Xen kẽ những đợt nắng nóng đỉnh điểm trong mùa hè ở Việt Nam thường là những trận mưa dông có kèm theo sấm sét. Mặc dù tất cả chúng ta hồi nhỏ đã từng tự hỏi: Sét sinh ra từ đâu và nó nguy hiểm đến nhường nào? Nhưng ít người tò mò tới mức đi tìm hiểu bản chất vật lý cũng như hóa học của sét.
Thật không may, họ đã bỏ lỡ những kiến thức vô cùng thú vị và tuyệt vời về một hiện tượng thiên nhiên vô cùng ấn tượng: Sét hóa ra có thể được giải thích bằng những kiến thức vật lý lớp 6. Và đằng sau nó có cả những phương trình hóa học hết sức đơn giản nhưng có thể trả lời cho các câu hỏi:
Tại sao bạn thấy sét có màu xanh? Tại sao một số người ngửi thấy sét? Và sét có thể giúp cây cỏ phát triển như thế nào sau một trận mưa?
Hãy cùng tìm hiểu:
1. Vật lý của sự hình thành sét
Sự hiểu biết của khoa học về quá trình hình thành sét vẫn còn khá chắp vá ở nhiều điểm, nhưng nhìn chung, chúng ta đã có thể giải thích một cách tổng quát những gì đã xảy ra trong một đám mây dông.
Chúng ta biết mây hình thành từ một dòng hơi nước bốc lên từ dưới mặt đất. Nó chứa các hạt nước nhỏ bay lên theo luồng khí nóng, gặp nhiệt độ lạnh sẽ ngưng tụ lại, đôi khi đóng thành các tinh thể băng nhỏ.
Khi các tinh thể băng đã tụ lại với nhau, chúng sẽ hình thành lên các hạt graupel giống như tuyết hoặc băng mềm có đường kính khoảng 2-5 mm. Các hạt băng mềm này nặng hơn nên sẽ không di chuyển hoặc rơi dần xuống đáy đám mây.
Song song với quá trình đó, các tinh thể băng tiếp tục bị luồng khí đẩy lên phía trên đỉnh đám mây. Chúng cọ xát vào các hạt băng mềm dẫn đến trao đổi điện tích. Kết quả là, các tinh thể băng và hơi nước siêu lạnh đi lên trên sẽ tích điện dương, còn các hạt băng mềm ở dưới sẽ tích điện âm.
Điều này dần dần tạo ra sự chênh lệch điện tích giữa phần trên và phần dưới của đám mây. Phần trên cùng của đám mây trở nên tích điện dương, trong khi phần giữa và phần đáy trở nên tích điện âm.
Và nó không chỉ tạo ra ảnh hưởng trong nội bộ đám mây. Đáy của đám mây tích điện âm còn đẩy các điện tích âm dưới bề mặt đất. Một khu vực dưới đất khi đó sẽ tích điện dương, thường là các khu vực trên cao như ngọn cây, cột điện…
Cuối cùng, khi sự hấp dẫn giữa một đám mây tích điện âm và mặt đất tích điện dương đủ lớn, đám mây sẽ phóng ra một dòng electron chạy với vận tốc 435.000 km/h xuống dưới đất. Đó chính là sét.
Nhưng sét không chỉ phóng từ các đám mây xuống đất. Nó cũng có thể phóng từ đám mây này sang đám mây khác hoặc ngay chính trong một đám mây.
Ngoài tốc độ di chuyển cực nhanh, sét còn tạo ra một nhiệt độ cực cao đốt nóng không khí xung quanh nó. Các nhà khoa học ước tính nhiệt độ mà một tia sét tạo ra có thể lên tới 30.000˚C - nóng hơn cả bề mặt của Mặt Trời.
Chính từ hiệu ứng đốt nóng không khí một cách đột ngột này mà sét mới tạo ra sấm. Không khí xung quanh luồng sét bị nóng lên sẽ nở ra nhanh chóng, sau đó lại nguội đi và co lại. Sự giãn nở không khí này tạo ra sóng âm truyền đến tai chúng ta, chính là tiếng sấm.
Và bởi vì âm thanh đi trong không khí chậm hơn so với ánh sáng bạn nhìn thấy từ một tia sét. Chúng ta có thể dùng sự chênh lệch này để ước tính khoảng cách từ vị trí bạn đứng tới tia sét khi nó đánh xuống đất.
Chúng ta biết âm thanh truyền đi trong không khí với tốc độ khoảng 343 m/s. Do đó, cứ mỗi 3 giây, nó sẽ đi được khoảng 1km. Nếu bạn nhìn thấy một tia sét đánh xuống, sau đó 3 giây mới nghe thấy tiếng sấm, thì tia sét đó cách bạn khoảng 1 km. Cứ thế nhân lên 6 giây là 2km, 9 giây là 3km…
Nguyên lý tương tự có thể áp dụng với những tia sét chỉ đánh trên không trung. Sử dụng cách tính này, bạn có thể ước tính khoảng cách từ bạn tới cơn dông gần đó.
2. Hóa học của những tia sét
Chúng ta đã nói về vật lý của những đám mây dông, bây giờ đến khía cạnh hóa học của nó, cũng không kém phần thú vị. Nếu hồi nhỏ bạn từng tin rằng mình có thể ngửi thấy một cơn bão sắp tới, trên thực tế bạn không sai.
Một số người có thể ngửi thấy không khí có mùi ngọt pha lẫn hăng trước một cơn bão. Đó chính là mùi của ozone. Sét đánh trong không khí sẽ phân chia các phân tử oxy trong khí quyển thành các nguyên tử oxy riêng lẻ. Sau đó, chúng có thể kết hợp với các phân tử oxy khác để tạo thành ozone.
Những tia sét thường có màu xanh tím cũng là hệ quả của việc ion hóa các phân tử trong không khí. Đặc biệt, sự phát xạ từ các nguyên tử nitơ bị kích thích và nguyên tử hydro (từ hơi nước trong không khí) thường khiến sét có những màu lạnh này.
Nitơ cũng tham gia vào quá trình hóa học tiếp theo của sét. Ở nhiệt độ cao mà sét tạo ra, nitơ và oxy trong không khí sẽ có đủ năng lượng để kết hợp lại với nhau, tạo thành oxit nitơ. Kế đó, các oxit nitơ này có thể hòa tan trong nước mưa và tạo thành nitrat. Nitrat thì rất tốt cho sự phát triển của thực vật, vì vậy, cây cối thường mọc tốt hơn sau khi trời mưa hơn là tưới nước.
Quá trình nitơ được biến thành nitrat, trở thành một loại phân bón giúp thực vật có thể sử dụng được gọi là 'cố định nitơ'. Mỗi năm, sét trên Trái Đất có thể tạo ra 3-10 teragram nitơ cố định (so với 100-300 teragram được cố định bởi vi khuẩn trong đất).
Và đó vẫn chưa phải những phản ứng hóa học cuối cùng mà sét có thể kích hoạt. Nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng tia gamma do sét phóng ra, thậm chí, có thể gây ra các phản ứng hạt nhân quy mô nhỏ trong khí quyển. Quá trình tự nhiên này có thể tạo ra các đồng vị khác nhau của nitơ, oxy và carbon.
genk.vn