Trong bối cảnh biến đổi khí hậu hiện nay, một trong những hiện tượng tự nhiên được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất chính là các đám mây giông và hiện tượng sét đánh. Điện trường do mây giông tạo ra không chỉ liên quan đến sự hình thành và phóng điện của sét mà còn ảnh hưởng đáng kể đến an toàn công cộng và quy hoạch đô thị.
Với sự thay đổi của khí hậu, việc hiểu biết về cách thức hoạt động và sự thay đổi của điện trường trong các đám mây giông trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Trong bài báo này chúng ta sẽ tập trung vào việc khám phá mối quan hệ giữa biến đổi khí hậu và sự thay đổi trong hoạt động của điện trường mây giông, từ đó đánh giá khả năng gia tăng sét đánh do biến đổi khí hậu.
Tăng Nhiệt Độ và Độ Ẩm
Nhiệt độ không khí cao hơn có thể làm tăng cường độ của dòng điện trong mây giông, dẫn đến việc tăng cường độ của điện trường. Hiện tượng này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng phát sinh và tính chất của sét qua nhiều cơ chế khác nhau.
Cơ chế cơ bản của sự tăng cường độ dòng điện trong mây giông liên quan trực tiếp đến sự gia tăng nhiệt độ không khí. Khi nhiệt độ tăng, không khí nóng lên và khả năng chứa hơi nước tăng lên, điều này làm tăng sự bốc hơi và tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành mây và mưa.
Trong điều kiện nhiệt độ cao, sự phân ly điện tích trong các hạt mây (bao gồm các hạt nước và băng) xảy ra mạnh mẽ hơn, dẫn đến việc tạo ra các dòng điện mạnh hơn. Nghiên cứu của Đại học Stanford (2014) cho thấy với mỗi độ C tăng nhiệt độ, xác suất xuất hiện sét tăng khoảng 12%.
Tại Florida, các nhà khoa học phát hiện tần suất sét tăng khoảng 40% khi nhiệt độ tăng từ 20°C lên 30°C. Các nghiên cứu cho thấy khi nhiệt độ tăng, tốc độ tăng trưởng của các điện tích dương và âm trong mây cũng tăng theo, từ đó làm tăng cường độ của điện trường mây.
Khi cường độ dòng điện trong mây tăng lên, điện trường giữa các điện tích trong mây và giữa mây và mặt đất cũng tăng theo. Điện trường mạnh hơn làm tăng khả năng phóng điện của sét bởi vì sức mạnh của điện trường quyết định khi nào và ở đâu sét sẽ phát sinh.
Điện trường mạnh góp phần vào việc hình thành các đường dẫn điện, hoặc các “đường sét” tiềm năng, giữa các điện tích trong mây và giữa mây với mặt đất. Theo nghiên cứu của Soula và Chauzy, điện trường mạnh có thể đạt giá trị lên đến 60 kVm ở độ cao 603m, so với mặt đất, điều này cho thấy sự gia tăng đáng kể trong khả năng hình thành và phóng điện của sét trong điều kiện nhiệt độ cao.
Trong một môi trường có điện trường mạnh, các hạt nhỏ như bụi hoặc các hạt băng trong mây có thể bắt đầu quá trình corona, nơi mà các hạt này phát ra điện và tạo thành các dòng điện nhỏ. Các quá trình này củng cố và tăng cường điện trường tổng thể trong mây, làm tăng khả năng và tần suất phóng điện. Thêm vào đó, sự tăng nhiệt độ còn làm giảm độ nhớt của không khí, cho phép các ion di chuyển nhanh hơn và dễ dàng hơn, từ đó tăng cường hiệu quả của quá trình phóng điện.
Thay Đổi Trong Cấu Trúc Khí Quyển
Luồng khí quyển và tăng cường hơi ẩm là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển của các đám mây giông, từ đó có thể làm thay đổi vị trí và giá trị cực đại của điện trường trong các đám mây này.
Luồng khí quyển là yếu tố chính điều chỉnh sự di chuyển và phân bố của các khối khí trong bầu khí quyển. Thay đổi trong các mẫu dòng chảy này, chẳng hạn như sự gia tăng trong tần suất và cường độ của các hiện tượng El Niño, có thể làm thay đổi cách thức hình thành và phát triển của các đám mây giông.
Các nghiên cứu cho thấy rằng trong những kỳ El Niño, các khu vực như Tây Thái Bình Dương thường chứng kiến sự gia tăng đáng kể về độ ẩm và nhiệt độ, từ đó thúc đẩy sự hình thành của các đám mây giông mạnh mẽ và phức tạp hơn.
Tăng cường hơi ẩm không chỉ làm tăng khả năng hình thành mây mà còn ảnh hưởng đến đặc tính của điện trường bên trong mây. Theo một nghiên cứu của Eriksson, hơi ẩm cao hơn tạo điều kiện thuận lợi cho sự phân ly điện tích hiệu quả hơn trong các hạt mây, từ đó làm tăng cường độ của dòng điện đi qua các đám mây.
Điều này làm tăng điện trường đo được ở mặt đất, thường không vượt quá khoảng 20 kV/m trong điều kiện bình thường, nhưng có thể đạt đến những giá trị cao hơn nhiều tại những độ cao lớn hơn trong mây.
Trong điều kiện có nhiều hơi ẩm và luồng khí quyển mạnh, điện trường trong mây không chỉ mạnh hơn mà còn có thể thay đổi về độ cao mà tại đó đạt giá trị cực đại. Một nghiên cứu sử dụng tên lửa đo điện trường để cho thấy điện trường tăng mạnh với độ cao và chỉ ổn định ở một giá trị cụ thể sau một khoảng độ cao nhất định. Sự thay đổi này trong phân bố độ cao của điện trường cực đại là rất quan trọng bởi vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến cơ chế phóng điện của mây.
Độ cao mà tại đó điện trường đạt giá trị cực đại cũng đánh dấu ranh giới mà tại đó các điều kiện cho sự phóng điện sét trở nên thuận lợi, nhất là trong các cơn giông lớn. Khi điện trường tăng mạnh ở độ cao cao hơn, nó tạo điều kiện cho sự phát triển của các kênh phóng điện dài hơn và mạnh mẽ hơn, dẫn đến các cú sét có thể phóng xuống mặt đất từ những độ cao lớn.
Với sự thay đổi về độ cao mà tại đó điện trường đạt giá trị cực đại, khả năng phóng điện của mây cũng thay đổi. Điện trường mạnh hơn và ở độ cao cao hơn làm tăng khả năng của các dòng sét phóng từ mây xuống mặt đất, một hiện tượng thường thấy trong các cơn bão lớn. Điều này cũng có nghĩa là các khu vực dưới mây có nguy cơ cao hơn đối với sự kiện sét đánh, đặc biệt là trong các điều kiện thời tiết cực đoan do biến đổi khí hậu.