http://www.ebook.edu.vn 376 Chơng 11 sét, sấm v vòi rồng Khó tởng tợng một ai đó lại không có ấn tợng gì về vẻ đẹp cũng nh sự nguy hiểm m một cơn dông tố mang lại. Mặc dù rất ngoạn mục, nhng 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 ngy. Mặc dù tần suất xuất hiện của chúng biến đổi đáng kể từ nơi ny đến nơi khác, thực tế l từng địa phơng trên Trái Đất đều bị tổn thơng bởi sấm sét trong một thời gian no đó. Sét có thể gây nên những bất tiện - nh lm hỏng những dụng cụ điện trong nh. Nó cũng có thể gây tác hại đáng kể, nh lm mồi cho những vụ cháy rừng. V dĩ nhiên, nó có thể gây chết ngời; trung bình mỗi năm khoảng 200 ngời bị chết do sét ở Mỹ v Canađa. Nhng nếu xét rằng dân số của hai đất nớc lớn ny tới 300 triệu ngời, thì dễ dng 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 ngời ta vẫn bị sét tấn công. Xét trờng 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 cời vẻ ngoi của tình huống ny, các cậu bé đã chụp một tấm ảnh nh trên hình 11.1. Ma đá tức thời rơi. Rồi tia chớp giáng xuống ngay sau đó - Sean bị quật ngã bất tỉnh. Michael nhanh chóng lm hô hấp nhân tạo, có lẽ chính vì thế m Sean đợc cứu vớt. Nhng một nạn nhân khác thì ít may mắn hơn. Tia chớp có vẻ rẽ thnh nhiều nhánh, một nhánh khác chiếu vo hai ngời bên cạnh v một trong hai đã bị giết. Nhng những tác động của sét v sấm chớp còn cha l gì so với một mối nguy http://www.ebook.edu.vn 377 hiểm thậm chí lớn hơn - vòi rồng. Bây giờ chúng ta sẽ xem nh thế no, ở đâu v tại sao thời tiết dữ tợn xuất hiện, v chúng ta sẽ xét những tình huống lm cho một số cơn gió lốc thì yếu, còn một số cơn khác lại trở thnh tác hại v gây chết ngời. Những quá trình hình thnh sấm sét Khoảng 80 phần trăm tất cả những tia chớp l do tích điện trong phạm vi các đám mây, ngợc lại với sự tích điện từ mây tới bề mặt. Tia chớp từ mây tới mây ny xuất hiện khi građien điện thế trong phạm vi một đám mây, hoặc giữa các đám mây, vợt quá điện trở của không khí. Kết quả l một tia sáng lóe lên rất lớn v mạnh, một phần tơng đơng với sự chia tách điện tích. Tia chớp từ mây tới mây lm 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 thờng hay đợc 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 dới thấp của đám mây. Các điện tích dơng bị hút tới một khu vực tơng đối nhỏ trên mặt đất ở ngay bên dới đám mây. Điều đó tạo thnh một hiệu điện thế lớn giữa mặt đất v chân mây. Điện tích dơng tại bề mặt l một hiện tợng cục bộ; nó tạo ra bởi vì điện tích âm tại chân mây đẩy các điện tử trên đất phía dới. ở cách xa chỗ đó thì bề mặt duy trì điện tích âm bình thờng của nó so với khí quyển. Mặc dù thuật ngữ từ mây tới đất đợc dùng, song một hiệu ứng đúng nh vậy diễn ra trong nớc - v tia sét thờng hay đánh xuống các hồ, sông v đại dơng. Mặc dù một cú sét có thể xuất hiện v tiếp diễn chỉ trong vi tích tắc, song trớc đó phải có một chuỗi những sự kiện bình thờng 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 đờng để các điện tử có thể truyền qua. Chỉ sau đó điện mới thực sự đợc tích để tạo ra một cú sét. Sự chia tách điện tích Tất cả các tia chớp đòi hỏi lúc đầu các điện tích dơng v âm phải chia tách vo những vùng khác nhau của một đám mây. Thờng hay xảy ra nhất l các điện tích dơng tích tụ ở các chóp phía trên của một đám mây, các điện tích âm ở các phần phía dới. Những túi điện tích dơng 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 no 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. Nhng chúng ta biết một số thực tế quan trọng, từ đó chúng ta có thể có ý niệm no đó về các điện tích chia tách ra nh thế no. Trớc 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 ma. Nh vậy, các quá trình tinh thể băng l nguyên nhân gây ma cũng đồng thời phải tác động đến sự chia tách điện tích. Trong nhiều năm, nhiều lý thuyết đã đợc đề xuất v bị tranh cãi gay gắ t. Không có một đáp án cuối cùng no đợc đa ra cho đến khi http://www.ebook.edu.vn 378 một phát hiện lớn vo năm 1998, khi một mô hình đề cập tới sự truyền điện tích qua những lớp nớc mỏng ở trên các tinh thể băng v hạt ma đá đã đợc 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, nhng các vật rắn thờng hay bị bao bọc bởi một lớp bề mặt lỏng với độ dy chỉ vi phân tử. Lớp ny 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. (Ngoi những lý do khác, sự hiện diện của lớp ny giải thích tại sao băng lại trơn nh vậy tại các nhiệt độ khá thấp dới không độ bách phân) * . Trong một đám mây, khi một tinh thể băng v một hạt ma đá va chạm với nhau, một số phân tử nớc lỏng ở trên bề mặt hạt ma đá di c sang băng. Thực tế, có bằng chứng để cho rằng sự va chạm thực sự lm tăng xu thế chất lỏng hóa v nhờ đó lm tăng sự vận chuyển khối lợng. Cùng với các phân tử nớc, còn có sự vận chuyển điện tích dơng từ hạt ma đá tới tinh thể băng hay, một cách tơng đơng, vận chuyển điện tích âm từ tinh thể tới hạt ma đá. Bằng * Cú th bn tng nghe núi rng ỏp sut t mt li dao dy trt bng lm tan bng to ra mt lp mng nc trn, nhng iu ú khụng ỳng. Bng t nú ó trn bt chp bn cú nộn mnh nú hay khụng. http://www.ebook.edu.vn 379 cách ny m các tinh thể băng nhờng những iôn âm cho phần lớn những hạt ma đá lớn, sau đó những hạt ny rơi xuống dới 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 đợc dẫn trớc bởi một sự tiến về phía dới rất nhanh v va chạm của một nhánh chớp gồm không khí tích điện âm, gọi l một đầu dẫn từng bớc (hình 11.2b), từ chân của đám mây. Đầu dẫn không phải l một cột đơn của không khí bị iôn hóa; nó rẽ thnh các nhánh từ một nhánh chính ở một số chỗ. Với đờng kính chỉ bằng khoảng 10 cm, từng nhánh chớp lúc đầu từ chân mây bổ nho kiểu sóng xuống phía dới khoảng 50 m trong vòng khoảng một phần triệu giây. Đầu dẫn không nhìn thấy ny dừng lại trong khoảng 50 m, sau đó ln sóng nho xuống phía dới 50 m nữa hoặc đại loại nh vậy. Chính vì chuyển động hớng xuống dới thnh một chuỗi rất nhanh các bớc riêng lẻ m ngời ta gọi l đầu dẫn từng bớc. 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 đờng dẫn cho dòng điện tử phát sinh lúc đầu thnh một chuỗi các sóng xung phát sáng chói lòa, hay các sóng xung đập trả lại. Dòng điện với cờng độ khoảng 20000 ampe có đờng dẫn xuống phía dới từ chân của đám mây, nhng sóng xung đập thực sự truyền lên phía trên (hình 11.2d). Đờng dẫn điện kết thúc tại bề mặt m từ đó có một sóng xung đập của điện tích dơng 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 lm trung hòa một số, nhng 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 thnh trong phạm vi khoảng một phần mời giây v từ nó có một sóng xung đập tiếp theo xuất hiện. Chuỗi các đầu dẫn liên tục http://www.ebook.edu.vn 380 v các sóng xung đập ny 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 lm sáng một bóng đèn 100 W trong một phút hoặc khoảng đó. Vậy lm thế no 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 tơng 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 lợng giải phóng lớn hơn nhiều do mỗi điện tử đợc vận chuyển. Tất cả những thực tế đó có nghĩa rằng một lợng lớn năng lợng đợc giải phóng trong một thời khoảng rất ngắn, lm 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 dơng 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 dơng đợc mang theo ở phía trớc (hình 11.4). Những điện tích dơng ny cảm ứng những điện tích âm tại bề mặt đất, dẫn đến một tia chớp mang điện tích dơng đi xuống dới bề mặt. Kết quả l, thờng hay xảy ra các tia chớp đầu tiên của một trận dông tố l những tia chớp dơng v các quan trắc phát hiện đợc rằng chúng có thể mạnh gấp hai lần những sóng xung đập âm thanh tiếp sau. Dạng chớp dơng ny do đó đặc biệt nguy hiểm. Nó có thể xuất hiện cách xa bão một số dặm, nơi m ngời ta không cảm thấy bị đe dọa; nó có dòng điện tử đỉnh điểm lớn hơn v nó thờng kéo di 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 thnh một khối tròn, sáng nóng của không * Cú khi mt chp cú th gm hn 30 súng xung p riờng r. http://www.ebook.edu.vn 381 khí nhiễm điện, kích thớc bằng tới một quả bóng chuyền, nó có vẻ chạy đu đa trong không khí hoặc dọc theo bề mặt trong khoảng 15 giây hoặc đại loại nh vậy trớc khi tan biến hoặc nổ tung. Có một dạng sét hòn l một khối mu đỏ xẫm, trôi tự do, nó có xu hớng tránh những dây dẫn điện v trôi vo những khoảng không gian khép kín hoặc qua các cửa ra vo v cửa sổ. Dạng khác thì sáng chói hơn nhiều v bị thu hút bởi những vật dẫn điện (kể cả ngời). Nhiều cách giải thích về sét hòn đã đợc đa ra trong ít nhất một trăm năm mơi năm qua, nhng cho tới gần đây không cách giải thích no thâu tóm đợc tất cả những khía cạnh của hiện tợng v phần lớn cách giải thích có nhợc điểm rất thô sơ. Tình hình mới đợc cải thiện đáng kể vo đầu năm 2000 với một thông báo về những cuộc thí nghiệm liên quan tới sét nhân tạo trên đất. Ngời ta thấy rằng sét lm suy giảm các hợp chất của silic trong đất tới những phần tử kích thớc 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 ny chứa hóa năng lớn đáng kể v không bền vững trong môi trờng ôxy. Chúng thoát vo trong không khí, ở đó chúng bị lạnh đi nhanh v ngng tụ thnh các chuỗi xích v mạng lới rất mỏng. Các mạng lới rất nhẹ, cho nên chúng trôi dễ dng trong khí quyển. V điều quan trọng l chúng cháy sáng khi bị ôxy hóa, giải phóng năng l ợng dự trữ dới dạng ánh sáng nhìn thấy. Vầng lửa thánh Elmo cũng l một dạng hiện tợng điện hiếm v lạ thờng khác. Sự iôn hóa trong không khí - thờng l ngay trớc khi hình thnh chớp từ mây tới đất - có thể lm cho những đối tợng 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 tợng ny tạo ra một sắc mu 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 tợng điện cha từng đợc biết ở trên đỉnh của cơn dông lốc. Các bóng ma (hình 11.5) l những loạt chùm sáng điện rất lớn nhng ngắn ngủi nâng lên từ các đỉnh mây khi chớp xuất hiện ở phía dới. Một bóng ma trông giống nh một con sứa mu đỏ khổng lồ, mở rộng tới 95 km bên trên các đám mây, có các vòi mu xanh lơ hoặc xanh thẫm treo lơ lửng ở dới thân. Những vụ bóng ma chỉ xảy ra khoảng một http://www.ebook.edu.vn 382 phần trăm của tất cả những hiện tợng 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 trớc khi hiện tợng ny đợc quan sát từ các chuyến bay đặc nhiệm trong không gian, nhng trớc đây họ thờng không thông báo về chúng, sợ rằng họ bị quy kết có chứng hoang tởng). Những tia sáng xanh (hình 11.6) l những vụ phóng điện hớng 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 tợng điện khác bên trên các cơn dông bão vẫn cha đợc phát hiện hết. Sấm Sự tăng mạnh nhiệt độ trong một cú va đập chớp lm cho không khí nở ra rất nhanh v tạo thnh 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 ny tạo ra một khoảng trễ giữa tia chớp v tiếng sấm; chớp cng ở xa thì thời gian trễ cng lâu. Bạn có lẽ đã biết một quy tắc kinh Hình 11.6. Một tia sáng xanh nghiệm để ớc lợng 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). Phơng pháp ny 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 lm cho sóng âm bị lệch hớng lên trên. Tại những khoảng cách ngắn, lợng lệch hớng có thể bỏ qua. Nhng với khoảng cách 20 km, thì nó đủ lm dịch chuyển các sóng âm để không thể nghe thấy tại mực bề mặt. Tia chớp tởng nh xuất hiện không có sấm đôi khi đợc gọi l chớp nhiệt, mặc dù chuyên từ ny gây nhầm lẫn ở chỗ nó hm ý có một cái gì đó không bình thờng ở loại chớp ny. Sự bất thờng duy nhất chỉ l âm thanh của sấm không đạt tới ngời 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 thờng hay xuất hiện thnh một tiếng rì rầm kéo di. Một sóng xung của chớp tạo ra sấm có thể di một số km, nên một phần của nó có thể khá xa đối với ngời nghe so với các phần kia. Do đó, tiếng sấm tạo thnh một âm thanh kéo di vì các âm thanh của phần ở xa của sóng xung đập cần thời gian lâu hơn để đạt tới ngời nghe. Tại những khoảng cách lớn hơn, tiếng vọng của sóng âm từ các tòa nh v đồi núi có thể lm cho sấm thnh một âm thanh rì rầm. http://www.ebook.edu.vn 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 đợc giải thích bằng những nguyên lý cơ bản của điện học khí quyển. Bạn đã biết từ chơng 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 dơng, giống nh chúng ta thấy ở gần cực dơng của một bình ác quy. Theo đúng nh kiểu m một bình ác quy tích trữ năng lợng, các điện tích trong khí quyển thể hiện năng lợng tích lũy v có tiềm năng thực hiện công. Đối với cả các ác quy lẫn khí quyển, tiềm năng điện đợc biểu diễn băng điện thế, tức năng lợng 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 tơng đơng với điện tích m 19 106 ì điện tử mang theo. Điện thế cng cao, năng lợng giải phóng từ mỗi culông vận chuyển cng lớn. Trong trờng hợp Trái Đất, hiệu điện thế khổng lồ tồn tại giữa bề mặt v iôn quyển - khoảng 400000 V! Građien điện thế ny hình thnh nên cái m chúng ta gọi l điện trờng thời tiết đẹp . Điện trờng thời tiết đẹp luôn luôn hiện diện, thậm chí trong thời tiết xấu, cho nên tên đúng hơn lẽ ra phải l điện trờng trung bình. Điện trờng thời tiết đẹp có thể xem nh trạng thái nền, ở trên đó các sự kiện cực đoan nh chớp đợc xếp chồng lên. Điện có bị truyền đi một cách thích ứng với građien điện thế của điện trờng thời tiết đẹp hay không? Có, nhng bởi vì không khí l một vật cách điện tốt, nên dòng điện yếu, khoảng 2000 culông một giây đối với ton hnh tinh (2000 A). ở Bắc Mỹ, trong mỗi tòa nh điển hình đợc mắc dây để si 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 tơng đơng) các điện tích dơng đợc vận chuyển khỏi khí quyển. Từ đây suy ra rằng để cho trờng điện trung bình đợc duy trì, thì nó phải liên tục đợc bù lại. Thực tế l nhiễm điện chớp đợc 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 trờng điện. Trong khí quyển tầng thấp, građien của điện trờng thời tiết đẹp bằng cỡ 100 V/m. (Mặc dù điều ny có vẻ rất ấn tợng, hãy nhớ lại rằng chỉ có ít iôn có mặt, thnh thử tổng năng lợng hiện có l rất thấp). Để cho chớp xuất hiện, độ lớn của trờng phải đợc cờng hóa nhiều so với giá trị nền. Chỉ khi građien điện thế đạt tới hng 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 thnh nh thế no l câu hỏi dông tố có tích điện đủ không. Ngay cả ngy nay mới chỉ có một phần đáp án, nh chơng ny đã mô tả. An ton sét Mặc dù rất lộng lẫy, chúng ta không đợc quên rằng sét có thể dữ tợn chết ngời, nó giết hại trung bình 69 ngời ở Mỹ một năm v 7 ngời - ở Canađa. May thay, hiểu biết ngy nay của chúng ta về sét mách bảo cho chúng ta một số quy tắc an ton quan trọng. Thứ nhất v cơ bản nhất, đó l khi có sét, hãy luôn ẩn náu trong một tòa nh, http://www.ebook.edu.vn 384 không tiếp xúc với bất kỳ dụng cụ điện no hoặc máy điện thoại. V dĩ nhiên, không quan sát cơn giông bão có sét từ một hồ nớc hoặc một bồn nớc nóng. Các xe ô tô (không phải loại mui trần) l tơng đối an ton, nhng không phải vì các bánh xe bằng cao su đảm bảo cách điện với mặt đất (nh nhiều ngời 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 vo phía bên trong nội thất (hoặc những ngời trong đó). Chính thực tế ny giải thích tại sao sét hiếm khi lm 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 ngời thấy sét hòn * Tôi thấy sét hòn trong một trận dông bão vo mùa hè năm 1960. Bấy giờ tôi 16 tuổi. Lúc đó vo khoảng 9g00ph tối, trời rất tối, còn tôi đang ngồi với bạn gái của mình bên một chiếc bn 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 lng về phía khép kín. Trời ma rất nặng. Một quả cầu mu trắng nhờ - vng nhạt, kích thớc cỡ quả bóng bn, xuất hiện ở bên trái chúng tôi, cách khoảng 30 m, v vẻ ngoi 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 vo tới, nó lớt gần đầu chúng tôi ở khoảng cách 1 mét, rồi đột ngột rơi xuống sn gỗ ẩm. Nó lăn long lóc theo sn ra ngoi 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 ngời ta quẹt mạnh một que diêm. Khi nó lăn trên sn, nó biểu lộ những tính chất đn hồi (một nh vật lý chắc sẽ gọi chúng l những dao động rung cộng hởng). Độ rọi sáng của nó nh thể nó không sáng lóa lắm. Tôi ớc lợng nó giống nh ánh sáng của một bóng đèn nhỏ hơn 10 W. Tất cả mọi chuyện kéo di khoảng 15 giây. Ngay cả bây giờ tôi vẫn nhớ nh in về nó, nh tất cả những ngời chứng kiến, bởi vì nó quá bất thờng. Chỉ sau đó mời năm, tại một buổi hội thảo về sét hòn, tôi mới nhận ra cái gì tôi đã đợc mục kích. ____________ * Nguồn: Graham K. Hubler. In lại đợc phép của Nature. Bản quyền 2000, Macmillan Magazines Ltd. Chúng ta thờng hay liên hệ những trận sét đánh chết ngời với việc chơi golf trong khi dông tố v những hnh vi ngốc nghếch khác, nhng mối nguy hiểm không phải bao giờ cũng dễ tránh. Ví dụ, ngy 1 tháng 1 năm 2000, một cú sét đơn độc giết chết một gia đình sáu ngời gần núi Darwin, Zimbabwe trong một thảm kịch rất giống với một vụ khác xảy ra ít tháng trớc đó ở Zimbabwe, khi một cú sét đơn lẻ giết chết sáu ngời gần thnh phố Gokwe. Những vụ chết do sét đang trở thnh thờng xuyên hơn bao giờ hết ở vùng khi rừng bị thu hẹp, lng mạc sinh sống bị lộ ra trớc những diện tích trống trải. Vấn đề trở nên rất căng thẳng do sử dụng rơm rạ hoặc lá cọ lm vật liệu lợp mái nh. Muội khói từ lửa bếp thấm vo rơm rạ với chất cacbon lm cho mái nh dẫn điện tốt v hấp dẫn đối với sét. http://www.ebook.edu.vn 385 Trong khi nạn phá rừng đang lm tăng nguy cơ chết ngời 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 ny còn gây ấn tợng hơn khi ngời ta cho rằng từ thời gian đó dân số đất nớc đã tăng từ khoảng 150 triệu tới 270 triệu. Sự tiết giảm về số tử vong đợc 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 đợc 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 đợc xem l có đóng góp vo mức giảm ny. 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 phơng, thời gian sống ngắn, chúng tiêu tan trong vòng vi chục phút sau khi hình thnh. 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 vo trong những đám mây gây ma. Vì lý do đó, chúng thờng không tạo ra thời tiết khắc nghiệt. Tuy nhiên, trong những dịp khác, các dòng giáng từ ma lớn thực sự lm mạnh các cơn lốc tố gây nên ma. Những con lốc tố đó đợc 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, thờng chỉ kéo di không đến một giờ. Mặc dù tên gọi của nó ngụ ý rằng những trận lốc tố ny có thể chiếm cứ ton bộ những khối không khí (chúng rất rộng lớn), những trận lốc tố khối khí rất cục bộ. Nhng 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 ny: các cơn lốc tố khối khí đợc chứa trong phạm vi các khối không khí đồng nhất, nhng 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 ny nghiên cứu những sự kiện nh vậy ở Ohio v Florida trong thời gian cuối những năm 1940. Một trận lốc tố khối khí thờng gồm một số nhân riêng biệt, mỗi nhân trải qua một tuần tự ba giai đoạn khác biệt - giai đoạn mây tích, giai đoạn trởng thnh 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, thờng l do đối lu địa phơng xảy ra khi một số bề mặt bị đốt nóng nhanh hơn những bề mặt khác. Vì các cơn lốc tố khối khí thờng hay xảy ra vo 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 no gây nên dòng thăng, không khí nâng lên sẽ bị lạnh đi đoạn nhiệt để hình thnh những đám mây tích thời tiết đẹp. Những đám mây khởi đầu ny có thể tồn tại chỉ vi phút trớc khi bốc hơi. Mặc dù chúng không trực tiếp dẫn tới ma, những đám mây khởi đầu đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển lốc tố nhờ sự di chuyển hơi [...]... 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 Trung bình năm TX OK KS FL NE IA MO SD IL CO LA MS GA AL IN AR WI MN ND MI OH NC TN PA WY SC NM KY VA NY MT CA AZ MD MA ID NJ WV ME UT NH CT WA DE NV OR VT HI RI AK DC 122,0 51,1 46 ,9 44 ,6 37,2 30,5 25,9 25,3 25,3 24, 7 24, 1 23,1 19,7 19,7 19,7 19,0 18,8 18,5 17,8 15,8 14, 4 13,1 11, 2 10,0 9,6 9 ,4 8,7 8,3 6,2 5,5 5,3 4, 8... vòi rồng dữ tợn (F4 v F5) Vậy chỉ có 2 % tất cả các vòi rồng chịu trách nhiệm về hơn hai phần ba tất cả các ca tử nạn Có vẻ nh những thông báo báo chí về các vụ vòi rồng l m chết ng ời có xu h ớng tập trung v o những nh -xe di động, điều n y có một lý do Một tỷ lệ lớn không cân xứng của các vụ tử nạn liên quan vòi rồng trong thực tế đã xảy ra với các nh -xe di động Những nh -xe di động ít đảm bảo bảo... dõi không có nghĩa rằng thời tiết cực đoan đã phát triển hoặc đang đe dọa; nó đơn giản l báo cho công chúng rằng tình thế thời tiết 41 0 http://www.ebook.edu.vn đang dẫn tới hình th nh thời tiết cực đoan Phần lớn tin theo dõi đ ợc phát báo cho một thời đoạn từ 4 đến 6 giờ, cho một diện tích bao quanh một số vùng - khoảng 50000 đến 100000 km2 Trung tâm Dự báo bão của Cơ quan Thời tiết Hoa Kỳ ở Norman,... duy nhất, các cơn lốc tố siêu nhân có cấu trúc khá phức tạp, dòng thăng v dòng giáng uốn cong v cuộn với nhau do sự đứt gió (hình 11. 15) Giống nh trong một hệ thống thời tiết khác bất kỳ sinh ra thời tiết cực đoan, các dòng giáng có tác dụng l m tăng c ờng các dòng thăng bên cạnh Các nh khí t ợng học rất quan tâm theo dõi những siêu nhân Rất may, họ có một công cụ rất hữu ích l rađa thời tiết Một kiểu... th nh, nó cho phép các nh khí t ợng học đ a ra tin cảnh báo tr ớc Gần đây, v o những năm 1980, Cơ quan Thời tiết Quốc gia Hoa Kỳ đã sử dụng một mạng l ới các trạm rađa sản xuất trong những năm 1950 Thiết bị quá lỗi thời, nó dựa trên các bóng điện tử chân không chứ không phải các bóng bán dẫn! Trong thời gian đầu những năm 1990, Cơ quan Thời tiết đã bắt đầu thay thế hệ thống cũ từ các rađa truyền thống... 40 5 Hình 11. 28 Phân bố vòi rồng trong năm ở các bang của Mỹ Vòi rồng ở vùng hồ lớn Great Lakes có xu thế xuất hiện muộn hơn trong năm so với ở vùng bờ vịnh Mexico Các bang đồng bằng miền nam từ Taxas đến Kansas có giá trị tháng lớn nhất v o tháng 5 ở phía bắc, vòi rồng nhiều nhất v o tháng 6 40 6 http://www.ebook.edu.vn Bảng 11. 1 Số vòi rồng ở Mỹ thời kỳ 195 0-1 9 94 TT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14. .. khi một lớp không khí nóng, khô nằm ở bên trên không khí ẩm Các trắc diện nhiệt độ (đ ờng liền) v điểm s ơng (đ ờng gạch nối) thể hiện tình huống n y Điều gì sẽ xảy ra với các phần tử không khí ở 50 m bên trên v bên d ới đáy của nghịch nhiệt? Bởi vì phần tử 1 gần bão hòa (tức điểm s ơng gần với nhiệt độ không khí) , sự nâng lên l m cho nó trở th nh bão hòa sau 500 m chuyển động thăng Phần tử 2 ở bên trên... 5,3 4, 8 3 ,4 3,2 3,0 2,6 2,5 1,8 1,8 1,7 1,6 1 ,4 1,2 1,2 1,1 1,0 0,7 0,6 0,2 0 0 Trung bình năm trên 10000 km2 FL OK KS IN IA LA MS NE TX IL AL MO AR OH GA WI SD NJ SC CT MI TN ND NC CO MN PA KY NH RI VA MD NY WY HI MT VT NM WV DE ME MA AZ CA ID WA NV OR UT AK DC 19,8 19,0 14, 8 14, 1 14, 0 13,1 12,6 12,5 11, 9 11, 7 9,9 9,7 9,3 9,1 8,7 8,7 8,5 8,3 7,9 7,3 7,0 6,9 6,5 6,5 6,2 5,7 5,7 5,3 4, 5 4, 3 4, 0 3,0 2,9... 4, 5 4, 3 4, 0 3,0 2,9 2,6 2 ,4 2,0 2,0 1,9 1,9 1,5 1 ,4 0,9 0,8 0,8 0,8 0,5 0,3 0,2 0,2 0 0 http://www.ebook.edu.vn Số tử nạn trung bình năm TX MS AR AL MI IN OK KS IL TN OH MO LA GA KY MA WI MN FL NC PA IA NE SC VA ND NY SD WA CT AZ NM AK CA CO DC DE HI ID MD ME MT NH NJ NV OR RI UT VT WV WY 10,6 8,6 6,2 6,1 5,3 4, 8 4, 8 4, 4 4, 0 4, 0 3,8 3 ,4 3,0 2,5 2,3 2,2 2,1 1,9 1,8 1,8 1,7 1 ,4 1,1 1,0 0,6 0,5 0,5 0,2... đầu phần tử ở phía trên nóng hơn so với phần tử ở phía d ới, có nghĩa lớp chứa hai phần tử đã từng ổn định tĩnh Tuy nhiên, sau khi nâng cả hai phần tử lên đ ợc 1000 m, thì phần tử ở phía trên trở nên lạnh hơn phần tử ở phía d ới 1,5o Điều n y dẫn tới tốc độ giảm nhiệt độ giữa hai phần tử bằng 1,5oC/100 m, l m cho không khí bất ổn định tĩnh Nh vậy, không khí ổn định tĩnh có tiềm năng trở th nh không khí . v iôn quyển - khoảng 40 0000 V! Građien điện thế ny hình thnh nên cái m chúng ta gọi l điện trờng thời tiết đẹp . Điện trờng thời tiết đẹp luôn luôn hiện diện, thậm chí trong thời tiết xấu, cho. Dĩ nhiên, chớp l một nhiễu khí quyển, phần lớn chớp có thể đợc giải thích bằng những nguyên lý cơ bản của điện học khí quyển. Bạn đã biết từ chơng 1 rằng các iôn (các phần tử tích điện) có. chuyển khá xa khỏi các biên front. Hãy suy xét theo cách ny: các cơn lốc tố khối khí đợc chứa trong phạm vi các khối không khí đồng nhất, nhng chúng không chiếm cứ toun bộ khối khí. Nhận thức