Trước vẻ đẹp và sức mạnh to lớn như vậy, một câu hỏi được đặt ra: chớp được hình thành như thế nào? Hầu hết chúng ta đều biết, chớp xuất hiện từ những đám mây mang điện, nhưng cơ chế cụ thể, thì không phải ai cũng nắm rõ. Trong bài này, chúng ta hãy cùng nhau mổ xẻ, để xem chớp được sinh ra như thế nào nhé.

Quá trình này khá phức tạp, nhưng có thể tóm gọn lại như sau:

- Khởi đầu bằng chu trình nước. Nước sẽ bốc hơi khi nhận được nhiệt từ ánh sáng Mặt trời, bay lên cao, gặp lạnh, ngưng tụ lại thành hàng triệu giọt nước nhỏ, lúc đó ta sẽ nhìn thấy mây trên bầy trời.

- Quá trình bay hơi và ngưng tụ xảy ra liên tục, hơi nước và những giọt nước nhỏ ở các đám mây sẽ tương tác với nhau, cộng thêm hiện tượng đông lạnh, sẽ làm hình thành sự chênh lệch điện tích: điện tích dương ở phần trên đám mây, còn điện tích âm ở phần dưới.

- Sự hình thành hai khu vực điện tích trái dấu cũng đồng thời sinh ra điện trường. Sự chênh lệch điện tích càng lớn, điện trường càng mạnh.

- Điện trường mạnh, đến một mức nào đó, sẽ làm không khí xung quanh bị ion hoá, cho phép dòng điện có thể truyền qua khu vực không khí bị ion hoá này (chính là môi trường plasma) một cách dễ dàng. Con đường dẫn truyền này, còn được gọi là step leader.

- Đồng thời trong lúc đó, bề mặt Trái đất sẽ chịu ảnh hưởng của điện trường âm phía dưới các đám mây, và các vật thể trên Trái đất (bao gồm cả con người) sẽ mất electron và tích điện dương mạnh.

- Khi các step leader đi đến bề mặt Trái đất, nó sẽ hình thành một con đường hoàn chỉnh dẫn từ các đám mây đến mặt đất. Và ngay khoảnh khắc đó, một tia sét giáng xuống.

- Không khí xung quanh tia sét sẽ bị đốt nóng mạnh, giãn ra đột ngột và kéo theo đó là tiếng sấm nổ ngay sau đó – thunder.

Và sau đây là chi tiết các giai đoạn hình thành tia chớp.

Tất cả được bắt nguồn từ một hiện tượng quen thuộc: chu trình nước. Để hiểu rõ hơn, hãy cùng nhau nói lại một chút về sự bay hơi và sự ngưng tụ.

Sự bay hơi – evaporation – là hiện tượng một chất lỏng hấp thụ nhiệt, và chuyển sang thể hơi. Có thể lấy ví dụ đơn giản, những vũng nước sau cơn mưa một thời gian sẽ biến mất, hay quần áo giặt xong phơi sẽ khô… tất cả đó là hiện tượng bay hơi nước. Do nước sẽ hấp thụ nhiệt từ ánh sáng Mặt trời, các phân tử nước sẽ chuyển động nhanh hơn, và đến một lúc nào đó, chúng sẽ tách ra khỏi dung dịch chất lỏng để bay vào không khí. Dần dần, tất cả lượng nước đó sẽ bay vào không khí thành hơi nước.

Sự ngưng tụ – condensation – là quá trình khí hoặc hơi mất nhiệt, và quay trở lại dạng chất lỏng. Chắc hẳn các bạn đều biết nhiệt được truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp. Khi hơi nước bay lên cao, nhiệt độ khí quyển ở trên cao thấp hơn rất nhiều so với bề mặt Trái đất. Vậy nên khi hơi nước bay lên, nhiệt độ lạnh hơn, chúng sẽ mất nhiệt, cô đặc, và trở lại dạng chất lỏng ban đầu.

Giờ chúng ta quay trở lại với chu trình nước. Nước và hơi ẩm trên bề mặt Trái đất hấp thụ nhiệt từ ánh sáng Mặt trời, các phân tử nước bắt đầu tách ra khỏi chất lỏng và chuyển thành thể hơi. Hơi nước bay lên cao, càng cao nhiệt độ càng thấp, hơi nước mất nhiệt và ngưng tụ lại thành các giọt nước. Trọng lực của Trái đất kéo chúng rơi xuống, và tạo thành mưa. Và rồi cứ thế, chu trình nước lặp đi lặp lại. Ngoài ra, khi nhiệt độ trên cao đủ lạnh, nó sẽ làm hơi nước ngưng tụ nhanh hơn, đông lại và tạo thành bông tuyết, khi đó, thay vì mưa, sẽ là tuyết rơi.

Chắc bạn đang tự hỏi, chu trình nước thì có liên quan gì ở đây? Thực ra nó có vai trò rất quan trọng trong việc hình thành chớp. Phần tiếp theo, sẽ nói về “bão điện”.

Bão điện – electrical storm

Trong một cơn bão điện, các đám mây được tích điện, giống như một cái tụ điện khổng lồ trên trời vậy. Phần bên trên của đám mây tích điện dương, và phần thấp tích điện âm. Vậy, tại sao lại hình thành được sự chânh lệch điện tích như vậy? Vấn đề này hiện còn rất nhiều tranh cãi, tuy nhiên, dưới đây là một giả thiết được chấp nhận.

Trong chu trình nước, hơi nước được ngưng tụ trong khí quyển, và hình ảnh chúng ta nhìn được của quá trình này, là những đám mây. Đám mây là tập hợp của rất nhiều giọt nước, và cả đá nữa. Khi quá trình bay hơi và ngưng tụ xảy ra liên tục, đã xuất hiện sự tương tác giữa hơi nước và những giọt nước hay bông tuyết trong đám mây, cả những giọt nước đang rơi xuống Trái đất nữa. Sự tương tác này, thường xảy ra ở tầng thấp phía bên dưới những đám mây. Điểm quan trọng ở đây là, sự va chạm này làm tách các electron trong hơi nước đang bay lên.

Và như vậy, quá trình tách electron xảy ra ở phần dưới những đám mây, nên vùng này mang điện tích âm. Ngược lại, hơi nước – mang điện tích dương do mất electron – tiếp tục bốc hơi, bay lên trên cao, qua cả những đám mây, nên vùng trên đám mây sẽ mang điện tích dương. Sự tương tác giữa các phần tử, cùng với hiện tượng đông lạnh, là sự giải thích hợp lý cho việc hình thành chênh lệch điện tích – điều kiện cần để hình thành sét đánh.

Khi có sự chênh lệch điện tích ở các đám mây, cùng lúc đó sẽ xuất hiện điện trường tương ứng: điện trường âm phía dưới và điện trường dương phía trên. Cường độ của điện trường liên quan trực tiếp tới lượng điện tích được sinh ra. Khi quá trình tương tác và đông lạnh liên tục xảy ra, điện trường càng ngày càng mạnh theo thời gian, và càng mạnh thì các electron trên bề mặt Trái đất sẽ càng đi sâu vào trong lòng Trái đất do chúng tương tác với điện trường âm của phần thấp các đám mây, và do đó, bề mặt Trái đất sẽ tích điện dương rất mạnh.

Vậy là đã có vùng điện tích âm, và vùng điện tích dương, giờ chỉ cần một con đường dẫn truyền cho vùng tích điện âm dưới đám mây tiếp xúc với vùng điện tích dương trên bề mặt Trái đất. Thực tế là, chỉ cần điện trường cực mạnh, là đã đủ để tạo nên đường dẫn truyền này.

Quá trình ion hoá không khí

Với điện trường cực mạnh xung quanh những đám mây (khoảng 10.000 volts/inch), không khí bắt đầu bị “break down”. Các nguyên tử trong không khí bắt đầu bị tách riêng thành ion dương và các electron – không khí đã bị ion hoá. Hãy nhớ rằng, quá trình ion hoá không làm tăng thêm sự chênh lệch điện tích do sinh ra electron và ion dương; mà nó chỉ làm các electron và hạt nhân nguyên tử cách xa nhau ra mà thôi, bản chất chúng vẫn nằm trong một nguyên tử.

Và khi đó, electron sẽ dễ dàng di chuyển hơn trước, do ràng buộc của điện tích dương tại hạt nhân bị giảm đi. Không khí bị ion hoá – hay còn gọi là môi trường plasma – dẫn điện tốt hơn rất nhiều, khả năng dẫn điện của nó tương tự như kim loại. Và, vô tình, không khí bị ion hoá trở thành vật dẫn điện để giúp trung hoà sự chênh lệch điện tích, làm môi trường cho hiện tượng phóng điện.

Sau quá trình ion hoá không khí, con đường dẫn truyền giữa các đám mây và mặt đất được hình thành. Tiếp sau đó, sẽ là step leader.

Step leaders

Sau khi hiện tượng ion hoá xảy ra, và môi trường plasma hình thành, con đường dẫn truyền không hình thành ngay lập tức, mà sẽ là từng tầng không khí bị ion hoá, chứ không phải cùng một lúc. Chúng được gọi chung là các step leaders.

Một vấn đề nữa, không khí bị ion hoá không đều, có vùng bị ion hoá mạnh hơn, có vùng yếu hơn. Bụi và các chất bẩn làm không khí bị ion hoá mạnh hơn. Ngoài ra, hình dáng của điện trường cũng đóng vai trò không nhỏ: nó phụ thuộc vào khu vực các hạt mang điện. Nếu điện trường song song với mặt đất, và nó đủ nhỏ để coi như độ cong của bề mặt Trái đất là không đáng kể, thì đây giống như hai bản tụ điện song song với nhau vậy.