© FlickrMột vòi rồng nước đi kèm với sét đánh
Giới thiệu
Bụi sao chổi tích tụ trong bầu khí quyển Trái Đất đóng vai trò quan trọng trong sự gia tăng của lốc xoáy, bão và cùng với chúng là mưa, tuyết rơi và sét đánh. Để hiểu cơ chế này, trước tiên chúng ta phải tính đến tính chất điện của bão và lốc xoáy. Chúng thực chất là biểu hiện của cùng một hiện tượng điện ở những quy mô và cấp độ khác nhau về năng lượng. Do sự tương đồng này, chúng tôi sẽ gọi hai hiện tượng này với cái tên chung là "xoáy không khí" trong phần thảo luận sau.
McCanney mô tả bản chất điện của bão như sau:
Một mô hình đơn giản cho thấy rằng những cơn bão này được hình thành khi có dòng điện nối giữa tầng điện ly và đỉnh của đám mây... lý do mà bão mất đi sức mạnh của chúng khi đi vào đất liền là do dòng điện nối từ tầng điện ly đến đỉnh đám mây và đến bề mặt Trái Đất không còn cực dương nữa. Khi ở ngoài đại dương dòng điện này có thể hút lên lượng lớn không khí bị ion hóa từ bề mặt đại dương và tập trung chúng vào cột xoáy trung tâm (cột xoáy được tạo thành bởi dòng không khí ẩm đi lên, giống như nước xoáy tròn lúc trôi xuống đáy bồn rửa mặt, chỉ có điều theo chiều ngược lại). Trên đất liền, lượng không khí ion hóa ít hơn nhiều nên dòng điện của cơn bão bị mất đi sức mạnh của nó... Tôi cũng đã tính toán dựa theo lý thuyết nước ấm và thấy rằng nó không cung cấp đủ năng lượng cho những cơn bão khổng lồ này. Về sau chúng ta chứng kiến bão cả trên Sao Hỏa nơi không có chút nước nào. Rõ ràng là khái niệm nước ấm tạo ra bão là không khả thi...Từ cách nhìn này, các xoáy không khí đơn giản chỉ là biểu hiện của sự phóng điện giữa tầng điện ly và bề mặt Trái Đất. Hình trên cho thấy một vòi rồng nước và một tia sét xảy ra tại cùng địa điểm và thời gian. Nó cho thấy đúng là hiệu điện thế giữa đám mây ở phía trên bức ảnh và mặt đất ở phía dưới là thứ cung cấp năng lượng cho cả tia sét và lốc xoáy.
Tần suất phóng điện
Nếu các xoáy không khí được tạo ra bởi điện thì làm thế nào chúng ta có thể giải thích sự gia tăng trong tần suất của chúng trong khi hoạt động mặt trời đã suy giảm và do đó điện trường trong bầu khí quyển bị suy yếu? Trong khi điện trường nói chung trong bầu khí quyển đúng là đã suy giảm, một yếu tố nữa phải được tính đến: Sự gia tăng của nồng độ bụi trong khí quyển làm giảm tính dẫn điện của khí quyển. Tính dẫn điện trong khí quyển phụ thuộc vào độ cơ động của các hạt ion nhỏ. Khi bụi có mặt, những ion này, thay vì di chuyển tự do, lại gắn kết với những hạt bụi tương đối lớn ấy và mất đi tính cơ động. Do đó, tính dẫn điện của khí quyển bị giảm đi.
© Sott.netẢnh hưởng của bụi khí quyển lên tần suất của "xoáy không khí" và sét
Tính năng bổ sung này của các hạt bụi cùng lượng bụi tích tụ trong khí quyển có nghĩa là bất cứ khu vực khí quyển nào cũng có thể mang lượng điện tích khổng lồ, khác xa so với điện tích những vùng lân cận, tầng điện ly và bề mặt Trái Đất. Hệ quả của nó là hiện tượng sét đánh cùng mọi loại xoáy không khí sẽ gia tăng cả về tần suất lẫn quy mô địa lý.
Hình dưới đây dựa trên một bài viết khoa học viết bởi Robert Lund, giáo sư toán học tại Clemson, người đã nghiên cứu những thay đổi trong chu kỳ bão ở vùng bắc Đại Tây Dương trong khoảng từ năm 1851 đến 2008. Nghiên cứu của ông chỉ ra sự gia tăng trong tần suất các cơn bão nhiệt đới bắt đầu từ giữa thập kỷ 80 (đường đi lên màu xanh) và vẫn tiếp tục đến ngày nay.
© ClemsonTần suất bão nhiệt đới (1851 - 2008)
Trong khi xoáy không khí (lốc xoáy và bão) đã xảy ra thường xuyên hơn từ cuối những năm 1980 và sẽ xảy ra thường xuyên hơn trong những năm tới do sự gia tăng của bụi sao chổi trong khí quyển, những đợt phóng điện cực mạnh, như siêu bão Category 5, không nhất thiết sẽ gia tăng.
Siêu bão Category 5 kéo dài nhiều ngày và cho phép lượng năng lượng khổng lồ (cân bằng điện tích) chuyển đổi giữa tầng điện ly và bề mặt Trái Đất. Do vậy nguồn năng lượng chính cho những cơn siêu bão là hiệu điện thế giữa Trái Đất và tầng điện ly của nó. Hoạt động mặt trời suy giảm dẫn đến tầng điện ly ít tích điện (dương) hơn. Điều đó có nghĩa là hiệu điện thế giữa tầng điện ly và Trái Đất giảm đi, dẫn đến việc những cơn siêu bão Category 5 xảy ra ít thường xuyên hơn. Sau khi nghiên cứu dữ liệu về bão nhiệt đới trong 150 năm qua, Robert Lund đi đến một kết luận tương tự về cường độ của các cơn bão:
'Đây là một chủ đề nóng bỏng trong cuộc tranh luận về sự nóng lên toàn cầu,' Lund nói. 'Các nhà nghiên cứu khí hậu làm việc cho Thượng viện Hoa Kỳ với mùa hè vừa rồi còn báo cáo trái ngược hoàn toàn với những gì chúng tôi phát hiện. Nhiều nhà nghiên cứu khăng khăng rằng nước biển Đại Tây Dương ấm lên đang làm gia tăng cường độ các cơn bão. Chúng tôi hoàn toàn không thấy bằng chứng cho kết luận này. Tuy nhiên, chúng tôi có phát hiện rằng số lượng các cơn bão gần đây đã gia tăng. ' Nghiên cứu này là một trong những đánh giá thống kê nghiêm ngặt đầu tiên về vấn đề này, có tính cả đến khoảng sai số trong đó.Tuyên bố của Lund có vẻ như được xác nhận bởi dữ liệu thống kê gần đây thu thập bởi tiến sĩ Ryan N. Maue.
© Ryan N. MaueSố liệu hàng năm của bão nhỏ (màu xanh) so với bão lớn (màu đỏ) (1970 - 2012)
Nghiên cứu về dữ liệu thống kê lốc xoáy tại Hoa Kỳ dẫn đến kết quả tương tự. Hình dưới dựa trên dữ liệu cung cấp bởi NOAA (Cơ Quan Khí tượng Thủy văn Quốc gia Hoa Kỳ). Trong khi số lượng lốc xoáy nói chung tăng đều đặn kể từ năm 2002 (các cột và đường cong đi lên màu xanh), số những trận lốc xoáy mạnh (cột và đường màu tím) hầu như không thay đổi. Do đó, tỷ lệ phần trăm các cơn lốc xoáy mạnh giảm xuống.
© Sott.netTần suất hàng năm của lốc xoáy (1975 - 2011) và lốc xoáy mạnh F3+ (1950 - 2011)
Trong những năm gần đây, mặt trời yên ắng một cách khác thường. Điều này gợi ý rằng yếu tố nối đất của Nemesis mạnh hơn yếu tố phóng điện do sao chổi. Do đó dẫn đến sự suy giảm tần suất những cơn bão lớn (bởi, như chúng ta thấy ở trên, hoạt động mặt trời là nguyên nhân chính cho các cơn bão lớn). Tuy nhiên, điều này không phải lúc nào cũng đúng: mặt trời vẫn có thể trải qua những đợt hoạt động mạnh.
Vào tháng 11/2013, mặt trời có một thời gian hoạt động mãnh liệt, với tám vết lóa mặt trời loại X từ ngày 25/10 đến 19/11, trong khi trong hai năm trước, mặt trời chỉ có trung bình 0,5 vết lóa mặt trời loại X mỗi tháng.
© NOAA/AFP/Getty ImagesẢnh chụp vệ tinh của siêu bão Haiyan
Nhớ rằng gió mặt trời mất khoảng 2 - 4 ngày để đến Trái Đất. Haiyan bắt đầu là một cơn bão bình thường vào ngày 2/11 (có thể được gây ra bởi vết lóa X2.3 xảy ra vào ngày 29/10). Cho đến ngày 5/11, nó đã trở thành một siêu bão Category 5 (cấp mạnh nhất trong thang bão). Ngày 7/11, nó vẫn còn mạnh lên nữa (có thể được tăng cường bởi vết lóa X3.3 vào ngày 5/11) với sức gió duy trì trong một phút đạt 315km/h. Cùng ngày hôm đó, Haiyan đổ bộ vào đất liền mà không suy giảm cường độ chút nào, trở thành cơn bão mạnh nhất trong lịch sử đổ bộ vào đất liền.
Điều gì có thể giải thích sự gia tăng đột biến trong hoạt động mặt trời, áp đảo yếu tố nối đất mặt trời do Nemesis gây ra? Trên thực tế, có số lượng lớn sao chổi quan sát được ở gần mặt trời vào thời gian đó. Ngày 21/11, 17 sao chổi có thể được nhìn thấy với một kính viễn vọng nhỏ. Năm trong số đó có cường độ sáng từ 4 - 7,5 và có thể được nhìn thấy qua ống nhòm hoặc bằng mắt thường.
Tình huống này khá là bất thường vì trong số 17 sao chổi kể đến ở trên, hai sao chổi sáng nhất, ISON (2012 S1) và Lovejoy (2013 R1), không đi theo quỹ đạo thông thường gần Sao Mộc. ISON và Lovejoy là những sao chổi có chu kỳ rất dài. Chu kỳ của Lovejoy là 10.371 năm và chu kỳ của ISON vẫn chưa được biết, nhưng độ tâm sai của nó gợi ý rằng nó có thể là một sao chổi chỉ đến một lần và không bao giờ quay trở lại hệ mặt trời.
Các sao chổi với quỹ đạo kéo dài là những sao chổi có hoạt động điện tích cực nhất. Đối lập với các sao chổi từ quỹ đạo Sao Mộc, chúng tích rất nhiều điện âm do chúng đến từ vùng điện thế âm ở ngoài hệ mặt trời và chúng lao vào gần như theo đường thẳng đến mặt trời và vùng xung quanh mặt trời mang điện dương. Điều đó dẫn đến độ sáng cao của những sao chổi này (do stress điện) và sự bùng phát trong hoạt động mặt trời (do sự phóng điện của mặt trời kích hoạt bởi những sau chổi hoạt động điện rất mạnh này).
© NASA-CIOCẢnh chụp từ STEREO cho thấy 3 sao chổi (khoanh đỏ) hoạt động gần mặt trời: 2P/Encke, ISON và Lovejoy kích hoạt những vết lóa mặt trời khổng lồ
Bây giờ khi đã hiểu rõ hơn về nguyên nhân khả dĩ của sự gia tăng đột ngột trong hoạt động mặt trời này và ảnh hưởng của nó lên các hiện tượng thời tiết, hãy cùng quay lại với bão lớn và lốc xoáy.
Bất chấp siêu bão Haiyan hung dữ, ngay cả sau khi tính đến năng lượng của nó, chỉ số Năng lượng Bão Tích tụ (ACE) cho năm 2013 - tại 74% - vẫn cứ thấp hơn bình thường, và là mức thấp nhất mà nó đạt đến kể từ những năm 1970. Như bạn có thể thấy trong hình dưới, cả dữ liệu toàn cầu (đường màu xanh) và dữ liệu bắc bán cầu (đường màu đen) cho thấy xu hướng đi xuống nói chung trong chỉ số ACE kể từ khoảng năm 1998 và sự suy giảm liên tục kể từ năm 2006.
© Weatherbell.comNăng lượng Bão Tích tụ (1972 - 2014)
© CRISP / National University of SingaporeẢnh vệ tinh của Bão Vamei ngày 27/12/2001
Tuy nhiên, vào ngày 27/12/2001, Bão Vamei hình thành trên đường xích đạo và có hướng quay ngược chiều kim đồng hồ ở cả hai bên của đường xích đạo. Nếu hiệu ứng Coriolis là yếu tố duy nhất khiến các cơn bão xoáy tròn, Bão Vamei và vị trí xích đạo của nó sẽ không thể xảy ra được.
Bây giờ hãy cùng xem xét đến không khí nóng ấm, thứ được coi là nguồn năng lượng của các cơn bão. Cơn bão thứ 2 của mùa bão năm 1971 (không có tên, và từ đây sẽ được gọi là "Bão #2") hình thành phía đông Bermuda vào ngày 29/7/1971. Nó di chuyển theo hướng đông bắc và bắt đầu mạnh dần lên, mặc dù nó di chuyển vào vùng nước ngày càng lạnh hơn. Khi cơn bão đi qua một dàn khoan cách Newfoundland 200 hải lý, sức gió của nó đạt 204 km/h. Bán kính tâm bão nơi có gió mạnh nhất là khoảng 50 km. Bão #2 có tất cả những đặc tính của một cơn bão lớn khi nó ở vĩ độ 46° bắc (trên bờ biển phía đông của Canada), nơi nhiệt độ nước trung bình trong tháng 7 là 12° C. Vào thời điểm đó, nhiệt độ nước thực tế còn lạnh hơn nhiệt độ không khí 5°C. Theo các sách giáo khoa, "Bão #2" lẽ ra không thể hình thành được.
© Hubble/NASACơn bão khổng lồ gần cực bắc Sao Hỏa ngày 27/4/1999.
Tóm lại, Bão Vamei cho thấy hiệu ứng Coriolis có nhiều khả năng không phải là nguyên nhân chính khiến các cơn bão xoáy tròn và "Bão #2", cùng với những cơn bão trên Sao Hỏa, cho thấy nước ấm không phải là yếu tố chính cung cấp năng lượng cho bão.
Khía cạnh điện của bão, chớp và sét
Điện có vẻ đóng một vai trò lớn trong các hiện tượng xoáy không khí, bao gồm cả bão. Để hiểu rõ hơn những hiện tượng điện này, trước tiên hãy xem xét chớp và sét. Như chúng ta sẽ thấy, chớp và sét có liên quan chặt chẽ với bão, áp thấp, lốc xoáy và các đám mây đi kèm với chúng.
© NASA / GHRC / NSSTCTần suất sét đánh toàn cầu
Hai hình vẽ dưới đây cho thấy quá trình diễn ra khi một tia sét đánh từ mây xuống mặt đất. 6 bước của quá trình liệt kê dưới đây tương ứng với các con số màu đỏ.
© Sott.netQuá trình hình thành sét
1) Luồng gió mặt trời giàu proton đưa các hạt tích điện dương vào tầng điện ly của Trái Đất.
2) Khi điện tích dương của tầng điện ly tăng lên, nó bắt đầu thu hút các electron nằm trên bề mặt Trái Đất.
3) Các electron từ bề mặt Trái Đất bay lên trong không khí và bị bắt giữ bởi những hạt bụi, hạt nước ít cơ động hơn trong khí quyển.
4) Tương tự, proton từ tầng điện ly bị thu hút bởi điện tích âm của Trái Đất và bắt đầu rơi vào bầu khí quyển, cuối cùng cũng bị bắt giữ bởi các hạt nhỏ trong khí quyển.
Hình dưới:
5) Dòng electron đi lên tạo ra một vùng thiếu electron trên bề mặt Trái Đất (vùng mang điện dương nằm trong đường màu đỏ) và một vùng giàu electron ở mặt dưới đám mây.
6) Khi hiệu điện thế đủ lớn, sét đánh diễn ra, đưa một lượng electron khổng lồ trở lại mặt đất và cân bằng điện tích giữa mặt dưới đám mây và vùng tích điện dương trên bề mặt Trái Đất.
Sét và bão có vẻ là những quá trình cân bằng điện tích tương tự như nhau. Sét hầu hết xảy ra trên đất liền và rất ít khi xảy ra trên mặt biển. Đây có thể là do sự khác nhau giữa độ dẫn điện của mặt đất và nước biển. Khi electron bắt đầu bay lên từ mặt biển, độ dẫn điện cao của nước muối thường ngăn cản sự hình thành một vùng thiếu electron, nguyên nhân chủ yếu của sét. Ngược lại, khi dòng electron bay lên xảy ra trên đất liền, tính dẫn điện kém của đất cho phép hình thành một vùng thiếu electron có thể kích hoạt và nhận sét đánh.
Xét về địa điểm, bão là ngược lại với các tia sét: chúng hầu hết xảy ra trên mặt biển và thường suy yếu hoặc ngưng lại khi vào bờ. Khi dòng electron khổng lồ được kéo lên từ mặt biển, độ dẫn điện cao của nước muối cho phép electron từ những vùng lân cận đổ đến, do đó tạo ra một nguồn cung cấp electron gần như vô tận cho cơn bão đang diễn ra. Khi cơn bão đi vào bờ, nguồn cung cấp electron bị giới hạn bởi độ dẫn điện kém của mặt đất và cơn bão suy yếu dần.
© met.inf.cuĐường đi của 14 cơn bão lớn trong năm 2000
Cũng lưu ý rằng hiện tượng mưa thường đi kèm với bão cũng góp phần vào quá trình cân bằng điện tích.
Khi một giọt mưa rơi xuống đất, nó có thể bắt giữ các electron ở mặt dưới đám mây hoặc trên đường đi, thông qua đó mang một lượng điện tích âm xuống mặt đất và cân bằng sự khác biệt điện thế theo cách tương tự như sét đánh. Từ cách nhìn này, mưa và sét đều được gây ra bởi điện trường khí quyển mạnh và đều dẫn đến sự cân bằng lại điện tích giữa bề mặt Trái Đất và khí quyển.
Lưu ý rằng điện trường khí quyển có ảnh hưởng lên sự hình thành hạt mưa và kích thước của nó. Trong hình dưới, một tia nước nhỏ được tạo ra bởi một mũi kim tiêm nối vào vòi nước. Ở bên trái, không có điện trường nào hiện hữu. Tia nước có dạng một làn sương tạo thành bởi những giọt nước rất nhỏ. Ở bên phải, có điện trường tác động lên tia nước, khiến các giọt nước nhỏ liên kết với nhau và do đó tạo thành những giọt nước lớn. Thí nghiệm này rất giống những gì xảy ra trong các đám mây, nơi các giọt nước nhỏ có xu hướng xếp hàng dọc theo điện trường khí quyển và hút lẫn nhau, tạo thành những giọt nước ngày càng nặng hơn.
© Pierce BoundsẢnh hưởng của điện trường lên kích thước giọt nước
Trước khi kết thúc chương này, chúng tôi cần nhận xét thêm về bụi khí quyển: như chúng ta đã thấy khi trước, bụi khí quyển đóng vai trò quan trọng trong diễn biến của một cơn bão. Về mặt vật chất, nó đóng vai trò như một hạt nhân để hình thành giọt nước (tạo mây). Về mặt điện, nó lưu dữ điện tích có thể kích hoạt sét đánh.
Bụi khí quyển cũng có vẻ có khả năng điều chỉnh độ cao các đám mây. Theo khoa học chính thống, bụi khí quyển và các hạt nước nhỏ bay lơ lửng trong không trung do kích thước rất nhỏ của chúng: khối lượng nhỏ và lực cản tương đối lớn. Tuy nhiên, nhiều quan sát không khớp với mô hình lực hấp dẫn - lực cản, và trong một số trường hợp, những đám mây bụi lắng xuống chậm hơn nhiều so với dự đoán:
Thú vị thay, có vẻ như có một cơ chế nào đó trong khí quyển chưa được biết đến chống lại sự lắng xuống do trọng trường của các hạt bụi khí quyển lớn (Maring et al., 2003), do những mô hình di chuyển của bụi trên khoảng cách lớn thường đánh giá thấp tỷ lệ các hạt bụi lớn so với thực tế (Colarco et al., 2003, Ginoux et al., 2001), và các mẫu bụi thu thập được sau những vụ nổ hạt nhân cho thấy các hạt bụi "khổng lồ" (lớn hơn 62,5 micromét) có thể được đưa đi xa hàng ngàn km từ nguồn của chúng (Middleton et al., 2001).Nếu bạn nhớ lại thí nghiệm Millikan, một hạt nước nhỏ được tích điện chỉ với một electron có thể chống lại trọng trường và nằm lơ lửng trong không trung khi có điện trường thẳng đứng. Để điều này xảy ra, điện trường thẳng đứng phải vào khoảng 32.100 V/m. Mặc dù điện trường khí quyển tại mặt đất thông thường là khoảng 100 V/m, bụi và nhưng hạt nước nhỏ trong khí quyển có thể thay đổi giá trị này rất nhiều do chúng làm giảm độ dẫn điện. Điện trường lên tới 2.000 V/m đã được đo trong bão cát, tới 20.000 V/m được đo ở dưới cơn bão và tới 200.000 V/m được đo bên trong cơn bão. Thêm vào đó, khác với thí nghiệm Millikan, những hạt bụi này có thể mang điện tích nhiều hơn một electron.
Điều này có nghĩa là điện trường khí quyển có thể đóng vai trò quan trọng trong tốc độ, vị trí, sự di chuyển và độ cao của các đám mây, bất kể chúng được tạo thành từ bụi hay các giọt nước (hay cả hai). Nó có thể khiến các hạt bụi lơ lửng hay thậm chí bay lên cao hơn trong không trung.
Nhận xét: Xem thêm các chương khác của cuốn sách Biến đổi Trái Đất và Mối Liên hệ Con người - Vũ trụ để hiểu thêm về quá trình biến đổi Trái Đất, trong đó bao gồm cả biến đổi khí hậu, đang diễn ra trên hành tinh này.