Vì sao có sấm chớp

Giải thích hiện tượng sấm sét Vật lý 7: Sét là một hiện tượng thiên nhiên, thường xuất hiện trước, trong, thậm chí cả sau cơn mưa.

Nguyên nhân gây ra hiện tượng sấm sét là khi hai đám mây tích điện trái dấu lại gần nhau, hiệu điện thế giữa chúng có thể lên tới hàng triệu vôn.

Giữa hai đám mây có hiện tượng phóng tia lửa điện và ta trông thấy một tia chớp. Vài giây sau ta mới nghe thấy tiếng nổ, đó là sấm (do vận tốc ánh sáng nhanh hơn vận tốc của tiếng động nên ta trông thấy tia chớp trước).

Khi đám mây dông tích điện đi gần mặt đất tới những khu vực trống trải, gặp một vật có độ cao như cây cối, người cầm cuốc xẻng… thì sẽ có hiện tượng phóng tia lửa điện giữa đám mây và mặt đất. Đó là hiện tượng sấm sét.

Khi phóng điện trong khí quyển tia sét có thể di chuyển với tốc độ 36.000km/h.

Sét là sự di chuyển của các ion nhưng hình ảnh của sét là do dòng plasma phát sáng tạo ra, nên có thể thấy nó trước khi nghe tiếng động vì tiếng động chỉ di chuyển với tốc độ 1.230km/h trong điều kiện bình thường của không khí còn ánh sáng đi được 299.792.458 m/s.

Sét có thể đạt tới nhiệt độ 30.000°C, gấp 20 lần nhiệt độ cần thiết để biến cát silica thành thủy tinh.

Quá trình tạo ra sấm sét 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 bầu 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 tạo thành sấm.

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

– Khi gần có sét, cường độ điện trường lớn ở gần mặt đất, quanh khu vực này bị ion hóa. Các ion cùng đấu với điện tích với mũi nhọn thí bị đẩy ra xa nó, các ion trái dấu thì đi về mũi nhọn, bị mụi nhọn “hút” vào. Do đó, điện tích trên mũi nhọn mất dần. Dựa vào đây người ta chế tạo cột thu lôi chống sét.

Vào ngày mưa dông, khi hai đám mây tích điện trái dấu lại gần nhau, hiệu điện thế giữa chúng có thể lên tới hàng triệu vôn. Giữa hai đám mây có hiện tượng phóng tia lửa điện và ta trông thấy một tia chớp. Vài giây sau ta mới nghe thấy tiếng nổ, đó là sấm (do vận tốc ánh sáng nhanh hơn vận tốc của tiếng động nên ta trông thấy tia chớp trước). Khi đám mây dông tích điện đi gần mặt đất tới những khu vực trống trải, gặp một vật có độ cao như cây cối, người cầm cuốc xẻng… thì sẽ có hiện tượng phóng tia lửa điện giữa đám mây và mặt đất.

Sấm hay sấm sét là âm thanh gây ra bởi tia sét và là một hiện tượng thiên nhiên.[1][2][3] Tùy thuộc vào khoảng cách và bản chất của những tia chớp, âm thanh sấm nghe được có thể dạng thanh ngắn hoặc tràng âm trầm lớn kéo dài hoặc ngắn.[4] Sự tăng đột ngột của áp suất và nhiệt độ từ sét gây ra sự giãn nở tức thì trong không khí, và sự giãn nở này tạo ra một sóng xung kích âm thanh, chính là hiện tượng thường được gọi là "tiếng sét" hay "tiếng sấm rền". Âm thanh tiếng sấm đến nơi người quan sát sau ánh sáng của tia chớp lóe lên. Ngành khoa học nghiên cứu về sấm được gọi là brontology.

Vì sao có sấm chớp

Mây vũ tích là loại mây hình thành ra dông sét.

Nguyên nhân của sấm sét trong hàng thế kỷ đã là một chủ đề đáng để suy đoán và truy vấn khoa học.[5] Thời thượng cổ người ta cho rằng nó được gây ra bởi thần thánh, nhưng tới thời Hy Lạp cổ các triết gia đã bắt đầu giải thích rằng nó có nguyên nhân tự nhiên, ví dụ như nó là tiếng động khi gió va chạm vào các đám mây (Anaximander, Aristotle), hay là chuyển động mạnh của không khí bên trong những đám mây (Democritus). Triết gia La Mã Lucretius lại có quan điểm đấy là âm thanh của mưa đá va chạm trong các đám mây.[6]

Đến giữa thế kỷ 19, lý thuyết được chấp nhận phổ biến thời bấy giờ là tia sét tạo ra một môi trường chân không, sự sụp đổ của chân không này tạo ra tiếng sấm.[5]

Vào thế kỷ 20 mới bắt đầu có quan điểm được đồng thuận rằng sấm phải được bắt đầu từ sóng xung kích trong không khí. Do sét là sự phóng điện hay sự di chuyển cực nhanh của các điện tử ma sát vào không khí làm nó trở nên cực nóng có thể hình thành plasma giãn nở trong kênh sét.[6][7] Nhiệt độ plasma bên trong kênh sét, đo được bằng phép phân tích quang phổ, biến thiên trong thời gian tồn tại chỉ 50 μs của kênh, ban đầu tăng mạnh từ nhiệt độ ban đầu khoảng 20.000 K lên tới 30.000 K, rồi cuối cùng giảm dần đi xuống còn 10.000 K. Trung bình nhiệt độ vào khoảng 20.400 K (20.100 °C; 36.300 °F).[8] Theo thuyết động học thì không khí sẽ bị giãn nở rất mạnh do nhiệt độ và áp suất tăng cao một cách quá nhanh và đột ngột, nó sẽ tác động vào không khí mát hơn ở xung quanh tia sét với tốc độ nhanh hơn tốc độ âm thanh truyền đi. Xung được tạo ra di chuyển ra ngoài xung quanh được gọi là một sóng xung kích,[9] tương tự như sóng xung kích từ một vụ nổ hay phía trước một máy bay siêu thanh, nó lan rộng kèm theo tiếng động. Ở gần nguồn phát là tia sét, mức cường độ âm của sấm vào cỡ 120 dB còn mức áp suất âm thường đạt tới ngưỡng 165-180dB, nhưng có thể vượt quá 200 dB trong một số trường hợp.[10]

Vì có rất nhiều sóng chấn động được tạo ra liên tiếp nhau khi sét hình thành do có rất nhiều tia sét trên cùng một đường đi nên nó không chỉ có một tiếng mà rền vang trong một khoảng thời gian tùy theo chiều dài của sét và khoảng cách đến người nghe nó. Các đặc tính của sấm rất phức tạp tùy theo yếu tố hình học của sét như chiều dài, có bao nhiêu nhánh, có bao nhiêu các vệt sét trên cùng một đường đi và độ vọng âm thanh từ mặt đất.[7] Các nghiên cứu thực nghiệm mô phỏng sét đã cho kết quả phần lớn phù hợp với mô hình này, mặc dù vẫn còn tranh luận về cơ chế vật lý chính xác của quá trình.[7][11] Một số nguyên nhân khác đã được đề xuất, dựa trên hiệu ứng điện động lực học của dòng điện rất lớn tác động lên plasma trong tia sét.[12]

Sóng xung kích sấm là đủ mạnh để gây tổn hại đến tài sản và thương tích, chẳng hạn như gây bầm tím dưới da cho người đứng ở gần tia sét.[5] Sấm có thể gây thủng màng nhĩ của người đứng xung quanh, dẫn đến thính giác bị suy giảm vĩnh viễn. Thậm chí nếu không thủng màng nhĩ, sấm vẫn có thể làm người bị điếc tạm thời.[5]

 

Sấm là một kết quả của tia sét, và nó đến người quan sát chậm hơn sét.

Khi tia chớp lóe lên, theo sau một khoảng thời gian là tiếng sấm nổ, là hiện tượng mô tả rõ ràng rằng tốc độ âm thanh chậm hơn so với tốc độ ánh sáng khi truyền trong không khí từ nơi có sét đến nơi quan sát (phân biệt với tốc độ của chính tia sét khi nó hình thành từ đám mây, chỉ xấp xỉ 1/3 lần tốc độ ánh sáng). Vì sự khác biệt này, người ta có thể tính toán được tia chớp cách bao xa bằng đo thời gian giữa việc nhìn thấy tia chớp lóe lên và âm thanh sấm nghe được. Tốc độ của âm thanh trong không khí khô xấp xỉ 343 m/s hay 1127 ft/s hay 768 mph (1.236 km/h) tại 20 °C (68 °F).[13] Điều này có thể tính toán được xấp xỉ 4s trên 1 dặm (miles) (hay 3 s/km). Tốc độ ánh sáng rất cao cho nên được xem là vô cùng trong việc tính toán này vì khoảng cách ánh sáng đi được trong hiện tượng này là khá ngắn.[14] Đây là một phương pháp hữu ích, chỉ bằng cách đếm số giây giữa nhận thức về một tia chớp nhất định và nhận thức về tiếng sấm của nó, ta có thể sử dụng số giây để đánh giá khoảng cách của tia chớp và cơn dông để đảm bảo an toàn.

Một vệt chớp rất sáng kèm theo một tiếng sét nổ ngắn sắc gần như ngay tức thì chỉ ra rằng sét đánh ở ngay rất gần người quan sát.

Tiếng sấm ở khoảng cách rất gần

Sấm sinh ra bởi sét đánh gần đã được miêu tả chi tiết đầu tiên là có những tiếng lách cách hay như tiếng vải bị xé rách, sau đó là một tiếng nổ lớn ngắn như đại bác bắn, theo sau là một tiếng sấm đùng đùng liên tục.[5] Các âm thanh sấm ban đầu đến từ các phần kênh dẫn của tia sét, sau đó là các phần gần của vệt sét phản hồi sau khi nó được hình thành, và cuối cùng đến các phần xa hơn của vệt sét.[5]

Vavrek và các cộng sự báo cáo rằng các âm thanh của sấm được chia thành các loại dựa theo độ to, thời lượng và độ cao của âm.[5] Tiếng sét nổ (clap, crack) là các âm thanh đơn cực kỳ to và ngắn, chỉ từ 0,2 đến 2 giây và có âm vực cao hơn, nó đến từ các tia chớp CG đánh từ đám mây xuống đất ở khoảng cách gần. Hồi hay tràng sấm (peal) là các âm thay đổi cả về cao độ và độ to. Tiếng sấm lăn (roll) là sự kết hợp không đều giữa cường độ và cao độ âm. Tiếng sấm rền (rumble) nhỏ hơn, nhưng kéo dài hơn (lên tới trên 30 giây) và có âm vực thấp, thường đến từ các tia chớp ở xa hoặc hình thành tại các đám mây trên cao (CC và IC).

Sấm nghịch nhiệt xảy ra khi một tia sét CG hình thành giữa quá trình nghịch nhiệt. Khi đó âm thanh mà nó tạo ra mang năng lượng âm cao hơn rất nhiều so với âm ở cùng khoảng cách trong điều kiện không nghịch nhiệt. Khi nghịch nhiệt, lớp khí ở gần mặt đất lạnh hơn khối khí phía trên; nghịch nhiệt thường xảy ra khi một khối khí nóng ẩm đi qua một frông lạnh. Trong điều kiện nghịch nhiệt, sự phân tán của năng lượng âm thanh theo phương thẳng đứng (xảy ra ở điều kiện thường) bị cản trở và do đó năng lượng được tập trung ở lớp gần mặt đất.[15]

Sét CG thường bao gồm 2 hoặc nhiều hơn các vệt sét phản hồi trở lại từ phía mặt đất lên. Các vệt thứ phát tạo ra năng lượng âm cao hơn vệt đầu.[cần dẫn nguồn]

  • Sấm sét
  • Sét nhiệt
  • Giông
  • Hình tia chớp
  • Brontophobia (chứng sợ tiếng sấm)
  • Hiệu ứng tiếng sấm Castle
  • Danh sách các thần sấm sét
  • Mistpouffers

  1. ^ “Severe Weather 101: Lightning Basics”. nssl.noaa.gov. Truy cập ngày 23 tháng 10 năm 2019.
  2. ^ “Thunder Facts”. factsjustforkids.com. Truy cập ngày 23 tháng 10 năm 2019.
  3. ^ “The Sound of Thunder”. weather.gov. Truy cập ngày 23 tháng 10 năm 2019.
  4. ^ “Tại sao có hiện tượng sấm chớp & cách chống sét đánh an toàn”. Bản gốc lưu trữ ngày 18 tháng 8 năm 2016. Truy cập 20 tháng 7 năm 2016.
  5. ^ a b c d e f g Vavrek, R. J., Kithil, R., Holle, R. L., Allsopp, J., & Cooper, M. A. (n.d.). The science of thunder. Truy cập from http://lightningsafety.com/nlsi_info/thunder2.html Lưu trữ 2020-07-08 tại Wayback Machine
  6. ^ a b Heidorn, K. C. (1999). Thunder: Voice of the heavens. Truy cập from http://www.islandnet.com/~see/weather/elements/thunder1.htm
  7. ^ a b c Rakov, Vladimir A.; Uman, Martin A. (2007). Lightning: Physics and Effects. Cambridge, England: Cambridge University Press. tr. 378. ISBN 978-0-521-03541-5.,
  8. ^ Cooray, Vernon (2003). The lightning flash. London: Institution of Electrical Engineers. tr. 163–164. ISBN 978-0-85296-780-5.
  9. ^ “Thunder”. Encyclopædia Britannica. Bản gốc lưu trữ ngày 7 tháng 6 năm 2008. Truy cập ngày 12 tháng 9 năm 2008.
  10. ^ “Ultimate Sound Pressure Level Decibel Table”. Truy cập ngày 13 tháng 12 năm 2020.
  11. ^ MacGorman, Donald R.; Rust, W. David (1998). The Electrical Nature of Storms. Oxford University Press. tr. 102–104. ISBN 978-0195073379. Bản gốc lưu trữ ngày 28 tháng 6 năm 2014. Truy cập ngày 6 tháng 9 năm 2012.
  12. ^ P Graneau (1989). “The cause of thunder”. J. Phys. D: Appl. Phys. 22 (8): 1083–1094. Bibcode:1989JPhD...22.1083G. doi:10.1088/0022-3727/22/8/012.
  13. ^ Handbook of Chemistry and Physics, 72nd edition, special student edition. Boca Raton: The Chemical Rubber Co. 1991. tr. 14.36. ISBN 0-8493-0486-5.
  14. ^ “The Science of Thunder”. Bản gốc lưu trữ ngày 15 tháng 10 năm 2007.
  15. ^ Dean A. Pollet and Micheal M. Kordich (ngày 8 tháng 4 năm 2013). “User's guide for the Sound Intensity Prediction System (SIPS) as installed at the Naval Explosive Ordnance Disposal Technology Division (Naveodtechdiv)”. Systems Department February 2000. dtic.mil. Bản gốc lưu trữ ngày 8 tháng 4 năm 2013.

  •   Phương tiện liên quan tới Thunder tại Wikimedia Commons
  • The science of thunder Lưu trữ 2007-10-15 tại Wayback Machine
  • Thunder: A Child of Lightning
  • Wikibooks: Engineering Acoustics/Thunder acoustics
  • Storm: Thunder sounds in binaural audio

Lấy từ “https://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Sấm&oldid=66376216”