Làm Thế Nào để Núi Lửa Tạo Ra Sét? - Vô Vàn Kiến Thức

Khi đá nóng chảy đẩy lên qua vỏ Trái đất và thoát ra bề mặt, nó thường dẫn đến một vụ phun trào núi lửa. Những vụ phun trào này đôi khi xảy ra theo dòng chảy chậm và ổn định, nhưng thường thể hiện thành những đợt hoạt động lớn. Khi trường hợp thứ hai này xảy ra, một lượng lớn tro, bụi, đá, khí dễ bay hơi và dung nham đều bị trục xuất ra ngoài trong một khoảng thời gian rất ngắn. Mặc dù chúng ta có thể coi đây là những đặc điểm chính của núi lửa, nhưng thường có một cảnh tượng tuyệt đẹp đi kèm với chúng: sét núi lửa. Mặc dù không phải mọi vụ phun trào đều tạo ra màn trình diễn ánh sáng tuyệt đẹp này, nhưng nó đã được con người quan sát và ghi lại qua vô số thế hệ.

Giờ đây, với sự hiểu biết nâng cao của chúng tôi về vật lý và khoa học vật lý, cuối cùng chúng tôi cũng hiểu được cách nó được sản xuất. Magma, tiền thân dưới lòng đất của dung nham, có thể hình thành theo nhiều cách khác nhau. Các túi magma tồn tại sâu bên trong lớp phủ của Trái đất, có nguồn gốc sâu như lớp nhân lỏng bên ngoài của Trái đất, nhưng cũng được tạo ra từ lớp vỏ trượt trên đỉnh của lớp phủ. Dù bằng cách nào, khi đá lỏng, được làm nóng đến hàng nghìn độ, đi lên trên lớp vỏ, nó có thể phun ra bề mặt tại một vài điểm yếu được chọn. Khi điều này xảy ra, dung nham không chỉ nổi lên mà còn kèm theo một lượng lớn muội than và tro bụi.

Và đôi khi, nếu công thức vừa phải, thì cũng rất tốt. Sét núi lửa dường như xảy ra thường xuyên nhất xung quanh các núi lửa với những đám tro bụi lớn, đặc biệt là trong các giai đoạn hoạt động của quá trình phun trào, nơi dung nham nóng chảy chảy tạo ra độ dốc nhiệt độ lớn nhất. Các hiện tượng sét đã được ghi lại một cách tinh vi xung quanh một số vụ phun trào núi lửa gần đây, bao gồm Eyjafjallajökull của Iceland, Sakurajima của Nhật Bản, núi Etna của Ý và núi lửa Puyehue, Calbuco và Chaiten của Chile. Nhưng những gì bạn có thể không biết là hiện tượng này không chỉ được chụp lại trong lần phun trào cuối cùng của núi Vesuvius vào năm 1944, mà còn được mô tả chính xác gần 2.000 năm trước khi nó phun trào vào năm 79!

Mỗi tia sét là sự trao đổi của khoảng 10 20 điện tử, hoặc - theo ký hiệu dài - 100.000.000.000.000.000.000.000.000 hạt mang điện. Bạn có thể quen với việc các nguyên tử là trung tính, với số lượng electron bằng nhau vì có proton trong hạt nhân của chúng, nhưng nhiệt và ma sát khiến các nguyên tử nhận hoặc mất electron dễ dàng một cách đáng ngạc nhiên, biến chúng thành ion. Ở nhiệt độ mà núi lửa đạt được, nó rất thuận lợi về mặt năng lượng cho một nguyên tử trở nên ion hóa, nơi nó nhận hoặc mất một electron (hoặc hai, hoặc ba). Chúng ta chắc chắn không cần phải đi đến những cực điểm này để tìm các ion; một cái gì đó đơn giản như cọ tất len của bạn vào thảm là một ví dụ về việc chuyển các điện tử và tạo ra các ion.

Bây giờ, nếu bạn có thể tách các ion này ra khỏi nhau, bạn sẽ tạo ra sự phân tách điện tích, tạo ra hiệu điện thế. Khi hiệu điện thế giữa hai vùng trở nên quá lớn - ngay cả khi không khí là thứ duy nhất giữa chúng - thì nó sẽ tự phát dẫn điện, tạo ra sự phân hủy vật liệu giữa các vùng cách xa này. Có một sự trao đổi điện tích sau đó diễn ra cực kỳ nhanh chóng, và đó là những gì bạn thấy như một tia sét! Tất cả đã nói, đã có hơn 150 vụ phun trào khác nhau trong vài thế kỷ qua, nơi sét núi lửa đã được ghi lại. Hiện tượng này có vẻ phức tạp và khó dự đoán nó sẽ xảy ra và sẽ không xảy ra trong những trường hợp nào, nhưng thực sự chỉ có ba bước bạn cần để biến nó thành hiện thực. Đây là khoa học về cách núi lửa tạo ra sét:

1. Bắt đầu với vô số các ion dương và âm

Sự kết hợp của nhiệt (từ nhiệt độ núi lửa điển hình 1500 K) và thành phần đa dạng của những gì được núi lửa khai quật đảm bảo một phần đáng kể các hạt bay ra không phải là trung tính. Các electron có thể dễ dàng bị khởi động khỏi một số phân tử và bị hấp thụ bởi những phân tử khác; đối với các hạt tro bụi riêng lẻ đi ra, nhiều hạt là ion mang điện tích dương và nhiều hạt là ion mang điện tích âm. Núi lửa càng nóng và phun trào càng dữ dội thì khả năng nhìn thấy sét núi lửa càng lớn.

Lưu ý, trong video ở trên, tia sét núi lửa chỉ xuất hiện khi vật chất có nhiệt độ nóng nhất - dung nham đang chảy thực tế - trở nên có thể nhìn thấy được ở đáy của đám tro bốc ra. Ngoài các dấu hiệu của các điện tích khác nhau, chúng cũng phải có trọng lượng phân tử (hoặc nguyên tử) khác nhau, cũng như kích thước vật lý (hoặc mặt cắt ngang) khác nhau. Điều này cực kỳ quan trọng, vì nó cho phép thực hiện bước thiết yếu thứ hai.

2. Tách các điện tích âm ra khỏi điện tích dương

Các nguyên tử trung hòa có kích thước vật lý khác nhau và các nguyên tử (và phân tử) tích điện có sự khác biệt đó còn bị phóng đại hơn nữa. Cũng có sự khác biệt đáng kể về khối lượng giữa các nguyên tử và phân tử khác nhau, điều này rất quan trọng vì cho cùng một lượng năng lượng cho một hạt nhẹ hơn có nghĩa là nó chuyển động nhanh hơn.

Và cuối cùng, cũng có một gradient nhiệt độ, nơi mà các hạt vừa thoát ra có nhiệt độ cao hơn so với các hạt đã ở trong khí quyển một thời gian. Sự kết hợp giữa các nhiệt độ khác nhau và khối lượng khác nhau này làm cho các ion này có tốc độ khác nhau. Và khi bạn có một môi trường hỗn loạn, các hạt nhỏ hơn và nhẹ hơn thường được vận chuyển với khoảng cách lớn hơn dễ dàng hơn, khiến các điện tích dễ dàng tách ra theo khoảng cách lớn.

3. Một lượng điện tích tách ra đủ lớn sẽ tự chảy, tạo ra sét

Số lượng lớn các điện tích tách rời nhau tạo ra sự chênh lệch điện áp. Nếu bạn có sự chênh lệch đủ lớn so với không gian chứa bất kỳ vật liệu nào, ngay cả khi đó là vật liệu cách điện hoặc vật liệu cực kỳ thưa thớt như không khí, bạn sẽ bị phóng điện, tức là sét đánh! Đó là nó! Đó là quy trình chung đằng sau cách hoạt động của sét núi lửa. Kết hợp những thứ này lại với nhau: các ion có khối lượng (và điện tích) khác nhau di chuyển với tốc độ trung bình khác nhau với các tiết diện khác nhau trong môi trường có gradient nhiệt độ và có công thức phân tách điện tích của bạn.

Nhận được sự phân tách điện tích đủ lớn trong khoảng cách phù hợp và điều đó sẽ mang lại cho bạn một cú sét đánh. Đó là nguồn gốc của sét núi lửa. Luôn có một số thông tin chi tiết cần được bổ sung nhằm nâng cao hiểu biết của chúng ta về cách chính xác điều này xảy ra trong từng vụ phun trào núi lửa riêng lẻ. Các câu hỏi chưa được giải đáp bao gồm:

• Tại sao nó đôi khi xuất hiện trong trường hợp không có mây tro ảo
• Tại sao nhiều cuộc đình công sẽ xảy ra theo từng đợt, trong khi những cuộc đình công khác xảy ra với tần suất tương đối ổn định
• Và tại sao một số núi lửa dường như không có nó.

Nhưng bức tranh cơ bản này là không thể chối cãi và đã cho chúng ta một số cảnh đẹp ngoạn mục để tất cả thế giới chia sẻ. Sử dụng kỹ thuật chụp ảnh xếp chồng hoặc thời gian trôi đi, bạn thường có thể thấy nhiều tia chớp trong một bức ảnh tổng hợp duy nhất, với nhiều bức ảnh chứa hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm tia chớp riêng lẻ. Khi các điện tích di chuyển xung quanh, mỗi đòn tấn công là khác nhau, nhưng vật lý là phổ quát. Tất cả những gì nó cần là nhiệt, sự ion hóa, sự đa dạng của các phân tử và sự vận chuyển, và khi đủ điện tích phân tách trong một khoảng cách thích hợp, sự phóng điện xảy ra. Đó là cách bạn tạo ra tia sét núi lửa, và kết quả ngoạn mục không giống bất kỳ thứ gì khác trên thế giới.

Nguồn: Ethan Siegel