vật lý: Điện trong khí quyển Dĩ nhiên, chớp l một nhiễu khí quyển, phần lớn chớp có thể đ‡ợc giải thích bằng những nguyên lý cơ bản của điện học khí quyển. Bạn đã biết từ ch‡ơng 1 rằng các iôn (các phần tử tích điện) có nhiều nhất ở trên cao của khí quyển, đó l quyển iôn, ở khoảng từ 90 đến 480 km. Khí quyển tầng cao có điện tích d‡ơng, giống nh‡ chúng ta thấy ở gần cực d‡ơng của một bình ác quy. Theo đúng nh‡ kiểu m một bình ác quy tích trữ năng l‡ợng, các điện tích trong khí quyển thể hiện năng l‡ợng tích lũy v có tiềm năng thực hiện công. Đối với cả các ác quy lẫn khí quyển, tiềm năng điện đ‡ợc biểu diễn băng điện thế, tức năng l‡ợng trong một đơn vị điện tích. Chẳng hạn, nếu một ác quy có điện thế 1,5 V, có nghĩa rằng 1,5 J hiện có cho một culông điện tích (1,5 J/C). Một C t‡ơng đ‡ơng với điện tích m 19106 ì điện tử mang theo. Điện thế cng cao, năng l‡ợng giải phóng từ mỗi culông vận chuyển cng lớn. Trong tr‡ờng hợp Trái Đất, hiệu điện thế khổng lồ tồn tại giữa bề mặt v iôn quyển - khoảng 400000 V! Građien điện thế ny hình thnh nên cái m chúng ta gọi l điện tr€ờng thời tiết đẹp. Điện tr‡ờng thời tiết đẹp luôn luôn hiện diện, thậm chí trong thời tiết xấu, cho nên tên đúng hơn lẽ ra phải l điện tr‡ờng trung bình. Điện tr‡ờng thời tiết đẹp có thể xem nh‡ trạng thái nền, ở trên đó các sự kiện cực đoan nh‡ chớp đ‡ợc xếp chồng lên. Điện có bị truyền đi một cách thích ứng với građien điện thế của điện tr‡ờng thời tiết đẹp hay không? Có, nh‡ng bởi vì không khí l một vật cách điện tốt, nên dòng điện yếu, khoảng 2000 culông một giây đối với ton hnh tinh (2000 A). ở Bắc Mỹ, trong mỗi tòa nh điển hình đ‡ợc mắc dây để si 200 A, nên chúng ta thấy rằng dòng điện khí quyển thực sự rất nhỏ nhoi. Tuy nhiên, điện liên tục bị thất thoát, bởi vì các điện tử vận chuyển từ bề mặt, hay (một cách t‡ơng đ‡ơng) các điện tích d‡ơng đ‡ợc vận chuyển khỏi khí quyển. Từ đây suy ra rằng để cho tr‡ờng điện trung bình đ‡ợc duy trì, thì nó phải liên tục đ‡ợc bù lại. Thực tế l nhiễm điện chớp đ‡ợc xem l cơ chế tái tích điện chủ yếu. Nói khác đi, sự tích điện trong chớp từ mây tới đất đã truyền các điện tử cho bề mặt, duy trì hiệu điện thế v phát sinh tr‡ờng điện. Trong khí quyển tầng thấp, građien của điện tr‡ờng thời tiết đẹp bằng cỡ 100 V/m. (Mặc dù điều ny có vẻ rất ấn t‡ợng, hãy nhớ lại rằng chỉ có ít iôn có mặt, thnh thử tổng năng l‡ợng hiện có l rất thấp). Để cho chớp xuất hiện, độ lớn của tr‡ờng phải đ‡ợc c‡ờng hóa nhiều so với giá trị nền. Chỉ khi građien điện thế đạt tới hng triệu vôn trên một mét thì điện trở của khí quyển sẽ bị sụt giảm, dẫn đến “lóe sáng” m chúng ta gọi l chớp v tiếng rền của sấm đi kèm. Do đó, câu hỏi chớp hình thnh nh‡ thế no l câu hỏi dông tố có tích điện đủ không. Ngay cả ngy nay mới chỉ có một phần đáp án, nh‡ ch‡ơng ny đã mô tả. An to†n sét Mặc dù rất lộng lẫy, chúng ta không đ‡ợc quên rằng sét có thể dữ tợn chết ng‡ời, nó giết hại trung bình 69 ng‡ời ở Mỹ một năm v 7 ng‡ời - ở Canađa. May thay, hiểu biết ngy nay của chúng ta về sét mách bảo cho chúng ta một số quy tắc an ton quan trọng. Thứ nhất v cơ bản nhất, đó l khi có sét, hãy luôn ẩn náu trong một tòa nh, không tiếp xúc với bất kỳ dụng cụ điện no hoặc máy điện thoại. V dĩ nhiên, không quan sát cơn giông bão có sét từ một hồ n‡ớc hoặc một bồn n‡ớc nóng. Các xe ô tô (không phải loại mui trần) l t‡ơng đối an ton, nh‡ng không phải vì các bánh xe bằng cao su đảm bảo cách điện với mặt đất (nh‡ nhiều ng‡ời vẫn nghĩ). Nguyên nhân thực sự l nếu nh‡ xe ô tô bị dính sét, điện sẽ truyền xung quanh thân xe chứ không truyền vo phía bên trong nội thất (hoặc những ng‡ời trong đó). Chính thực tế ny giải thích tại sao sét hiếm khi lm rơi các máy bay, thậm chí mặc dù một chiếc máy bay dân dụng cụ thể đều bị dính sét trung bình một lần mỗi năm. 11-2 Chuyên đề: Một ng‡ời thấy sét hòn * Tôi thấy sét hòn trong một trận dông bão vo mùa hè năm 1960. Bấy giờ tôi 16 tuổi. Lúc đó vo khoảng 9g00ph tối, trời rất tối, còn tôi đang ngồi với bạn gái của mình bên một chiếc bn dã ngoại trong một chiếc lều tại công viên ở phía bắc bang New York. Chiếc lều có thiết kế mở thông ở ba mặt v chúng tôi đang ngồi quay l‡ng về phía khép kín. Trời m‡a rất nặng. Một quả cầu mu trắng nhờ - vng nhạt, kích th‡ớc cỡ quả bóng bn, xuất hiện ở bên trái chúng tôi, cách khoảng 30 m, v vẻ ngoi của nó không hề gắn liền với một tia chớp. Gió nhẹ. Quả cầu ở cao 2,5 m bên trên mặt đất v đang trôi chầm chậm về phía lều. Khi vo tới, nó l‡ớt gần đầu chúng tôi ở khoảng cách 1 mét, rồi đột ngột rơi xuống sn gỗ ẩm. Nó lăn long lóc theo sn ra ngoi lều ở phía bên phải, nâng lên độ cao gần 2 m, trôi tiếp khoảng 9 m, rơi xuống đất v tắt ngấm. Khi nó đi qua đầu mình, tôi không cảm thấy nóng. âm thanh của nó, tôi thấy giống nh‡ ng‡ời ta quẹt mạnh một que diêm. Khi nó lăn trên sn, nó biểu lộ những tính chất đn hồi (một nh vật lý chắc sẽ gọi chúng l những dao động rung cộng h‡ởng). Độ rọi sáng của nó nh‡ thể nó không sáng lóa lắm. Tôi ‡ớc l‡ợng nó giống nh‡ ánh sáng của một bóng đèn nhỏ hơn 10 W. Tất cả mọi chuyện kéo di khoảng 15 giây. Ngay cả bây giờ tôi vẫn nhớ nh‡ in về nó, nh‡ tất cả những ng‡ời chứng kiến, bởi vì nó quá bất th‡ờng. Chỉ sau đó m‡ời năm, tại một buổi hội thảo về sét hòn, tôi mới nhận ra cái gì tôi đã đ‡ợc mục kích. ____________ * Nguồn: Graham K. Hubler. In lại đ‡ợc phép của Nature. Bản quyền 2000, Macmillan Magazines Ltd. Chúng ta th‡ờng hay liên hệ những trận sét đánh chết ng‡ời với việc chơi golf trong khi dông tố v những hnh vi ngốc nghếch khác, nh‡ng mối nguy hiểm không phải bao giờ cũng dễ tránh. Ví dụ, ngy 1 tháng 1 năm 2000, một cú sét đơn độc giết chết một gia đình sáu ng‡ời gần núi Darwin, Zimbabwe trong một thảm kịch rất giống với một vụ khác xảy ra ít tháng tr‡ớc đó ở Zimbabwe, khi một cú sét đơn lẻ giết chết sáu ng‡ời gần thnh phố Gokwe. Những vụ chết do sét đang trở thnh th‡ờng xuyên hơn bao giờ hết ở vùng khi rừng bị thu hẹp, lng mạc sinh sống bị lộ ra tr‡ớc những diện tích trống trải. Vấn đề trở nên rất căng thẳng do sử dụng rơm rạ hoặc lá cọ lm vật liệu lợp mái nh. Muội khói từ lửa bếp thấm vo rơm rạ với chất cacbon lm cho mái nh dẫn điện tốt v hấp dẫn đối với sét. 385 Trong khi nạn phá rừng đang lm tăng nguy cơ chết ng‡ời do sét ở một số bộ phận của thế giới, thì ở Mỹ một mức giảm đáng kể (hơn 50 %) đã diễn ra về số tử nạn do sét từ những năm 1920. Thực tế ny còn gây ấn t‡ợng hơn khi ng‡ời ta cho rằng từ thời gian đó dân số đất n‡ớc đã tăng từ khoảng 150 triệu tới 270 triệu. Sự tiết giảm về số tử vong đ‡ợc xem l nhờ một phần ở sự giảm dân số các vùng nông thôn, nơi nguy cơ bị sét tấn công lớn hơn. Giáo dục cộng đồng tốt hơn, thông tin cảnh báo đ‡ợc cải thiện, những tiến bộ về trợ giúp y tế v những hệ thống điện hiện đại hóa trong nh ở v các tòa nh khác đ‡ợc xem l có đóng góp vo mức giảm ny. Bão tố: tự tiêu tan v† tự sinh sôi May mắn cho chúng ta, đại đa số những sự kiện sét gắn liền với các trận dông tố địa ph‡ơng, thời gian sống ngắn, chúng tiêu tan trong vòng vi chục phút sau khi hình thnh. Những trận dông tố đó, gọi l tố lốc khối khí, thực sự tự chúng tiêu tan nhờ tạo ra những dòng giáng cắt mất nguồn cung ứng độ ẩm vo trong những đám mây gây m‡a. Vì lý do đó, chúng th‡ờng không tạo ra thời tiết khắc nghiệt. Tuy nhiên, trong những dịp khác, các dòng giáng từ m‡a lớn thực sự lm mạnh các cơn lốc tố gây nên m‡a. Những con lốc tố đó đ‡ợc xếp loại cực đoan v gây ra thiệt hại v tổn thất sinh mạng nhiều nhất. Những trận lốc tố khối khí Những trận lốc tố khối khí l phổ biến nhất v ít phá hoại nhất trong các lốc tố. Chúng cũng có thời gian sống rất hạn chế, th‡ờng chỉ kéo di không đến một giờ. Mặc dù tên gọi của nó ngụ ý rằng những trận lốc tố ny có thể chiếm cứ ton bộ những khối không khí (chúng rất rộng lớn), những trận lốc tố khối khí rất cục bộ. Nh‡ng thuật ngữ không có nghĩa khi bạn xem rằng các trận lốc tố xuất hiện trong phạm vi những khối không khí riêng biệt v di chuyển khá xa khỏi các biên front. Hãy suy xét theo cách ny: các cơn lốc tố khối khí đ‡ợc chứa trong phạm vi các khối không khí đồng nhất, nh‡ng chúng không chiếm cứ toun bộ khối khí. Nhận thức hiện tại của chúng ta về các cơn lốc tố khối khí dựa trên Dự án Lốc tố, dự nán ny nghiên cứu những sự kiện nh‡ vậy ở Ohio v Florida trong thời gian cuối những năm 1940. Một trận lốc tố khối khí th‡ờng gồm một số nhân riêng biệt, mỗi nhân trải qua một tuần tự ba giai đoạn khác biệt - giai đoạn mây tích, giai đoạn tr‡ởng thnh v giai đoạn tiêu tan (hình 11.7). Giai đoạn mây tích. Giai đoạn thứ nhất của một cơn lốc khối khí bắt đầu khi không khí bất ổn định nâng lên, th‡ờng l do đối l‡u địa ph‡ơng xảy ra khi một số bề mặt bị đốt nóng nhanh hơn những bề mặt khác. Vì các cơn lốc tố khối khí th‡ờng hay xảy ra vo ban đêm, khi không khí bị lạnh đi, chúng ta biết rằng những quá trình thăng khác có thể cũng phát động dòng thăng. Bất kể quá trình no gây nên dòng thăng, không khí nâng lên sẽ bị lạnh đi đoạn nhiệt để hình thnh những đám mây tích thời tiết đẹp. Những đám mây