Một đám mây dông mang theo hơn 1 tỷ vôn điện

Ngày xưa khi Benjamin Franklin cột chiếc chìa khóa kim loại vào dây diều và thả nó về phía đám mây dông có sấm sét, trong một thời gian ngắn ông đã trở thành một thiết bị cắm vào nguồn năng lượng mạnh mẽ nhất Trái Đất.

Cũng như nhiều người, Franklin biết rằng các cơn dông sấm sét mang theo năng lượng kinh khủng. Các nhà nghiên cứu đã cố gắng ước lượng chính xác sức mạnh của chúng trong hơn một thế kỷ qua, nhưng vẫn chưa chắc chắn, ngay cả các cảm biến trên không tân tiến nhất cũng không đủ bởi vì các đám mây dông quá to và quá bất thường.

Giờ đây, qua báo cáo đăng vào tháng 3/2019 trên tạp chí Physical Review Letters, các nhà nghiên cứu ở Ooty, Ấn Độ đã đưa ra câu trả lời gây kinh ngạc nhờ vào sự giúp đỡ của các tia vũ trụ.

Họ đã sử dụng một loạt cảm biến để đo điện trường và cường độ của hạt muon – các hạt nặng liên tục đổ xuống từ tầng cao của bầu khí quyển Trái Đất và tan rã khi chúng di chuyển qua vật chất.

Nhóm nghiên cứu đã đo được lượng điện của một đám mây dông lớn đi qua Ooty trong 18 phút vào ngày 1/12/2014. Họ phát hiện rằng, trung bình đám mây đó đã được nạp 1,3 Gigavôn (tức 1,3 tỷ vôn) điện – cao hơn khoảng 10 triệu lần so với lượng điện từ một nhà máy điện thông thường ở Bắc Mỹ.

“Điều này giải thích tại sao các đám mây điện lại có tính hủy diệt mạnh tới vậy,” đồng tác giả nghiên cứu Sunil Gupta tại Viện nghiên cứu cơ bản Tata của Ấn Độ cho biết. “Nếu bạn dẫn năng lượng khổng lồ này qua thứ gì đó, nó sẽ gây ra sự phá hủy nặng nề.”

>> Na Uy: Sét đánh gây tử vong cho 323 con tuần lộc

Các hạt muon rơi…

Ông Gupta và các đồng sự chủ yếu nghiên cứu về hạt muon – những hạt giống như electron được tạo ra khi tia vũ trụ va đập vào nhiều loại nguyên tử khác nhau trong khí quyển của Trái Đất. Những hạt này có spin bằng 1/2 của electron nhưng nặng hơn gấp 200 lần, và chúng rất giỏi trong việc đi xuyên qua vật chất. Một hạt muon từ khí quyển có thể đi sâu xuống đáy đại dương hay nhiều km xuống dưới đất trong chỉ một phần nhỏ của giây, chỉ cần chúng có đủ năng lượng.

Các hạt muon mất năng lượng khi có vật cản trên đường đi của chúng, ví dụ như kim tự tháp. Đầu năm 2018, các nhà khoa học tìm thấy 2 khoảng trống bí ẩn trong kim tự tháp Giza nhờ đặt các máy đo muon quanh kiến trúc này và đo lường xem chúng bị mất (hay vẫn duy trì) năng lượng ở những khu vực nào. Các hạt muon đi qua tường đá của kim tự tháp sẽ mất nhiều năng lượng hơn là các hạt đi qua những khoảng không trống trải. Kết quả cho phép các nhà nghiên cứu lập bản đồ không gian bên trong kim tự tháp mà không cần phải bước vào bên trong kiến trúc.

Ông Gupta và đồng sự đã sử dụng phương pháp tương tự để đo năng lượng bên trong đám mây dông ở Ooty. Các hạt muon đi qua đám mây sẽ đối mặt với một điện trường hỗn loạn.

“Các đám mây dông có lớp điện tích dương ở trên và điện tích âm ở dưới,” ông Gupta cho biết. “Nếu hạt muon mang điện tích dương đi từ tầng cao của bầu khí quyển và va vào đám mây, nó sẽ bị bật ra và mất năng lượng.”

Dùng một loạt các cảm biến phát hiện hạt muon và 4 máy theo dõi điện trường đặt trong phạm vi một vài dặm, các nhà nghiên cứu đã đo được mức giảm trung bình giữa các hạt muon đi qua đám mây dông và các hạt không đi qua. Từ đó, nhóm đã có thể tính toán mức điện tích tiềm năng mà các hạt muon đã đi qua trong đám mây.

Đó là 1 con số khổng lồ.

“Từ thập niên 1920, các nhà khoa học đã ước lượng rằng mây dông có thể mang tiềm năng tới hàng gigavôn, nhưng họ chưa bao giờ chứng minh được – cho tới bây giờ,” ông Gupta nói.

>> Kim tự tháp Giza là nhà máy phát điện thời cổ đại? Giả thuyết và kiểm chứng

Đo lường sấm sét

Một khi đã biết được điện tích tiềm năng của đám mây, các nhà nghiên cứu muốn đi xa thêm một bước và đo lường chính xác mức năng lượng đám mây dông mang theo khi nó đi qua trên Ooty.

Dùng số liệu từ các máy theo dõi điện trường đặt rải rác, nhóm đã thêm vào một số thông tin quan trọng của đám mây: đi với tốc độ 60km/h ở độ cao 11,4km trên mực nước biển, có diện tích khoảng 380 km2 và đạt mức điện tích tiềm năng khoảng 6 phút sau khi xuất hiện.

Sau đó, các nhà nghiên cứu đã có thể tính toán rằng đám mây dông mang theo công suất khoảng 2 gigawatt, tức chỉ một đám mây này cũng mạnh hơn nhà máy điện hạt nhân lớn nhất thế giới, ông Gupta cho hay.

“Năng lượng tồn trữ ở đây đủ để cung cấp cho nhu cầu của cả thành phố New York trong 26 phút, nếu bạn có thể kiểm soát được nó.”

Với công nghệ hiện tại, điều đó là khá xa vời, bởi mức năng lượng quá cao, nó sẽ làm tan chảy bất cứ thiết bị dẫn điện nào.

Tuy vậy, tiềm năng quá khổng lồ của các đám mây dông đã trả lời cho một câu hỏi mà các nhà khoa học đã băn khoăn trong hàng thập kỷ: Tại sao các vệ tinh đôi khi phát hiện thấy tia gamma năng lượng cao phát ra từ bầu khí quyển Trái Đất, trong khi đáng lẽ chúng phải đến từ vũ trụ?

Theo Gupta, nếu các đám mây dông thực sự tạo ra hơn 1 tỷ vôn điện, chúng có thể làm electron tăng tốc tới mức đủ để phá các nguyên tử khác trong khí quyển, tạo ra các tia gamma.

Lời giải thích này còn cần thêm nghiên cứu để kiểm chứng. Tuy vậy, nếu lần sau bạn nhìn thấy một đám mây dông, hãy đứng lại chiêm ngưỡng bởi nó là một khối năng lượng mạnh không tưởng trong tự nhiên, và tất nhiên, khi đó bạn hãy suy nghĩ kỹ trước khi thả diều hay cái gì đó lên bầu trời.