Dùng tia vũ trụ dò bão sét

Có thể thu được thông tin trực tiếp mới về điện trường gây sét từ sóng vô tuyến hình thành khi mưa tia vũ trụ đi qua bão sét. Đó là kết luận của một đội nghiên cứu quốc tế, sau khi khảo sát số liệu ghi lại bằng kính thiên văn vô tuyến trong những cơn bão điện. Họ nhìn thấy các biến thiên phát xạ vô tuyến từ các hạt tích điện mà các mô hình máy tính đề xuất do sự lệch hướng bởi điện trường mạnh trong bão sét.

Theo ảnh chụp từ vệ tinh, có khoảng 40 tia sét xuất hiện mỗi giây trên khắp thế giới. Trong khi đa phần là vô hại, thì việc sét đánh trúng có thể gây thiệt hại nhà cửa và thậm chí gây thiệt mạng. Một số thiệt hại này có thể tránh được nếu chúng ta biết sét sẽ đánh vào chỗ nào và khi nào, nhưng những dự đoán như vậy thật sự khó bởi vì chúng ta biết quá ít về sự hình thành sét. Bão sét phát triển nhanh và không thể dự đoán, nên người ta phải sử dụng khéo léo các thiết bị gắn trên tên lửa hoặc khí cầu để đo những điện trường khổng lồ hình thành trong cơn bão sét trước khi một tia sét phóng điện.

Nghiên cứu mới chọn một chiến thuật khác và khảo sát cơn mưa hạt hình thành khi một hạt vũ trụ năng lượng cao va chạm với một hạt nhân nguyên tử trong khí quyển và kích hoạt một cơn mưa hạt trút xuống phía Trái đất. Nhiều hạt trong số này tích điện và vì thế bị lệch hướng bởi từ trường của Trái đất. Sự lệch hướng này làm cho các hạt phát ra sóng vô tuyến mà kính thiên văn vô tuyến có thể phát hiện được.

Ảnh minh họa một tia vũ trụ tạo ra cơn mưa hạt thứ cấp phát ra sóng vô tuyến khi chúng tương tác với từ trường Trái đất.

Theo các tính toán tiến hành hồi năm 2010 bởi Heino Falcke tại Đại học Radboud ở Hà Lan, và các cộng sự, thì độ phân cực lẫn cường độ của những sóng vô tuyến này sẽ bị biến đổi theo kiểu có thể đo được bởi gradient điện trường trên khoảng 10 kV/m, một giá trị tiêu biểu được tìm thấy trong bão sét.

Trong khi những tính toán này được thực hiện chủ yếu để giúp các nhà thiên văn vật lí lọc ra tác dụng của điện trường lên các nghiên cứu vô tuyến của tia vũ trụ, thì Falcke và các đồng sự nay hợp tác với các nhà địa vật lí và thiên văn vật lí để đo điện trường trong bão sét, lần đầu tiên sử dụng kính thiên văn vô tuyến.

Đứng đầu bởi nhà thiên văn vật lí gốc Radboud, Pim Schellart, đội nghiên cứu đã sàng lọc dữ liệu thu thập giai đoạn 2011–2014 bởi kính thiên văn vô tuyến Low Frequency Array (LOFAR) ở Hà Lan. LOFAR ghi được 762 cơn mưa hạt trong thời gian này, nhưng chỉ khoảng 60 sự kiện có thể giải thích được bởi riêng sự lệch hướng do từ trường. Phân tích thêm sau đó nhận ra 31 trong số những sự kiện này cũng có tỉ số tín hiệu so với nhiễu đủ cao để tiếp tục khảo sát thêm.

Schellart mô tả đây là những sự kiện bâng quơ bình thường sẽ không được phân tích bởi vì chúng “quá lộn xộn”. Nhưng số liệu ghi chép của Hội khí tượng học Hoàng gia Hà Lan cho thấy sét đánh xảy ra trong vòng 2 giờ và cách xa 150 km so với 20 trong 31 cơn mưa dị thường đó, cho phép Schellart và các đồng sự suy đoán rằng 11 sự kiện còn lại có thể tương ứng với các điện trường khí quyển không dẫn tới những tia sét được ghi nhận.

Sau đó, đội nghiên cứu đã sử dụng một mô phỏng trên máy tính để phân tích dữ liệu thu bởi kính thiên văn từ một trong các sự kiện sét. Mô phỏng của họ cho biết sóng vô tuyến được tạo ra trong bão sét vươn xa 3 km phía trên mặt đất lên tới độ cao tối đa 8 km – hai giá trị đều hợp lí cho một cơn bão sét. Có khả năng đám mây vươn quá 8 km, nhưng trên độ cao đó sẽ có ít hạt tích điện hơn vì cơn mưa hạt sẽ không được phát triển đầy đủ.

Phân tích cũng cho biết gradient điện trường là 50 kV/m tại phần chóp đám mây và 27 kV/m ở phần dưới của nó, một lần nữa đây là những giá trị tiêu biểu cho một cơn bão sét. Thật thú vị, các nhà nghiên cứu tìm thấy rằng việc tăng gradient điện trường trong mô hình của họ vượt quá 50 kV/m đưa đến rất ít biến đổi ở cường độ sóng vô tuyến được dự đoán – một hiệu ứng hiện nay họ đang nghiên cứu.

“Cách phát xạ vô tuyến biến thiên cho chúng ta biết rất nhiều thông tin về điện trường trong bão sét,” Schellart nói. “Chúng ta thậm chí có thể xác định cường độ điện trường tại một độ cao nhất định trong đám mây.” Đội của Schellart còn lắp đặt một máy đo điện trường tại LOFAR để hiểu rõ hơn các sự kiện dị thường không tương ứng với tia sét nào được ghi nhận.

Kĩ thuật của họ còn có thể dùng để xét xem mưa tia vũ trụ có kích hoạt sét hay không khi các hạt tích điện đi qua bão sét – ý tưởng được nêu ra bởi Aleksandr Gurevich tại Viện Vật lí Lebedev ở Moscow. Nó còn có thể giúp các nhà vật lí tìm hiểu tại sao bão sét thỉnh thoảng phát ra các lóe sáng tia gamma – một hiện tượng người ta cho là có liên quan đến điện trường của bão sét làm gia tốc các electron do mưa tia vũ trụ gây ra.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

Theo physicsworld.com