Chương 9: Điện trong khí quyển

9–1  Gradient thế điện của khí quyển

Vào một ngày bình thường trên vùng sa mạc bằng phẳng, hay trên biển, khi người ta đi lên từ mặt đất, điện thế tăng khoảng 100 vôn trên mỗi mét. Như vậy có một điện trường thẳng đứng E bằng 100 vôn/m trong không khí. Dấu của trường tương ứng với một điện tích âm trên bề mặt trái đất. Điều này có nghĩa là ở ngoài trời, điện thế tại độ cao ngang mũi của bạn cao hơn điện thế tại chân bạn 200 vôn! Bạn có thể hỏi: “Sao chúng ta không cắm một cặp điện cực ra ngoài không khí cách nhau một mét và dùng 100 vôn đó để thắp sáng đèn điện?” Hoặc bạn có thể tự hỏi: “Nếu thực sự có một hiệu điện thế 200 vôn giữa mũi và chân tôi, thì tại sao tôi không bị điện giật khi bước ra đường?”

Chúng ta sẽ trả lời câu hỏi thứ hai trước. Cơ thể bạn là một vật dẫn tương đối tốt. Nếu bạn tiếp xúc với mặt đất, bạn và mặt đất sẽ có xu hướng tạo thành một mặt đẳng thế duy nhất. Thông thường, các mặt đẳng thế song song với bề mặt, như được chỉ trong Hình 9–1(a), nhưng khi bạn ở đó, các mặt đẳng thế bị bóp méo, và trường trông phần nào như được chỉ trong Hình 9–1(b). Vì vậy bạn vẫn có hiệu điện thế giữa đầu và chân gần như bằng không. Có các điện tích đến từ mặt đất lên đầu bạn, làm thay đổi trường. Một phần trong số chúng có thể bị phóng điện bởi các ion thu thập từ không khí, nhưng dòng điện của chúng rất nhỏ vì không khí là một vật dẫn kém.

Làm sao chúng ta có thể đo một trường như vậy nếu trường bị thay đổi bởi việc đặt một vật gì đó vào đó? Có vài cách. Một cách là đặt một vật dẫn cách điện ở một khoảng cách nào đó phía trên mặt đất và để nó ở đó cho đến khi nó có cùng điện thế như không khí. Nếu chúng ta để đủ lâu, độ dẫn điện rất nhỏ trong không khí sẽ cho phép các điện tích rò rỉ khỏi (hay vào) vật dẫn cho đến khi nó đạt tới điện thế tại mức của nó. Sau đó chúng ta có thể mang nó trở lại mặt đất, và đo sự thay đổi điện thế của nó khi làm vậy. Một cách nhanh hơn là để vật dẫn là một xô nước có một lỗ rò nhỏ. Khi nước nhỏ giọt ra ngoài, nó mang đi mọi điện tích dư và xô sẽ tiến tới cùng điện thế như không khí. (Các điện tích, như bạn biết, cư trú trên bề mặt, và khi các giọt tách ra, “các mảnh của bề mặt” bị tách rời.) Chúng ta có thể đo điện thế của xô bằng một điện kế.

Có một cách khác để đo trực tiếp gradient thế. Vì có một điện trường, có một điện tích mặt trên mặt đất (σ = ε₀E). Nếu chúng ta đặt một bản kim loại phẳng tại bề mặt trái đất và nối đất nó, các điện tích âm xuất hiện trên nó (Hình 9–2a). Nếu bản này bây giờ được che bằng một nắp dẫn điện nối đất khác B, các điện tích sẽ xuất hiện trên nắp, và sẽ không có điện tích nào trên bản gốc A. Nếu chúng ta đo điện tích chảy từ bản A xuống đất (chẳng hạn, bằng một điện kế trong dây nối đất) khi chúng ta che nó, chúng ta có thể tìm mật độ điện tích mặt đã ở đó, và do đó cũng tìm được điện trường.

Sau khi đã gợi ý cách chúng ta có thể đo điện trường trong khí quyển, bây giờ chúng ta tiếp tục mô tả nó. Các phép đo cho thấy, trước hết, rằng trường tiếp tục tồn tại, nhưng trở nên yếu hơn, khi người ta đi lên các độ cao lớn. Đến khoảng 50 kilômét, trường rất nhỏ, nên phần lớn sự thay đổi thế (tích phân của E) là ở các độ cao thấp hơn. Tổng hiệu điện thế từ bề mặt trái đất tới đỉnh của khí quyển là khoảng 400.000 vôn.

9–2  Dòng điện trong khí quyển

Một điều khác có thể đo, ngoài gradient thế, là dòng điện trong khí quyển. Mật độ dòng điện là nhỏ — khoảng 10 micromicroampe đi qua mỗi mét vuông song song với mặt đất. Rõ ràng không khí không phải là một chất cách điện hoàn hảo, và vì độ dẫn điện này, một dòng điện nhỏ — gây bởi điện trường chúng ta vừa mô tả — đi từ bầu trời xuống trái đất.

Tại sao khí quyển có độ dẫn điện? Đây đó giữa các phân tử không khí có một ion — chẳng hạn một phân tử oxy, đã nhận thêm một electron, hay có lẽ đã mất một electron. Các ion này không ở lại dưới dạng các phân tử đơn lẻ; bởi vì điện trường của chúng, chúng thường tích lũy vài phân tử khác quanh chúng. Mỗi ion khi đó trở thành một cục nhỏ mà, cùng với các cục khác, trôi dạt trong trường — di chuyển chậm chạp lên trên hay xuống dưới — tạo thành dòng điện quan sát được. Các ion đến từ đâu? Ban đầu người ta đoán rằng các ion được tạo ra bởi tính phóng xạ của trái đất. (Người ta đã biết rằng bức xạ từ các vật liệu phóng xạ sẽ làm cho không khí dẫn điện bằng cách ion hóa các phân tử không khí.) Các hạt như tia β phát ra từ các hạt nhân nguyên tử di chuyển nhanh đến mức chúng xé các electron khỏi các nguyên tử, để lại các ion phía sau. Điều này, dĩ nhiên, sẽ hàm ý rằng nếu chúng ta đi lên các độ cao lớn hơn, chúng ta sẽ thấy sự ion hóa ít hơn, bởi vì tính phóng xạ đều nằm trong bụi đất trên mặt đất — trong các vết radi, urani, kali, v.v.

Để kiểm tra lý thuyết này, một số nhà vật lý đã mang một thí nghiệm lên trên các khinh khí cầu để đo sự ion hóa của không khí (Hess, năm 1912) và phát hiện rằng điều ngược lại mới đúng — sự ion hóa trên một đơn vị thể tích tăng theo độ cao! (Thiết bị giống như thiết bị của Hình 9–3. Hai bản được tích điện định kỳ tới điện thế V. Do độ dẫn điện của không khí, các bản phóng điện chậm chạp; tốc độ phóng điện được đo bằng điện kế.)

Đây là một kết quả bí ẩn nhất — phát hiện kịch tính nhất trong toàn bộ lịch sử của điện khí quyển. Nó kịch tính đến mức, thực ra, nó đòi hỏi sự rẽ nhánh sang một chủ đề hoàn toàn mới — các tia vũ trụ. Bản thân điện khí quyển vẫn kém kịch tính hơn. Rõ ràng sự ion hóa đang được tạo ra bởi một cái gì đó từ bên ngoài trái đất; việc nghiên cứu nguồn này đã dẫn đến sự khám phá các tia vũ trụ. Chúng ta sẽ không thảo luận chủ đề tia vũ trụ bây giờ, ngoại trừ việc nói rằng chúng duy trì nguồn cung các ion. Mặc dù các ion đang bị quét đi mọi lúc, các ion mới đang được tạo ra bởi các hạt tia vũ trụ đến từ bên ngoài.

Để chính xác, chúng ta phải nói rằng ngoài các ion làm bằng các phân tử, còn có các loại ion khác. Các mảnh bụi nhỏ xíu, như các mẩu bụi cực mịn, lơ lửng trong không khí và trở nên tích điện. Chúng đôi khi được gọi là “các nhân” (nuclei). Chẳng hạn, khi một con sóng vỡ ở biển, các mẩu tia nước nhỏ bị ném vào không khí. Khi một trong các giọt này bay hơi, nó để lại một tinh thể NaCl vô cùng nhỏ lơ lửng trong không khí. Các tinh thể nhỏ xíu này sau đó có thể nhặt các điện tích và trở thành các ion; chúng được gọi là “các ion lớn”.

Các ion nhỏ — những ion được tạo thành bởi các tia vũ trụ — là linh động nhất. Bởi vì chúng rất nhỏ, chúng di chuyển nhanh qua không khí — với tốc độ khoảng 1 cm/giây trong một trường 100 vôn/mét, hay 1 vôn/cm. Các ion lớn hơn và nặng hơn nhiều di chuyển chậm hơn nhiều. Hóa ra nếu có nhiều “nhân”, chúng sẽ nhặt các điện tích từ các ion nhỏ. Khi đó, vì các “ion lớn” di chuyển rất chậm trong một trường, tổng độ dẫn điện bị giảm. Do đó, độ dẫn điện của không khí khá biến thiên, bởi vì nó rất nhạy với lượng “bụi bẩn” có trong nó. Có nhiều bụi bẩn như vậy trên đất liền — nơi gió có thể thổi tung bụi lên hay nơi con người ném mọi loại ô nhiễm vào không khí — hơn là trên mặt nước. Không có gì ngạc nhiên khi từ ngày này sang ngày khác, từ khoảnh khắc này sang khoảnh khắc khác, từ nơi này sang nơi khác, độ dẫn điện gần bề mặt trái đất biến thiên rất lớn. Gradient điện áp quan sát được tại bất kỳ nơi cụ thể nào trên bề mặt trái đất cũng biến thiên rất lớn bởi vì gần như cùng một dòng điện chảy xuống từ các độ cao lớn ở các nơi khác nhau, và độ dẫn điện biến thiên gần mặt đất dẫn đến một gradient điện áp biến thiên.

Độ dẫn điện của không khí do sự trôi dạt của các ion cũng tăng nhanh theo độ cao — vì hai lý do. Trước hết, sự ion hóa từ các tia vũ trụ tăng theo độ cao. Thứ hai, khi mật độ không khí giảm xuống, quãng đường tự do trung bình của các ion tăng lên, nên chúng có thể di chuyển xa hơn trong điện trường trước khi va chạm — dẫn đến một sự tăng nhanh của độ dẫn điện khi người ta đi lên.

Mặc dù mật độ dòng điện trong không khí chỉ là vài micromicroampe trên mỗi mét vuông, có rất nhiều mét vuông trên bề mặt trái đất. Tổng dòng điện tới bề mặt trái đất tại bất kỳ thời điểm nào rất gần như hằng số ở mức 1800 ampe. Dòng điện này, dĩ nhiên, là “dương” — nó mang các điện tích dương tới trái đất. Vì vậy chúng ta có một nguồn điện áp 400.000 vôn với một dòng điện 1800 ampe — một công suất 700 megawatt!

Với một dòng điện lớn như vậy đi xuống, điện tích âm trên trái đất hẳn sẽ sớm bị phóng hết. Thực ra, chỉ cần khoảng nửa giờ để phóng điện toàn bộ trái đất. Nhưng điện trường khí quyển đã tồn tại hơn nửa giờ kể từ khi nó được khám phá. Nó được duy trì như thế nào? Điều gì duy trì điện áp? Và giữa cái gì với trái đất? Có nhiều câu hỏi.

Trái đất mang điện âm, và điện thế trong không khí là dương. Nếu bạn đi đủ cao, độ dẫn điện lớn đến mức theo phương ngang không còn cơ hội cho các biến thiên điện áp nữa. Không khí, đối với thang thời gian chúng ta đang nói tới, trở thành một vật dẫn một cách hiệu quả. Điều này xảy ra ở độ cao trong vùng lân cận 50 kilômét. Đây không phải là cao như cái được gọi là “tầng điện ly”, trong đó có số lượng rất lớn các ion được tạo ra bởi hiệu ứng quang điện từ mặt trời. Tuy nhiên, đối với các thảo luận của chúng ta về điện khí quyển, không khí trở nên đủ dẫn điện ở khoảng 50 kilômét để chúng ta có thể tưởng tượng rằng có thực tế một bề mặt dẫn điện hoàn hảo ở độ cao này, từ đó các dòng điện đi xuống. Hình ảnh của chúng ta về tình huống được chỉ trong Hình 9–4. Bài toán là: Điện tích dương được duy trì ở đó như thế nào? Nó được bơm trở lại như thế nào? Bởi vì nếu nó đi xuống trái đất, nó phải được bơm trở lại bằng cách nào đó. Đó là một trong các câu đố lớn nhất của điện khí quyển trong một thời gian khá dài.

Mỗi mẩu thông tin chúng ta có thể thu thập hẳn sẽ cho một manh mối hay, ít nhất, cho bạn biết điều gì đó về nó. Đây là một hiện tượng thú vị: Nếu chúng ta đo dòng điện (vốn ổn định hơn gradient thế) trên biển, chẳng hạn, hay trong các điều kiện cẩn thận, và lấy trung bình rất cẩn thận để chúng ta loại bỏ các bất thường, chúng ta phát hiện rằng vẫn còn một biến thiên hằng ngày. Trung bình của nhiều phép đo trên các đại dương có một biến thiên theo thời gian gần như được chỉ trong Hình 9–5. Dòng điện biến thiên khoảng ±15 phần trăm, và nó lớn nhất vào lúc 7:00 tối ở London. Phần kỳ lạ của sự việc là dù bạn đo dòng điện ở bất cứ đâu — ở Đại Tây Dương, Thái Bình Dương, hay Bắc Băng Dương — nó đạt giá trị cực đại khi đồng hồ ở London chỉ 7:00 tối! Trên khắp thế giới dòng điện đạt cực đại vào lúc 7:00 tối giờ London và đạt cực tiểu vào lúc 4:00 sáng giờ London. Nói cách khác, nó phụ thuộc vào thời gian tuyệt đối trên trái đất, không phụ thuộc vào giờ địa phương tại nơi quan sát. Ở một khía cạnh, điều này không bí ẩn; nó khớp với ý tưởng của chúng ta rằng có một độ dẫn điện theo phương ngang rất cao ở trên đỉnh, bởi vì điều đó khiến hiệu điện thế từ mặt đất tới đỉnh không thể biến thiên cục bộ. Mọi biến thiên thế hẳn phải trên toàn thế giới, như chúng quả thực vậy. Điều chúng ta biết bây giờ, do đó, là điện áp tại bề mặt “đỉnh” đang giảm xuống và tăng lên 15 phần trăm theo thời gian tuyệt đối trên trái đất.

9–3  Nguồn gốc của các dòng điện khí quyển

Tiếp theo chúng ta phải nói về nguồn của các dòng điện âm lớn vốn phải đang chảy từ “đỉnh” tới bề mặt trái đất để tiếp tục nạp điện âm cho nó. Các pin làm việc này ở đâu? “Pin” được chỉ trong Hình 9–6. Đó là giông bão và sét của nó. Hóa ra các tia sét không “phóng điện” thế mà chúng ta đã nói tới (như bạn có thể đoán lúc đầu). Các cơn giông sét mang các điện tích âm tới trái đất. Khi một tia sét đánh, chín lần trong mười lần nó mang xuống trái đất các điện tích âm với lượng lớn. Chính các cơn giông bão trên khắp thế giới đang nạp điện cho trái đất với trung bình 1800 ampe, dòng điện này sau đó bị phóng qua các miền thời tiết quang đãng.

Có khoảng 40.000 cơn giông bão mỗi ngày trên khắp trái đất, và chúng ta có thể nghĩ chúng như các pin bơm điện lên lớp trên và duy trì hiệu điện thế. Sau đó hãy tính đến địa lý của trái đất — có các cơn giông bão vào buổi chiều ở Brazil, các cơn giông nhiệt đới ở châu Phi, và cứ thế. Người ta đã ước lượng có bao nhiêu sét đang đánh trên toàn thế giới tại bất kỳ thời điểm nào, và có lẽ không cần nói, các ước lượng của họ ít nhiều khớp với các phép đo hiệu điện thế: tổng lượng hoạt động giông bão cao nhất trên toàn trái đất vào khoảng 7:00 tối ở London. Tuy nhiên, các ước lượng về giông bão rất khó thực hiện và chỉ được thực hiện sau khi người ta đã biết rằng biến thiên hẳn phải xảy ra. Những việc này rất khó bởi vì chúng ta không có đủ quan sát trên các biển và trên mọi phần của thế giới để biết chính xác số lượng giông bão. Nhưng những người nghĩ rằng họ “làm đúng” thu được kết quả rằng có khoảng 100 tia sét chớp mỗi giây trên toàn thế giới với một đỉnh trong hoạt động vào lúc 7:00 tối giờ trung bình Greenwich.

Để hiểu các pin này hoạt động như thế nào, chúng ta sẽ xem xét một cơn giông bão một cách chi tiết. Điều gì đang xảy ra bên trong một cơn giông bão? Chúng ta sẽ mô tả điều này trong chừng mực nó được biết. Khi chúng ta đi vào hiện tượng kỳ diệu này của thiên nhiên thực — thay vì các quả cầu lý tưởng hóa của các vật dẫn hoàn hảo bên trong các quả cầu khác mà chúng ta có thể giải quyết rất gọn gàng — chúng ta phát hiện rằng chúng ta không biết nhiều lắm. Tuy nhiên nó thực sự khá thú vị. Bất cứ ai đã ở trong một cơn giông bão đều đã thích nó, hay đã sợ hãi, hay ít nhất đã có một cảm xúc nào đó. Và ở những nơi trong thiên nhiên mà chúng ta có một cảm xúc, chúng ta thấy rằng nói chung có một sự phức tạp và bí ẩn tương ứng về nó. Sẽ không thể mô tả chính xác một cơn giông bão hoạt động như thế nào, bởi vì chúng ta chưa biết nhiều lắm. Nhưng chúng ta sẽ cố mô tả một chút về điều xảy ra.

9–4  Giông bão

Trước hết, một cơn giông bão thông thường được tạo thành từ một số “ô” khá gần nhau, nhưng gần như độc lập với nhau. Vì vậy phân tích từng ô một là tốt nhất. Với một “ô” chúng ta muốn nói một miền có diện tích giới hạn theo phương ngang trong đó mọi quá trình cơ bản xảy ra. Thông thường có vài ô kề bên nhau, và trong mỗi ô gần như cùng một điều đang xảy ra, mặc dù có lẽ với thời điểm khác nhau. Hình 9–7 chỉ một cách lý tưởng hóa một ô như vậy trông như thế nào trong giai đoạn ban đầu của cơn giông bão. Hóa ra ở một nơi nào đó trong không khí, dưới các điều kiện nào đó mà chúng ta sẽ mô tả, có một sự dâng lên tổng quát của không khí, với các vận tốc ngày càng cao hơn gần đỉnh. Khi không khí ấm, ẩm ở dưới đáy dâng lên, nó nguội đi và hơi nước trong nó ngưng tụ. Trong hình các ngôi sao nhỏ chỉ tuyết và các chấm chỉ mưa, nhưng bởi vì các dòng thăng đủ lớn và các giọt đủ nhỏ, tuyết và mưa không rơi xuống ở giai đoạn này. Đây là giai đoạn bắt đầu, và chưa phải là cơn giông bão thực sự — theo nghĩa là chúng ta chưa có gì xảy ra ở mặt đất.

Cùng lúc không khí ấm dâng lên, có một sự cuốn hút không khí từ các phía — một điểm quan trọng đã bị bỏ quên trong nhiều năm. Như vậy không chỉ là không khí từ bên dưới đang dâng lên, mà còn một lượng không khí khác nào đó từ các phía.

Tại sao không khí dâng lên như vậy? Như bạn biết, khi bạn đi lên độ cao, không khí lạnh hơn. Mặt đất bị nung nóng bởi mặt trời, và sự tái bức xạ nhiệt lên bầu trời đến từ hơi nước ở trên cao trong khí quyển; vì vậy ở các độ cao lớn không khí lạnh — rất lạnh — trong khi ở phía dưới nó ấm. Bạn có thể nói, “Vậy thì rất đơn giản. Không khí ấm nhẹ hơn không khí lạnh; do đó tổ hợp là không ổn định cơ học và không khí ấm dâng lên.” Dĩ nhiên, nếu nhiệt độ khác nhau ở các độ cao khác nhau, không khí là không ổn định về nhiệt động lực học. Để mặc nó vô hạn lâu, không khí sẽ đều đi tới cùng một nhiệt độ. Nhưng nó không bị để mặc; mặt trời luôn chiếu sáng (vào ban ngày). Vì vậy bài toán quả thực không phải là bài toán cân bằng nhiệt động lực học, mà là bài toán cân bằng cơ học. Giả sử chúng ta vẽ đồ thị — như trong Hình 9–8 — nhiệt độ của không khí theo độ cao phía trên mặt đất. Trong các hoàn cảnh thông thường chúng ta sẽ thu được một sự giảm dọc theo một đường cong như đường cong được ghi nhãn (a); khi độ cao tăng lên, nhiệt độ giảm xuống. Khí quyển có thể ổn định như thế nào? Tại sao không khí nóng ở dưới không đơn giản dâng lên vào không khí lạnh? Đáp án là thế này: nếu không khí đi lên, áp suất của nó sẽ giảm xuống, và nếu chúng ta xét một kiện không khí cụ thể đi lên, nó sẽ giãn nở đoạn nhiệt. (Sẽ không có nhiệt vào hay ra bởi vì trong các kích thước lớn được xét ở đây, không có đủ thời gian cho nhiều dòng nhiệt.) Như vậy kiện không khí sẽ nguội đi khi nó dâng lên. Một quá trình đoạn nhiệt như vậy sẽ cho một hệ thức nhiệt độ–độ cao như đường cong (b) trong Hình 9–8. Bất kỳ không khí nào dâng lên từ bên dưới sẽ lạnh hơn môi trường mà nó đi vào. Như vậy không có lý do gì để không khí nóng ở dưới dâng lên; nếu nó dâng lên, nó sẽ nguội tới một nhiệt độ thấp hơn không khí đã ở đó, sẽ nặng hơn không khí ở đó, và sẽ chỉ muốn đi xuống trở lại. Vào một ngày đẹp, sáng sủa với độ ẩm rất ít, có một tốc độ nào đó mà nhiệt độ trong khí quyển giảm, và tốc độ này, nói chung, thấp hơn “gradient ổn định cực đại”, vốn được biểu diễn bởi đường cong (b). Không khí ở trong cân bằng cơ học ổn định.

Mặt khác, nếu chúng ta nghĩ về một kiện không khí chứa nhiều hơi nước được mang lên trong không khí, đường cong nguội đoạn nhiệt của nó sẽ khác. Khi nó giãn nở và nguội đi, hơi nước trong nó sẽ ngưng tụ, và nước ngưng tụ sẽ giải phóng nhiệt. Do đó, không khí ẩm không nguội đi gần như nhiều như không khí khô. Vì vậy nếu không khí ẩm hơn trung bình bắt đầu dâng lên, nhiệt độ của nó sẽ đi theo một đường cong như (c) trong Hình 9–8. Nó sẽ nguội đi phần nào, nhưng vẫn sẽ ấm hơn không khí xung quanh ở cùng mức. Nếu chúng ta có một miền không khí ấm ẩm và một cái gì đó bắt đầu làm nó dâng lên, nó sẽ luôn thấy mình nhẹ hơn và ấm hơn không khí quanh nó và sẽ tiếp tục dâng lên cho đến khi nó đạt các độ cao khổng lồ. Đây là bộ máy làm cho không khí trong ô giông bão dâng lên.

Trong nhiều năm ô giông bão được giải thích đơn giản theo cách này. Nhưng sau đó các phép đo cho thấy nhiệt độ của đám mây ở các độ cao khác nhau không gần cao như được chỉ bởi đường cong (c). Lý do là khi “bong bóng” không khí ẩm đi lên, nó cuốn hút không khí từ môi trường và bị nó làm nguội đi. Đường cong nhiệt độ theo độ cao trông giống đường cong (d) hơn, vốn gần đường cong gốc (a) hơn nhiều so với đường cong (c).

Sau khi sự đối lưu vừa mô tả bắt đầu diễn ra, mặt cắt của một ô giông bão trông như Hình 9–9. Chúng ta có cái được gọi là một cơn giông bão “trưởng thành”. Có một dòng thăng rất nhanh mà, trong giai đoạn này, đi lên tới khoảng 10.000 đến 15.000 mét — đôi khi còn cao hơn nhiều. Các đầu mây giông, với sự ngưng tụ của chúng, leo cao lên khỏi bờ mây tổng quát, được mang bởi một dòng thăng thường khoảng 60 dặm một giờ. Khi hơi nước được mang lên và ngưng tụ, nó tạo thành các giọt nhỏ xíu vốn bị nguội nhanh tới các nhiệt độ dưới không độ. Chúng hẳn phải đóng băng, nhưng không đóng băng ngay lập tức — chúng “quá nguội” (supercooled). Nước và các chất lỏng khác thường sẽ nguội tốt dưới điểm đóng băng của chúng trước khi kết tinh nếu không có “nhân” nào hiện diện để bắt đầu quá trình kết tinh. Chỉ nếu có một mẩu vật liệu nhỏ nào đó hiện diện, như một tinh thể NaCl nhỏ xíu, giọt nước mới đóng băng thành một mẩu băng nhỏ. Khi đó cân bằng là như vậy mà các giọt nước bay hơi và các tinh thể băng lớn lên. Như vậy tại một điểm nào đó có một sự biến mất nhanh của nước và một sự tích lũy nhanh của băng. Ngoài ra, có thể có các va chạm trực tiếp giữa các giọt nước và băng — các va chạm trong đó nước quá nguội trở nên gắn vào các tinh thể băng, khiến nó đột nhiên kết tinh. Vì vậy tại một điểm nào đó trong sự giãn nở của đám mây có một sự tích lũy nhanh các hạt băng lớn.

Khi các hạt băng đủ nặng, chúng bắt đầu rơi qua không khí đang dâng lên — chúng trở nên quá nặng để còn được nâng đỡ trong dòng thăng nữa. Khi chúng đi xuống, chúng kéo một ít không khí theo chúng và bắt đầu một dòng giáng. Và đáng ngạc nhiên thay, dễ thấy rằng một khi dòng giáng được bắt đầu, nó sẽ tự duy trì. Không khí bây giờ tựขับ mình đi xuống!

Để ý rằng đường cong (d) trong Hình 9–8 cho phân bố thực tế của nhiệt độ trong đám mây dốc hơn đường cong (c), vốn áp dụng cho không khí ẩm. Vì vậy nếu chúng ta có không khí ẩm đang rơi, nhiệt độ của nó sẽ giảm với độ dốc của đường cong (c) và sẽ thấp hơn nhiệt độ của môi trường nếu nó xuống đủ xa, như được chỉ bởi đường cong (e) trong hình. Ngay khoảnh khắc nó làm vậy, nó đặc hơn môi trường và tiếp tục rơi nhanh. Bạn nói, “Đó là chuyển động vĩnh cửu. Trước hết, bạn lập luận rằng không khí hẳn phải dâng lên, và khi bạn có nó ở trên đó, bạn lập luận cũng tốt như vậy rằng không khí hẳn phải rơi xuống.” Nhưng nó không phải là chuyển động vĩnh cửu. Khi tình huống không ổn định và không khí ấm hẳn phải dâng lên, thì rõ ràng một cái gì đó phải thay thế không khí ấm. Cũng đúng là không khí lạnh đi xuống sẽ thay thế không khí ấm về mặt năng lượng, nhưng bạn nhận ra rằng cái đi xuống không phải là không khí gốc. Các lập luận ban đầu, vốn có một đám mây cụ thể không có cuốn hút đi lên rồi đi xuống, có một câu đố nào đó. Chúng cần mưa để duy trì dòng giáng — một lập luận khó tin. Ngay khi bạn nhận ra rằng có nhiều không khí gốc trộn lẫn với không khí đang dâng lên, lập luận nhiệt động lực học cho thấy có thể có một sự đi xuống của không khí lạnh vốn ban đầu ở một độ cao lớn nào đó. Điều này giải thích hình ảnh của cơn giông bão đang hoạt động được phác họa trong Hình 9–9.

Khi không khí đi xuống, mưa bắt đầu ra khỏi đáy của cơn giông bão. Ngoài ra, không khí tương đối lạnh trải ra khi nó tới bề mặt trái đất. Vì vậy ngay trước khi mưa đến có một cơn gió lạnh nhỏ nào đó cho chúng ta một lời báo trước về cơn bão sắp đến. Trong chính cơn bão có các cơn gió giật nhanh và bất thường, có một sự nhiễu loạn khổng lồ trong đám mây, và cứ thế. Nhưng về cơ bản chúng ta có một dòng thăng, rồi một dòng giáng — nói chung, một quá trình rất phức tạp.

Khoảnh khắc mà mưa bắt đầu là cùng khoảnh khắc mà dòng giáng lớn bắt đầu và là cùng khoảnh khắc, thực ra, khi các hiện tượng điện nảy sinh. Tuy nhiên, trước khi chúng ta mô tả sét, chúng ta có thể kết thúc câu chuyện bằng cách xem điều gì xảy ra với ô giông bão sau khoảng nửa giờ đến một giờ. Ô trông như được chỉ trong Hình 9–10. Dòng thăng dừng lại bởi vì không còn đủ không khí ấm để duy trì nó nữa. Mưa đi xuống tiếp tục một lúc, các mẩu nước cuối cùng ra ngoài, và mọi thứ trở nên ngày càng yên lặng hơn — mặc dù có các tinh thể băng nhỏ còn lại trên cao trong không khí. Bởi vì gió ở độ cao rất lớn theo các hướng khác nhau, đỉnh của đám mây thường trải ra thành hình đe. Ô đi tới cuối đời của nó.

9–5  Cơ chế tách điện tích

Bây giờ chúng ta muốn thảo luận khía cạnh quan trọng nhất đối với các mục đích của chúng ta — sự phát triển của các điện tích điện. Các thí nghiệm thuộc nhiều loại khác nhau — bao gồm việc lái máy bay qua các cơn giông bão (các phi công làm việc này là những người dũng cảm!) — cho chúng ta biết rằng phân bố điện tích trong một ô giông bão là phần nào như được chỉ trong Hình 9–11. Đỉnh của cơn giông bão có một điện tích dương, và đáy có một điện tích âm — ngoại trừ một miền dương nhỏ cục bộ ở đáy của đám mây, vốn đã khiến mọi người lo lắng rất nhiều. Dường như không ai biết tại sao nó ở đó, nó quan trọng như thế nào — liệu nó là một hiệu ứng thứ cấp của mưa dương đang đi xuống, hay liệu nó là một phần thiết yếu của bộ máy. Mọi thứ sẽ đơn giản hơn nhiều nếu nó không ở đó. Dù sao, điện tích âm chiếm ưu thế ở đáy và điện tích dương ở đỉnh có dấu đúng cho pin cần thiết đểขับ trái đất thành âm. Các điện tích dương ở trên không khí 6 hay 7 kilômét, nơi nhiệt độ khoảng −20 °C, trong khi các điện tích âm cao 3 hay 4 kilômét, nơi nhiệt độ ở giữa không và −10 °C.

Điện tích ở đáy của đám mây đủ lớn để tạo ra các hiệu điện thế 20, hay 30, hay thậm chí 100 triệu vôn giữa đám mây và trái đất — lớn hơn nhiều so với 0,4 triệu vôn từ “bầu trời” tới mặt đất trong một khí quyển quang đãng. Các điện áp lớn này đánh thủng không khí và tạo ra các phóng điện hồ quang khổng lồ. Khi sự đánh thủng xảy ra, các điện tích âm ở đáy của cơn giông bão được mang xuống trái đất trong các cú sét đánh.

Bây giờ chúng ta sẽ mô tả phần nào chi tiết đặc tính của sét. Trước hết, có các hiệu điện thế lớn xung quanh, nên không khí bị đánh thủng. Có các cú sét đánh giữa một phần của một đám mây và một phần khác của đám mây, hay giữa một đám mây và một đám mây khác, hay giữa một đám mây và trái đất. Trong mỗi lần chớp phóng điện độc lập — loại cú sét đánh bạn thấy — có khoảng 20 hay 30 culông điện tích được mang xuống. Một câu hỏi là: Mất bao lâu để đám mây tái tạo 20 hay 30 culông bị lấy đi bởi tia sét? Điều này có thể được thấy bằng cách đo, ở xa đám mây, điện trường tạo ra bởi mômen lưỡng cực của đám mây. Trong các phép đo như vậy bạn thấy một sự giảm đột ngột trong trường khi sét đánh, và rồi một sự quay trở lại theo hàm mũ về giá trị trước đó với một hằng số thời gian hơi khác nhau đối với các trường hợp khác nhau nhưng ở trong vùng lân cận 5 giây. Một cơn giông bão chỉ mất 5 giây sau mỗi cú sét đánh để tích điện của nó trở lại. Điều đó không nhất thiết có nghĩa là một cú đánh khác sẽ xảy ra trong đúng 5 giây mỗi lần, bởi vì, dĩ nhiên, hình học bị thay đổi, và cứ thế. Các cú đánh xảy ra ít nhiều bất thường, nhưng điểm quan trọng là phải mất khoảng 5 giây để tái tạo điều kiện gốc. Như vậy có khoảng 4 ampe dòng điện trong cỗ máy phát điện của cơn giông bão. Điều này có nghĩa là bất kỳ mô hình nào được tạo ra để giải thích cơn bão này tạo ra điện của nó như thế nào cũng phải là một mô hình có nhiều “nước ép” — nó phải là một thiết bị lớn, hoạt động nhanh.

Trước khi đi xa hơn chúng ta sẽ xét một điều gần như chắc chắn hoàn toàn không liên quan, nhưng tuy nhiên thú vị, bởi vì nó quả thực cho thấy hiệu ứng của một điện trường lên các giọt nước. Chúng ta nói rằng nó có thể không liên quan bởi vì nó liên hệ tới một thí nghiệm người ta có thể làm trong phòng thí nghiệm với một dòng nước để cho thấy các hiệu ứng khá mạnh của điện trường lên các giọt nước. Trong một cơn giông bão không có dòng nước; có một đám mây băng đang ngưng tụ và các giọt nước. Vì vậy câu hỏi về các cơ chế đang hoạt động trong một cơn giông bão có lẽ hoàn toàn không liên quan tới điều bạn có thể thấy trong thí nghiệm đơn giản chúng ta sẽ mô tả. Nếu bạn lấy một vòi phun nhỏ nối với một vòi nước và hướng nó lên trên ở một góc dốc, như trong Hình 9–12, nước sẽ ra thành một tia mịn mà cuối cùng vỡ ra thành một màn sương các giọt mịn. Nếu bạn bây giờ đặt một điện trường ngang qua tia tại vòi phun (chẳng hạn bằng cách đưa lên một thanh tích điện), hình dạng của tia sẽ thay đổi. Với một điện trường yếu bạn sẽ thấy rằng tia vỡ ra thành một số lượng nhỏ hơn các giọt có kích thước lớn. Nhưng nếu bạn áp dụng một trường mạnh hơn, tia vỡ ra thành nhiều, nhiều giọt mịn — nhỏ hơn trước.¹ Với một điện trường yếu có một xu hướng ức chế sự vỡ của tia thành các giọt. Tuy nhiên, với một trường mạnh hơn, có một sự tăng trong xu hướng tách thành các giọt.

Lời giải thích cho các hiệu ứng này có lẽ là như sau. Nếu chúng ta có tia nước ra khỏi vòi phun và chúng ta đặt một điện trường nhỏ ngang qua nó, một phía của nước trở nên hơi dương và phía kia trở nên hơi âm. Khi đó, khi tia vỡ ra, các giọt ở một phía có thể dương, và các giọt ở phía kia có thể âm. Chúng sẽ hút nhau và sẽ có xu hướng dính vào nhau hơn so với trước — tia không vỡ ra nhiều như vậy. Mặt khác, nếu trường mạnh hơn, điện tích trong mỗi giọt trở nên lớn hơn nhiều, và có một xu hướng để chính điện tích giúp làm vỡ các giọt qua lực đẩy của chính chúng. Mỗi giọt sẽ vỡ thành nhiều giọt nhỏ hơn, mỗi giọt mang một điện tích, nên chúng đều bị đẩy ra, và trải ra rất nhanh. Vì vậy khi chúng ta tăng trường, tia trở nên tách ra mịn hơn. Điểm duy nhất chúng ta muốn nêu là trong các hoàn cảnh nào đó các điện trường có thể có ảnh hưởng đáng kể lên các giọt. Bộ máy chính xác mà bởi đó một điều gì đó xảy ra trong một cơn giông bão hoàn toàn không được biết, và hoàn toàn không nhất thiết liên quan tới điều chúng ta vừa mô tả. Chúng ta đã đưa nó vào chỉ để bạn sẽ đánh giá cao các sự phức tạp có thể tham gia vào. Thực ra, không ai có một lý thuyết áp dụng được cho các đám mây dựa trên ý tưởng đó.

Chúng tôi muốn mô tả hai lý thuyết đã được phát minh để giải thích sự tách các điện tích trong một cơn giông bão. Mọi lý thuyết đều liên quan tới ý tưởng rằng hẳn phải có một điện tích nào đó trên các hạt mưa và một điện tích khác trong không khí. Khi đó bởi chuyển động của các hạt mưa — nước hay băng — qua không khí có một sự tách điện tích. Câu hỏi duy nhất là: Sự tích điện của các giọt bắt đầu như thế nào? Một trong các lý thuyết cũ hơn được gọi là lý thuyết “giọt vỡ” (breaking-drop). Ai đó đã khám phá rằng nếu bạn có một giọt nước vỡ thành hai mảnh trong một luồng gió, có điện tích dương trên nước và điện tích âm trong không khí. Lý thuyết giọt vỡ này có vài bất lợi, trong số đó nghiêm trọng nhất là dấu bị sai. Thứ hai, trong số lượng lớn các cơn giông bão vùng ôn đới quả thực biểu hiện sét, các hiệu ứng mưa ở các độ cao lớn là trong băng, không phải trong nước.

Từ điều chúng ta vừa nói, chúng ta để ý rằng nếu chúng ta có thể tưởng tượng một cách nào đó để điện tích khác nhau ở đỉnh và đáy của một giọt và nếu chúng ta cũng có thể thấy một lý do nào đó tại sao các giọt trong một luồng không khí tốc độ cao sẽ vỡ thành các mảnh không bằng nhau — một mảnh lớn ở phía trước và một mảnh nhỏ hơn ở phía sau bởi vì chuyển động qua không khí hay một điều gì đó — chúng ta sẽ có một lý thuyết. (Khác với bất kỳ lý thuyết đã biết nào!) Khi đó các giọt nhỏ sẽ không rơi qua không khí nhanh như các giọt lớn, bởi vì sức cản không khí, và chúng ta sẽ thu được một sự tách điện tích. Bạn thấy, có thể bịa ra đủ loại khả năng.

Một trong các lý thuyết khéo léo hơn, vốn thỏa mãn hơn ở nhiều khía cạnh so với lý thuyết giọt vỡ, là do C. T. R. Wilson. Chúng ta sẽ mô tả nó, như Wilson đã làm, với tham chiếu tới các giọt nước, mặc dù cùng hiện tượng cũng sẽ hoạt động với băng. Giả sử chúng ta có một giọt nước đang rơi trong điện trường khoảng 100 vôn trên mỗi mét hướng về trái đất tích điện âm. Giọt sẽ có một mômen lưỡng cực cảm ứng — với đáy của giọt dương và đỉnh của giọt âm, như được vẽ trong Hình 9–13. Bây giờ có trong không khí các “nhân” mà chúng ta đã nhắc tới trước đó — các ion lớn di chuyển chậm. (Các ion nhanh không có một hiệu ứng quan trọng ở đây.) Giả sử khi một giọt đi xuống, nó tiến tới một ion lớn. Nếu ion dương, nó bị đẩy bởi đáy dương của giọt và bị đẩy ra xa. Vì vậy nó không trở nên gắn vào giọt. Tuy nhiên, nếu ion tiến tới từ đỉnh, nó có thể gắn vào phía đỉnh âm. Nhưng vì giọt đang rơi qua không khí, có một sự trôi dạt không khí tương đối với nó, đi lên trên, vốn mang các ion đi nếu chuyển động của chúng qua không khí đủ chậm. Như vậy các ion dương cũng không thể gắn ở đỉnh được. Điều này, bạn thấy, sẽ chỉ áp dụng cho các ion lớn, di chuyển chậm. Các ion dương thuộc loại này sẽ không tự gắn hoặc vào phía trước hoặc vào phía sau của một giọt đang rơi. Mặt khác, khi các ion âm lớn, chậm bị một giọt tiến tới, chúng sẽ bị hút và sẽ bị bắt. Giọt sẽ thu được điện tích âm — dấu của điện tích đã được xác định bởi hiệu điện thế gốc trên toàn bộ trái đất — và chúng ta thu được dấu đúng. Điện tích âm sẽ được các giọt mang xuống phần đáy của đám mây, và các ion tích điện dương bị để lại phía sau sẽ bị các dòng thăng khác nhau thổi lên đỉnh của đám mây. Lý thuyết trông khá tốt, và nó ít nhất cho dấu đúng. Ngoài ra nó không phụ thuộc vào việc có các giọt lỏng. Chúng ta sẽ thấy, khi chúng ta học về sự phân cực trong một chất điện môi, rằng các mẩu băng sẽ làm cùng một điều. Chúng cũng sẽ phát triển các điện tích dương và âm trên các đầu mút của chúng khi chúng ở trong một điện trường.

Tuy nhiên, có một số vấn đề ngay cả với lý thuyết này. Trước hết, tổng điện tích liên quan trong một cơn giông bão rất cao. Sau một thời gian ngắn, nguồn cung các ion lớn sẽ bị dùng hết. Vì vậy Wilson và những người khác đã phải đề xuất rằng có các nguồn bổ sung của các ion lớn. Một khi sự tách điện tích bắt đầu, các điện trường rất lớn được phát triển, và trong các trường lớn này có thể có những nơi mà không khí sẽ trở nên bị ion hóa. Nếu có một điểm tích điện cao, hay bất kỳ vật nhỏ nào như một giọt, nó có thể tập trung trường đủ để tạo ra một “phóng điện chổi” (brush discharge). Khi có một điện trường đủ mạnh — giả sử nó dương — các electron sẽ rơi vào trường và sẽ nhặt được nhiều tốc độ giữa các va chạm. Tốc độ của chúng sẽ như vậy mà khi va vào một nguyên tử khác chúng sẽ xé các electron khỏi nguyên tử đó, để lại các điện tích dương phía sau. Các electron mới này cũng nhặt tốc độ và va chạm với nhiều electron hơn. Vì vậy một loại phản ứng dây chuyền hay thác lũ xảy ra, và có một sự tích lũy nhanh các ion. Các điện tích dương được để lại gần các vị trí gốc của chúng, nên hiệu ứng ròng là phân bố điện tích dương trên điểm vào một miền quanh điểm. Khi đó, dĩ nhiên, không còn một trường mạnh nữa, và quá trình dừng lại. Đây là đặc tính của một phóng điện chổi. Có thể là các trường có thể trở nên đủ mạnh trong đám mây để tạo ra một ít phóng điện chổi; cũng có thể có các cơ chế khác, một khi sự việc được bắt đầu, để tạo ra một lượng ion hóa lớn. Nhưng không ai biết chính xác nó hoạt động như thế nào. Vì vậy nguồn gốc cơ bản của sét thực sự không được hiểu thấu đáo. Chúng ta biết nó đến từ các cơn giông bão. (Và chúng ta biết, dĩ nhiên, rằng sấm đến từ sét — từ năng lượng nhiệt được giải phóng bởi tia sét.)

Ít nhất chúng ta có thể hiểu, một phần, nguồn gốc của điện khí quyển. Do các dòng không khí, các ion, và các giọt nước trên các hạt băng trong một cơn giông bão, các điện tích dương và âm bị tách ra. Các điện tích dương được mang lên trên tới đỉnh của đám mây (xem Hình 9–11), và các điện tích âm bị đổ xuống mặt đất trong các cú sét đánh. Các điện tích dương rời đỉnh của đám mây, đi vào các lớp độ cao lớn của không khí dẫn điện hơn, và trải ra khắp trái đất. Trong các miền thời tiết quang đãng, các điện tích dương trong lớp này được dẫn chậm chạp xuống trái đất bởi các ion trong không khí — các ion được tạo thành bởi các tia vũ trụ, bởi biển, và bởi các hoạt động của con người. Khí quyển là một cỗ máy điện bận rộn!

9–6  Sét

Bằng chứng đầu tiên về điều xảy ra trong một cú sét đánh được thu thập trong các bức ảnh chụp bằng một máy ảnh cầm tay và di chuyển qua lại với màn trập mở — trong khi hướng về một nơi mà sét được kỳ vọng. Các bức ảnh đầu tiên thu được theo cách này cho thấy rõ ràng rằng các cú sét đánh thường là các phóng điện nhiều lần dọc theo cùng một đường. Sau đó, máy ảnh “Boys”, vốn có hai thấu kính gắn 180° đối nhau trên một đĩa quay nhanh, được phát triển. Ảnh tạo bởi mỗi thấu kính di chuyển ngang qua phim — bức ảnh được trải ra theo thời gian. Chẳng hạn, nếu cú đánh lặp lại, sẽ có hai ảnh kề bên nhau. Bằng cách so sánh các ảnh của hai thấu kính, có thể tìm ra các chi tiết của trình tự thời gian của các chớp. Hình 9–14 cho một bức ảnh chụp bằng một máy ảnh “Boys”.

Bây giờ chúng ta sẽ mô tả sét. Một lần nữa, chúng ta không hiểu chính xác nó hoạt động như thế nào. Chúng ta sẽ cho một mô tả định tính về nó trông như thế nào, nhưng chúng ta sẽ không đi vào bất kỳ chi tiết nào về tại sao nó làm điều nó dường như làm. Chúng ta sẽ chỉ mô tả trường hợp thông thường của đám mây với một đáy âm trên vùng đồng quê bằng phẳng. Điện thế của nó âm hơn nhiều so với mặt đất bên dưới, nên các electron âm sẽ được gia tốc hướng về trái đất. Điều xảy ra là như sau. Mọi thứ bắt đầu với một thứ gọi là “tia dẫn bậc” (step leader), vốn không sáng như cú sét đánh. Trên các bức ảnh người ta có thể thấy một đốm sáng nhỏ ở đầu bắt đầu từ đám mây và di chuyển xuống dưới rất nhanh — với một phần sáu tốc độ ánh sáng! Nó chỉ đi khoảng 50 mét và dừng lại. Nó tạm dừng khoảng 50 microgiây, và rồi bước thêm một bước nữa. Nó tạm dừng lại và rồi đi thêm một bước nữa, và cứ thế. Nó di chuyển trong một loạt các bước hướng về mặt đất, dọc theo một đường như được chỉ trong Hình 9–15. Trong tia dẫn có các điện tích âm từ đám mây; toàn bộ cột đầy điện tích âm. Ngoài ra, không khí đang trở nên bị ion hóa bởi các điện tích di chuyển nhanh tạo ra tia dẫn, nên không khí trở thành một vật dẫn dọc theo đường được vạch ra. Ngay khoảnh khắc tia dẫn chạm mặt đất, chúng ta có một “dây” dẫn điện chạy suốt lên tới đám mây và đầy điện tích âm. Bây giờ, cuối cùng, điện tích âm của đám mây có thể đơn giản thoát ra và chạy ra ngoài. Các electron ở đáy của tia dẫn là những electron đầu tiên nhận ra điều này; chúng đổ ra ngoài, để lại điện tích dương phía sau vốn hút thêm điện tích âm từ phía trên cao hơn trong tia dẫn, điện tích này đến lượt nó đổ ra ngoài, v.v. Vì vậy cuối cùng mọi điện tích âm trong một phần của đám mây chạy ra ngoài dọc theo cột theo một cách nhanh và đầy năng lượng. Vì vậy cú sét đánh bạn thấy chạy lên trên từ mặt đất, như được chỉ trong Hình 9–16. Thực ra, cú đánh chính này — phần sáng nhất cho đến nay — được gọi là cú đánh trở về (return stroke). Nó là cái tạo ra ánh sáng rất sáng, và nhiệt, vốn bằng cách gây ra một sự giãn nở nhanh của không khí tạo ra tiếng sấm.

Dòng điện trong một cú sét đánh khoảng 10.000 ampe ở đỉnh của nó, và nó mang xuống khoảng 20 culông.

Nhưng chúng ta vẫn chưa xong. Sau một thời gian, có lẽ, vài phần trăm của một giây, khi cú đánh trở về đã biến mất, một tia dẫn khác đi xuống. Nhưng lần này không có các lần tạm dừng. Nó được gọi là “tia dẫn phi” (dart leader) lần này, và nó đi suốt xuống — từ đỉnh tới đáy trong một cú lao. Nó đi hết tốc lực trên đúng đường cũ, bởi vì có đủ mảnh vụn ở đó để khiến nó là tuyến đường dễ nhất. Tia dẫn mới lại đầy điện tích âm. Ngay khoảnh khắc nó chạm mặt đất — xoẹt! — có một cú đánh trở về đi thẳng lên dọc theo đường. Vì vậy bạn thấy sét đánh lại, và lại, và lại. Đôi khi nó chỉ đánh một hay hai lần, đôi khi năm hay mười lần — một lần có tới 42 lần trên cùng một đường đã được thấy — nhưng luôn trong sự liên tiếp nhanh.

Đôi khi mọi thứ trở nên còn phức tạp hơn. Chẳng hạn, sau một trong các lần tạm dừng của nó tia dẫn có thể phát triển một nhánh bằng cách gửi ra hai bước — cả hai hướng về mặt đất nhưng theo các hướng hơi khác nhau, như được chỉ trong Hình 9–15. Điều xảy ra khi đó phụ thuộc vào việc liệu một nhánh có tới mặt đất dứt khoát trước nhánh kia hay không. Nếu điều đó quả thực xảy ra, cú đánh trở về sáng (của điện tích âm đổ vào mặt đất) đi lên dọc theo nhánh chạm mặt đất, và khi nó tới và đi qua điểm phân nhánh trên đường lên đám mây, một cú đánh sáng dường như đi xuống nhánh kia. Tại sao? Bởi vì điện tích âm đang đổ ra ngoài và đó là cái thắp sáng tia sét. Điện tích này bắt đầu di chuyển ở đỉnh của nhánh phụ, làm rỗng các mảnh liên tiếp, dài hơn của nhánh, nên tia sét sáng dường như đi xuống nhánh đó, cùng lúc nó đi lên hướng về đám mây. Tuy nhiên, nếu một trong các nhánh tia dẫn phụ này tình cờ đã tới mặt đất gần như đồng thời với tia dẫn gốc, đôi khi có thể xảy ra rằng tia dẫn phi của cú đánh thứ hai sẽ đi theo nhánh thứ hai. Khi đó bạn sẽ thấy chớp chính đầu tiên ở một nơi và chớp thứ hai ở một nơi khác. Nó là một biến thể của ý tưởng gốc.

Ngoài ra, mô tả của chúng ta được đơn giản hóa quá mức đối với miền rất gần mặt đất. Khi tia dẫn bậc tới trong vòng một trăm mét hay khoảng đó từ mặt đất, có bằng chứng rằng một phóng điện dâng lên từ mặt đất để gặp nó. Có lẽ, trường trở nên đủ lớn để một phóng điện kiểu chổi xảy ra. Chẳng hạn, nếu có một vật sắc nhọn, như một tòa nhà với một đỉnh nhọn ở trên, thì khi tia dẫn đi xuống gần đó các trường lớn đến mức một phóng điện bắt đầu từ điểm nhọn và vươn lên tới tia dẫn. Sét có xu hướng đánh một điểm như vậy.

Dường như người ta đã biết từ lâu rằng các vật cao bị sét đánh. Có một trích dẫn của Artabanus, cố vấn của Xerxes, cho chủ nhân của ông lời khuyên về một cuộc tấn công dự định vào người Hy Lạp — trong chiến dịch của Xerxes nhằm đưa toàn bộ thế giới đã biết dưới sự kiểm soát của người Ba Tư. Artabanus nói, “Hãy xem cách Chúa với sét của ngài luôn đánh các con vật lớn hơn và sẽ không để chúng trở nên ngạo mạn, trong khi những con có kích thước nhỏ hơn không làm ngài bận tâm. Cũng vậy các tia của ngài luôn rơi trên các ngôi nhà cao nhất và các cây cao nhất.” Và rồi ông giải thích lý do: “Vì vậy, rõ ràng, ngài thích hạ xuống mọi thứ tự tôn mình lên.”

Bạn có nghĩ — bây giờ khi bạn biết một tường thuật đúng về sét đánh các cây cao — rằng bạn có một sự khôn ngoan lớn hơn trong việc cố vấn các vị vua về các vấn đề quân sự so với Artabanus 2400 năm trước hay không? Đừng tự tôn mình lên. Bạn chỉ có thể làm điều đó kém thơ hơn.