Vì sao tia sét luôn tạo thành những đường zic zắc trên bầu trời?

Chúng ta đã quá quen với hình ảnh tia sét ngoằn ngoèo trên bầu trời đến mức hiếm khi tự hỏi vì sao nó lại có hình dạng như vậy. Nếu điện tích cần di chuyển từ đám mây xuống mặt đất, tại sao nó không chọn một đường thẳng ngắn nhất mà liên tục đổi hướng, thậm chí tách thành nhiều nhánh?

Câu hỏi tưởng đơn giản này thực ra khiến các nhà vật lý đau đầu suốt nhiều thập kỷ. John Lowke, nhà vật lý tại Đại học Nam Australia, từng ví von rằng con người có thể dự đoán thời điểm nhật thực và nguyệt thực với độ chính xác rất cao, nhưng vẫn còn những bí ẩn lớn quanh một hiện tượng quen thuộc như sét. Năm 2022, ông và đồng nghiệp Endre Szili đưa ra một cơ chế có thể giải thích cách những đường zic zắc ấy hình thành.

Điều đầu tiên cần biết là tia sáng chói mắt chúng ta nhìn thấy chưa phải toàn bộ quá trình. Trước đó, từ đám mây đã có những kênh điện mờ gọi là “leader” bắt đầu tiến về phía mặt đất. Camera tốc độ cao cho thấy thường có khoảng 4–5 nhánh như vậy cùng xuất hiện, ngoằn ngoèo và phân nhánh khi đi xuống. Chúng quá mờ nên trong điều kiện bình thường gần như không thể nhìn thấy bằng mắt thường.

Các “leader” cũng không tiến xuống liên tục. Thay vào đó, chúng di chuyển từng bước dài khoảng 50 m. Mỗi bước chỉ sáng lên trong khoảng một phần triệu giây, sau đó gần như biến mất. Khoảng 50 phần triệu giây sau, một bước mới lại xuất hiện ở đầu đoạn trước và tiếp tục hành trình. Quá trình cứ thế lặp lại trên quãng đường có thể kéo dài hàng kilomet.

Camera tốc độ cao cho thấy đường đi của sét được tạo thành từ nhiều bước ngắn nối tiếp nhau, thay vì hình thành cùng lúc từ mây xuống mặt đất. (Ảnh: Matt Grehan/iStock)

Theo mô hình của Lowke và Szili, chìa khóa có thể nằm ở chính oxy trong không khí. Bình thường, không khí cách điện khá tốt. Nhưng điện trường rất mạnh trong mây giông có thể cung cấp đủ năng lượng để tạo ra một trạng thái đặc biệt của phân tử oxy, gọi là oxy singlet delta. Dạng oxy này có thể giúp giải phóng các electron vốn đang bám vào ion oxy, khiến một vùng không khí trở nên dẫn điện tốt hơn. Khi lượng oxy ở trạng thái này đủ lớn, một đoạn dẫn điện mới có thể hình thành.

Điểm khiến tia sét liên tục đổi hướng nằm ở chính những “bước nhảy” này. Sau khi một đoạn dài khoảng 50 m hình thành, đoạn tiếp theo không nhất thiết xuất hiện ngay phía dưới mà có thể lệch sang trái, sang phải hoặc một hướng khác. Cứ mỗi lần tiến thêm một bước, tia sét lại có thể đổi hướng. Lặp lại hàng chục, thậm chí hàng trăm lần, nó tạo thành đường ngoằn ngoèo và những nhánh rẽ quen thuộc trên bầu trời.

Giữa hai “bước nhảy”, tia sét có một khoảng nghỉ cực ngắn, nhưng quá trình phóng điện vẫn tiếp diễn. Đường dẫn vừa hình thành vẫn nối với đám mây, chờ đoạn tiếp theo xuất hiện và tiến thêm khoảng 50 m. Cứ như vậy, các nhánh điện lần lượt dò xuống phía dưới cho đến khi một trong số chúng chạm được mặt đất hoặc một vật thể cao.

Khi đó, dòng điện cực mạnh lập tức chạy qua con đường đã được mở sẵn và tạo nên tia chớp sáng rực mà chúng ta nhìn thấy. Những nhánh không kết nối được với mặt đất sẽ dần biến mất. Vì thế, đường ngoằn ngoèo của tia sét thực ra đã được hình thành từ trước, trong lúc những nhánh điện mờ liên tục tiến xuống và đổi hướng.

Hiểu cách sét “tìm đường” cũng giúp các nhà khoa học nghiên cứu cách bảo vệ công trình tốt hơn. Cột thu lôi không đơn giản là “hút” sét từ xa mà giúp tạo điểm kết nối để dòng điện được dẫn xuống đất an toàn.