Sharing Chemistry with the Community

Hóa học về giông bão

Mấy ngày nay thời tiết mưa gió ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long thật không dễ chịu chút nào. Trước đây người ta thường nói Sài Gòn “lúc nắng lúc mưa”, vậy mà ở miền Tây lúc này tôi cũng cảm giác được như thế.

Nhưng có một điều tôi chắc chắn rằng ai trong số các bạn cũng không thích khi giông bão đến, đó chính là sấm sét. Đây là hiện tượng tự nhiên rất bình thường nhưng để lại hậu quả vô cùng nghiêm trọng.  Một thí dụ điển hình gần đây là vụ bé gái ở Nghệ An bị sét đánh tử vong khi ngồi trên bãi cỏ cùng với hai người bạn trong lúc trời sắp mưa giông.

Trong bài viết trước đây về hóa học đằng sau mùi hương của mưa, chúng ta đã đề cập về mưa và một số yêu tố xung quanh mùi hương của nó. Hôm nay, tôi sẽ giúp các bạn có cái nhìn rõ nét hơn về một số khoa học đằng sau những cơn giông bão. Đặc biệt là tia sét xảy ra như thế nào, điều gì mang lại cho nó một màu xanh-tím, và nó có liên quan gì đến sự phát triển của cây?

Sét bắt đầu từ đâu?

Đầu tiên chúng ta hãy xem sét bắt đầu như thế nào trước nhé! Sự hiểu biết của các nhà khoa học về toàn bộ quá trình này vẫn còn nhiều thiếu sót, nhưng họ có vài một ý tưởng chung tương đối tốt. Bên trong một đám mây giông, nhiệt độ lạnh và không khí di chuyển lên trên cung cấp điều kiện hoàn hảo cho sét hình thành.

Những giọt nước nhỏ siêu lạnh hay chậm đông (super-cooled) được đưa lên trên trong đám mây bằng dòng vận động đi lên của khí nóng ẩm (hay thường gọi là dòng updraft), cùng với các tinh thể băng nhỏ.

Các giọt nước mưa đá dày đặc hơn (gọi là graupel, đây là mưa đá mềm hình thành khi các giọt nước chậm đông kết hợp thêm với một lớp băng hoặc sương muối để tạo thành hạt mưa) tương đối không di chuyển hoặc di chuyển xuống dưới.

Sự chuyển động ngược lại của tinh thể băng và graupel trong đám mây chắc chắn dẫn đến va chạm. Trong thời gian này, các electron truyền giữa chúng. Kết quả là, các tinh thể băng và các giọt nước siêu lạnh trở nên tích điện dương, và graupel bị tích điện âm. Với các tinh thể băng di chuyển lên, trong khi graupel di chuyển xuống khá sớm có sự khác biệt về điện tích giữa đỉnh và đáy của đám mây. Đỉnh của đám mây trở nên tích điện dương, trong khi trung tâm và đáy trở nên tích điện âm.

Đây không chỉ là đám mây bị ảnh hưởng bởi quá trình này. Sự tích lũy của điện tích âm trong đáy của đám mây gây ra lực đẩy của các electron bên dưới nó trên mặt đất. Cuối cùng, sự hấp dẫn giữa đáy mang điện tích âm và mặt đất tích điện dương là đủ lớn tạo ra một dòng electron để nhảy xuống từ đám mây vào khoảng 270.000 dặm một giờ, tương đương 434.523 km/giờ – đây là hiện tượng sét đánh.

Sấm sét từ đâu mà có?

Tia sét từ đám mây đến mặt đất, nơi sét đánh vào mặt đất, chỉ là một kết quả có thể có của sự mất cân bằng điện tích trong các đám mây bão. Chúng giống như một máy phát điện khổng lồ. Tuy nhiên, sét cũng có thể nhảy giữa các vùng được tích điện khác nhau trong các đám mây mà không bị rơi xuống đất, hoặc thậm chí giữa các đám mây riêng biệt.

Cùng lúc đó, sét có thể làm nóng không khí xung quanh đến một nhiệt độ cực cao. Người ta ước tính rằng nhiệt độ của kênh không khí mà qua đó tia sét đi qua có thể lên đến 30.000˚C – nóng hơn đáng kể so với bề mặt của mặt trời. Nhiệt độ cao gây ra sấm sét kèm theo sét đánh. Việc sưởi ấm không khí gần đó làm cho nó mở rộng nhanh chóng; sau đó nguội đi và co hẹp lại. Điều này tạo ra sóng xung kích âm thanh mà chúng ta gọi là sấm sét.

Cách tính khoảng cách an toàn

Bởi vì âm thanh sấm sét di chuyển với tốc độ chậm hơn nhiều so với tia sét, vì thế bạn có thể sử dụng nó để ước lượng khoảng cách bạn đang ở cách xa tia sét bao xa. Âm thanh di chuyển ở khoảng 343 mét mỗi giây trong không khí, vì vậy âm thanh của sấm di chuyển khoảng 1 km trong 3 giây. Nếu bạn có thể nhìn thấy tia chớp, bạn có thể tìm ra cách xa cơn bão!

Kỹ thuật này được gọi là “ánh sáng-tới-tiếng nổ” (flash-to-bang). Nó giúp bạn tìm được vùng an toàn khi trời có sét trong cơn mưa. Phương pháp này dựa trên thực tế là ánh sáng di chuyển nhanh hơn rất nhiều so với âm thanh trong không khí. Lúc này khi thấy tia sét, bạn chỉ cần đếm bao nhiêu giây tiếng sét xuất hiện sau đó. Rồi đem số giây này nhân vận tốc âm thanh. khi đó bạn sẽ biết được khoảng cách tới tia sét.

Mùi, màu sắc và sự phát triển của thực vật

Từ đầu đến giờ chúng ta đã đề cập khá nhiều về vật lý, nhưng bên cạnh đó cũng có một số hóa học thú vị trong giông bão. Nếu bạn đã từng bị thuyết phục trong bài viết về hóa học của mưa trước đây, bạn có thể ngửi thấy mùi của một cơn bão sắp tới, bạn không sai đâu? Mùi hăng, ngọt ngào kỳ quặc mà đôi khi xuất hiện trước cơn bão là của ozone.

Do tia sét tấn công các phân tử oxy nhị nguyên tử trong khí quyển thành các nguyên tử oxy riêng lẻ. Sau đó, chúng có thể kết hợp với các phân tử oxy khác để tạo thành ozone.

Các tia màu xanh-tím mà đôi khi sét đánh vào là hậu quả của quá trình ion hóa các phân tử trong không khí. Đặc biệt  là sự phát ra từ các nguyên tử nitơ kích thích và các nguyên tử hydro dẫn đến những màu này.

Ngoài ra, nitơ cũng tham gia vào quá trình hóa học của sét nữa. Khi sét tạo ra nhiệt độ cao, có đủ năng lượng cho nitơ và oxy trong không khí để kết hợp, tạo thành các oxit nitơ. Đổi lại, các oxit nitơ này có thể hòa tan trong nước mưa và tạo thành nitrat, rất quan trọng cho sự phát triển của thực vật.

Quá trình nitơ không hoạt tính thường được biến thành nitrat mà thực vật có thể sử dụng được gọi là “cố định đạm”. Sét chiếm tới 3-10 teragrams nitơ cố định mỗi năm (so với 100-300 teragrams cố định bởi vi khuẩn).

Đó không phải là kết thúc của quá trình sét có thể kích hoạt. Nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng các tia gamma do sét phát ra thậm chí có thể tạo ra các phản ứng hạt nhân quy mô nhỏ trong khí quyển. Quá trình tự nhiên này có thể tạo ra các đồng vị nitơ, oxy và carbon khác nhau.

Đến đây là bài viết đã hết rồi. Nội dung cô đọng, mong rằng các bạn sẽ dễ hiểu. Cuộc sống muôn màu muôn vẻ. Còn biết bao hiện tượng tự nhiên đang chờ con người khám phá. Lần sau khi thấy sét thì hãy nghĩ về hóa học của nó nhé!

Trả lời