Khi một cơn giông bão diễn ra, điện trường tạo thành từ những đám mây giông có thể gây ra hiện tượng sét đánh, là một trong những hiện tượng thiên nhiên nguy hiểm nhất. Sự hiểu biết về cách thức cường độ điện trường thay đổi tùy theo các đặc điểm bề mặt như vùng nước, khu đô thị và rừng không chỉ giúp cải thiện các mô hình dự báo sét mà còn có ý nghĩa quan trọng trong việc đưa ra các biện pháp an toàn cho con người.
Bài báo này sẽ khám phá sâu vào cách thức mà các đặc điểm bề mặt khác nhau ảnh hưởng đến điện trường trong cơn giông và làm thế nào các mô hình hiện hành có thể được cải thiện để dự đoán chính xác hơn các sự kiện sét đánh.
Điện Trường Trên Vùng Nước
Trong các điều kiện bão tố, sự phân bố điện trường tại các vùng nước như hồ, sông, biển đóng một vai trò quan trọng trong cơ chế hình thành và phát triển của sét. Mặt nước, với bản chất dẫn điện kém hơn so các cấu trúc kim loại, không tạo điều kiện cho sự hình thành của hiện tượng corona, đây là dạng phóng điện xảy ra tại các điểm nhọn. Sự vắng mặt của corona trên mặt nước là yếu tố then chốt dẫn đến mức điện trường thấp hơn đáng kể so với các khu vực khác, nhưng cơ chế này hoạt động như thế nào và tại sao lại quan trọng?
Tính Chất Bề Mặt Nước và Sự Thiếu Vắng Corona. Trái ngược với môi trường đất liền, mặt nước thiếu các điểm nhọn tự nhiên, do đó không khí trên mặt nước không dễ đạt được điều kiện cần thiết để hình thành corona. Điện trường cần thiết để gây ra corona không thể tự phát triển do bề mặt phẳng của nước, dẫn đến việc điện trường ở mặt nước thường thấp hơn rất nhiều. Điều này được chứng minh qua các phép đo tại các vùng nước, nơi điện trường có thể dưới 3 kV/m, một mức độ rất thấp so với những gì có thể quan sát được trên đất liền trong cùng điều kiện thời tiết.
Sự thấp hơn của điện trường trên mặt nước có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng và cách thức hình thành sét. Điện trường yếu hơn giảm khả năng các điện tích trong đám mây tích tụ đủ mức để tạo ra sét đánh xuống mặt nước. Điều này giải thích tại sao sét đánh trực tiếp vào các vùng nước là ít hơn so với đất liền, nơi điện trường mạnh hơn có thể hỗ trợ quá trình điện phân không khí và tạo ra các dòng điện mạnh, dẫn đến sét.
Điện Trường tại Khu Đô Thị
Khu đô thị, với các tòa nhà cao tầng và cấu trúc kim loại, tạo thành một môi trường đặc biệt trong việc hình thành và phát triển của điện trường trong các cơn giông. Các tòa nhà cao không chỉ thay đổi địa hình mà còn tác động đến cách thức phân bố điện tích trong không khí. Điều này làm tăng khả năng xảy ra hiện tượng phóng điện, hay còn gọi là sét đánh, lên các cấu trúc này.
Các tòa nhà cao tầng trong khu đô thị tạo thành các “điểm nhọn” khổng lồ trên bề mặt đất, nơi mà điện trường có thể tăng vọt lên một cách đáng kể. Trong điều kiện bình thường, điện trường tại mặt đất khoảng dưới 1 kV/m. Tuy nhiên, tại đỉnh của các tòa nhà cao, điện trường có thể tăng lên đáng kể do sự tập trung của các điện tích từ đám mây giông trên các cấu trúc cao. Các nghiên cứu cho thấy rằng điện trường có thể tăng lên tới 10-20 kV/m tại đáy các tòa nhà cao, một mức độ đủ để thúc đẩy hiện tượng phóng điện mạnh.
Các cấu trúc kim loại như anten, cột thu lôi và các bộ phận kim loại trên mái nhà hoạt động như các điểm lý tưởng cho sự tập trung điện tích và phóng điện. Chúng có khả năng “bắt” các điện tích từ không khí, từ đó gia tăng cường độ của điện trường tại khu vực xung quanh. Khi điện trường tăng lên đến ngưỡng nhất định, sự phóng điện xảy ra dưới dạng sét đánh, hướng trực tiếp từ các cấu trúc này về phía đất hoặc giữa các cấu trúc trong cùng một khu vực.
Do điện trường mạnh hơn tại các điểm cao trong đô thị, sét có xu hướng đánh vào những điểm này thay vì các khu vực xung quanh có điện trường yếu hơn. Điều này giải thích tại sao khu vực đô thị thường xuyên chứng kiến số lượng sét đánh cao hơn so với các khu vực nông thôn. Sự thay đổi về số lượng và cường độ của sét đánh tại các khu đô thị không chỉ là một vấn đề liên quan đến thiên nhiên mà còn ảnh hưởng đến an toàn cộng đồng, cơ sở hạ tầng, và các biện pháp phòng chống sét.
Điện Trường Trong Khu Rừng
Khu rừng, với đặc điểm phong phú về cây cối, tạo nên một môi trường đặc biệt cho sự hình thành và phân bố của điện trường trong các cơn giông. Các đỉnh cây trong rừng giống như các điểm nhọn tự nhiên, điều này không chỉ ảnh hưởng đến sự phân bố điện trường mà còn có thể làm thay đổi cách thức và xác suất sét đánh xuống mặt đất và giữa các đám mây và cây cối.
Các đỉnh cây cao trong rừng tạo thành những điểm nhọn tự nhiên, tương tự như các cột thu lôi trong môi trường đô thị. Khi điện trường từ đám mây giông tăng lên, các điểm nhọn này có thể đạt điện trường cao hơn so với mặt đất xung quanh. Theo nghiên cứu, điện trường ở những điểm này có thể đạt tới 10 kV/m hoặc cao hơn, đủ để kích hoạt hiện tượng corona, nơi không khí xung quanh điểm nhọn trở nên ion hóa và dẫn điện.
Khi corona xảy ra tại các đỉnh cây, nó tạo ra một lớp điện tích không gian quanh những điểm này. Lớp điện tích này bao gồm các ion dương và âm, làm giảm sự chênh lệch điện thế giữa đám mây và mặt đất, từ đó làm giảm điện trường tại mặt đất trong khu vực đó. Kết quả là, điện trường tại mặt đất trong rừng thường thấp hơn so với các khu vực không có sự hiện diện của lớp điện tích không gian này, điển hình là dưới 3 kV/m.
Với việc giảm điện trường tại mặt đất, nguy cơ sét đánh trực tiếp xuống đất trong khu rừng là thấp hơn so với các khu vực khác. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là khu rừng an toàn hoàn toàn khỏi sét. Thay vào đó, sét có khả năng cao hơn đánh vào các đỉnh cây, nơi điện trường cao nhất, và từ đó có thể phát tán xuống các cây xung quanh hoặc giữa các đám mây và cây cối.