Sét là nguyên nhân gây ra hơn 4.000 ca tử vong và phá hủy cơ sở, thiết bị, máy móc làm thiệt hại hàng tỷ đô la mỗi năm. Riêng ở Thụy Sĩ phải hứng chịu tới 150.000 cuộc đình công mỗi năm vì sét. Do đó, hiểu chính xác các dạng sét là chìa khóa để giảm rủi ro, tuy nhiên, hiện tượng sét xảy ra trong khoảng thời gian dưới một phần nghìn giây nên cực kỳ khó thu được các phép đo trực tiếp. Mới đây, các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Tương thích Điện từ, do Farhad Rachidi đứng đầu, tại Trường Kỹ thuật của EPFL, lần đầu tiên đã trực tiếp đo được một hiện tượng khó nắm bắt, giải thích rất nhiều về sự ra đời của tia sét, đó là bức xạ tia X.
Trong một nghiên cứu hợp tác với Đại học Khoa học Ứng dụng Tây Thụy Sĩ và Đại học Uppsala ở Thụy Điển, các nhà khoa học đã ghi lại các tia sét đánh vào tháp Säntis ở phía đông bắc Thụy Sĩ, xác định có tia X trong đó và liên quan đến sự khởi phát các tia sét (sáng) mang điện tích dương, hướng lên trên. Những tia sáng này bắt đầu bằng các tua mang điện tích âm (dây dẫn đầu) hướng lên từng bước từ một vật thể ở độ cao rất cao, trước khi kết nối với mây giông, truyền điện tích dương xuống mặt đất. Ở mực nước biển, tia sét hướng lên trên rất hiếm, nhưng có thể chiếm ưu thế khi ở độ cao lớn. Chúng cũng có khả năng gây hại nhiều hơn, vì khi tia sét hướng lên trên, sét tiếp xúc với các dạng cấu trúc không gian lâu hơn so với khi nó di chuyển hướng xuống dưới, giúp nó có thêm thời gian để truyền điện tích.
Ảnh chụp đỉnh Säntis, với các mũi tên chỉ Radome, nơi chứa đầu dò điện trường và đầu dò nhấp nháy; Tháp đặt các cảm biến dòng điện và cảm biến đạo hàm dòng điện. (Hình ảnh được sao chép từ Rachidi và Rubinstei, Báo cáo khoa học (2024) DOI: 10.1038/s41598-024-58520-x)
Mặc dù trước đây người ta đã quan sát thấy sự phát xạ tia X từ các loại sét khác nhưng đây là lần đầu tiên chúng được ghi lại từ các tia sét mang điện tích dương, hướng lên trên. Những tia X này cung cấp hiểu biết có giá trị về cách thức hình thành của sét và đặc biệt là sét hướng lên. Cơ chế thực sự mà sét bắt đầu và lan truyền vẫn còn là một bí ẩn. Việc quan sát sét hướng lên từ các công trình cao như tháp Säntis giúp có thể liên hệ các phép đo tia X với các đại lượng được đo đồng thời khác.
Cho đến gần đây, các phép đo phát xạ tia X từ tia sét hướng lên tự nhiên vẫn còn rất ít. Yoshida và cộng sự đã quan sát thấy số lượng tăng lên liên quan đến bảy tia sét trên chất dẻo và chất nhấp nháy NaI của họ được thiết kế để phát hiện các vụ nổ electron và photon năng lượng cao, mặc dù khoảng thời gian lấy mẫu 1 ms của máy dò của họ không cho phép xác định chính xác pha phát xạ. Trong số bảy tia sét ghi nhận, họ đã báo cáo kết quả về hai, một tia âm hướng lên và một tia dương hướng lên. Montanyà và cộng sự đã thực hiện các phép đo phát xạ tia X từ một số tia sét hướng lên từ tháp Eagle Nest trên đỉnh núi nằm ở độ cao 2.537 m so với mực nước biển (ASL) ở Pyrenées. Họ đã quan sát thấy một xung tia X bùng phát (với mức tối đa là 806 keV) trong giai đoạn đầu từng bước của một chớp sáng âm tự nhiên đi xuống, nhưng không phát hiện ra sự phát xạ tia X trong chớp sáng bắt đầu hướng lên. Hettiarachchi và cộng sự là những người đầu tiên đo trực tiếp sự phát xạ tia X từ các tia sét phóng lên: mặc dù hiếm hoặc rất yếu, nhưng họ đã phát hiện ra tia X có năng lượng lên tới 700 keV xảy ra cả theo từng đợt và dưới dạng các sự kiện đơn lẻ trong quá trình đầu của 3 tia sét âm hướng lên tự nhiên tại Tháp Gaisberg ở Áo.
Tòa tháp Säntis cao 124 mét nằm trên đỉnh của dãy Appenzell Alps, trở thành mục tiêu thu sét lý tưởng. Ở vị trí đó, các nhà khoa học có tầm nhìn rõ ràng và ở dãy núi lân cận, cơ sở nghiên cứu mở rộng được trang bị camera tốc độ cao, máy dò tia X, cảm biến điện trường và thiết bị đo dòng điện. Điều quan trọng là tốc độ và độ nhạy của thiết bị này cho phép nhóm nghiên cứu nhìn thấy sự khác biệt giữa các bước dẫn âm phát ra tia X và những bước không phát ra tia X, hỗ trợ cho lý thuyết về sự hình thành sét được gọi là mô hình electron lạnh. Sự kết hợp của tia X với sự thay đổi điện trường rất nhanh đã ủng hộ lý thuyết cho rằng sự gia tăng đột ngột của điện trường trong không khí khiến các electron xung quanh “bỏ chạy” và trở thành plasma: sét.
Hình ảnh camera tốc độ cao chụp một tia sét dương hướng lên trên (Nguồn: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne).
Dữ liệu được đồng bộ hóa theo thời gian này dùng để xác nhận rằng phát xạ tia X được phát hiện có liên quan đến các bước ban đầu của tia sét âm đi lên. Phân tích sâu hơn về các thông số khi thấy bốn điểm đáng chú ý khác: Tần số và năng lượng của các xung tia X dường như giảm theo hàm số của thời gian, với các xung biến mất hoàn toàn trong vòng mili giây đầu tiên của tia sét, phù hợp với nguồn rút dần và tán xạ Compton tăng lên; Biên độ dòng điện thấp hơn trong giai đoạn đầu dường như tương quan với tỷ lệ phần trăm các bước thấp hơn có tia X đi kèm, cũng kết thúc sớm hơn; Các bước tiên đạo đi kèm với tia X có sự thay đổi cực đại dòng điện và trường E lớn hơn rõ rệt so với các bước tiên đạo không đi kèm với tia X. Sự kết hợp giữa phát xạ tia X với sự thay đổi đạo hàm dòng điện và điện trường tối đa của các bước, cũng như năng lượng photon tương đối thấp được phát hiện, hỗ trợ cho mô hình electron lạnh như một cơ chế hoạt động để tạo ra tia X trong sét.
Ngày càng có nhiều cấu trúc ở độ cao lớn, như tua-bin gió và máy bay, được chế tạo từ vật liệu composite. Những vật liệu này kém dẫn điện hơn các kim loại như nhôm, vì vậy chúng nóng lên nhiều hơn, khiến chúng dễ bị hư hại do sét. Các quan sát tại Säntis, nơi nhận hơn 100 vụ sét đánh mỗi năm, vẫn đang được tiến hành. Các nhà khoa học cũng có kế hoạch bổ sung cảm biến vi sóng vào kho thiết bị của tòa tháp; điều này có thể giúp xác định liệu mô hình điện tử lạnh có áp dụng cho sét hướng xuống hay không, vì không giống như tia X, vi sóng có thể được đo từ các đám mây.
Từ khóa: bức xạ; tia X; sét;
– CMD&DND –
