Làm thí nghiệm với 300kg tro bụi 13.000 năm tuổi, các nhà khoa học tìm hiểu lý do tại sao sét núi lửa hình thành

Trên Trái Đất này, ít có hiện tượng gì đẹp kỳ diệu mà lại nguy hiểm tột cùng như sét núi lửa: một cột khói khổng lồ phun ra từ miệng một quả núi lớn, các hạt khói bụi núi lửa va chạm với nhau tạo ra tĩnh điện sẽ tạo ra cảnh tượng của một câu chuyện giả tưởng với rồng và phép thuật.

Chúng ta hứng thú với sét núi lửa, khoa học thì nhìn hiện tượng tự nhiên này bằng một ánh mắt tò mò: làm thế nào mà sét núi lửa hình thành? Dù họ biết vai trò của các hạt khói bụi rồi, nhưng sự thật rõ ràng không đơn giản vậy. Đó chính là lý do bấy lâu nay, các nhà khoa học đã và đang cố gắng tạo ra sét núi lửa trong phòng thí nghiệm.

Thành công mới nhất có lẽ là nỗ lực cho ra kết quả gần với thực tế nhất. Trong nghiên cứu được đăng tải trên Geophysical Research Letters, các nhà khoa học viết rằng họ đã có thể thay đổi đặc tính của khói bụi núi lửa, việc thay đổi nhiệt độ của khói cũng như độ đặc của khói bụi có thể quyết định sự thành bại của sét núi lửa.

Có vẻ khói bụi khô chính là chìa khóa tạo ra kỳ quan tự nhiên của nhân loại.

Thí nghiệm này không đơn giản là thỏa trí tò mò và tìm cách tự tạo ra sét núi lửa cho vui: sét núi lửa chính là cách thức ta có thể phát hiện ra núi lửa phun trào từ xa. Càng biết nhiều về cách một cơn sét núi lửa sinh ra, ta càng dễ dàng xác định chính xác đợt phun trào đang diễn ra thuộc loại nào, nhằm giảm thiểu gánh nặng công việc cho kiểm soát không lưu cũng như cứu mạng những cộng đồng người sống cuối chiều gió.

Sönke Stern, nhà nghiên cứu sét núi lửa tại Đại học Ludwig Maximilian và cũng là tác giả chính của nghiên cứu mới, hiểu rõ về những cống hiến ông thực hiện cho nhân loại nói chung và khoa học nói riêng. Thế nhưng, ông cũng nói với Gizmodo như thế này: “Thành thực mà nói, ngày nào cũng ngồi cho nổ đống đá kia khiến tôi thấy vui lắm.”

Tương tự như sét trong mây giông, sét núi lửa cũng sở hữu một yếu tố chủ chốt: cần tách biệt rõ ràng điện tích âm và dương. Khi vật lý đã không thể giữ cho hai bên điện tích tách ra khỏi nhau, tia sét sẽ xuất hiện, xé tan màng không khí cách điện.

Thành phần tạo nên cột khói của sét núi lửa cũng khác mây thông thường: những nhân tố chính tạo thành làn khói ấy là tro bụi núi lửa. “Chúng tôi khá chắc chắn rằng các hạt ma sát đã tạo ra sự nhiễm điện,” Alexa Van Eaton, một nhà nghiên cứu núi lửa tới từ Viện Quan sát Núi lửa Cascades thuộc Ban Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ nói.

Việc các hạt khói bụi va chạm với nhau chính là ví dụ cho việc ma sát sinh điện tích - hay còn gọi là … điện ma sát. Các nhà nghiên cứu biết được điều này khi khảo sát thực địa, bởi lúc đó, họ mới có thể tận mắt thấy được hiện tượng mình đang cố giải thích. Nhà nghiên cứu Cassandra Smith cũng công tác tại Viện Quan sát Núi lửa Cascades nhận định với Gizmodo: “Khảo sát thực địa quan trọng lắm.”

Đáng buồn thay, “bạn không thể biết trước được núi lửa sẽ làm gì,” cô Smith nói. Quá khó để theo dõi hiện tượng sét núi lửa ngoài đời thật, vì bạn biết đó, ban quanh cơn bão sét là khói bụi cực nóng phun ra từ một trong những môi trường khó sống nhất Trái Đất. May mắn thay, ta có môi trường phòng thí nghiệm để mà nghiên cứu.

Đại học Ludwig Maximilian là một trong số ít nơi có phòng thí nghiệm có thể tái tạo lại hiện tượng núi lửa phun trào một cách thực tế và chính xác nhất. Bên cạnh đó, họ còn có thể tạo ra được sét trong phòng thí nghiệm. Tại phòng thí nghiệm, cái tên thường xuyên lui tới nhất là Corrado Cimarelli, chuyên gia núi lửa và cũng là người đồng tác giả nghiên cứu mới.

Trong thử nghiệm mới nhất, họ sử dụng thí nghiệm có tên bom bi: một khoang chứa khí argon nén và tro bụi sẽ phát nổ khi đạt tới giới hạn áp lực nhất định, bắn khí gas vào một khoang chứa bằng thép. Khói bụi sẽ phun ra với tốc độ cực lớn, và chính từ đó sét núi lửa hình thành. Nhờ nhiệt độ từ lò nung, tro bụi có thể đạt tới hơn 300 độ C.

Tro bụi thử nghiệm không phải muội than quạt chả hay thứ gì tầm thường khác đâu, đó là những gì còn sót lại từ một vụ phun trào từ 13.000 năm trước của núi lửa (nay đã ngủ yên) Laacher See. Nhóm nghiên cứu đã may mắn nhận được 300 kg tro bụi từ một công ty khai thác đá hoạt động gần khu vực núi lửa.

Nhóm các nhà khoa học phát hiện ra rằng: khi ở nhiệt độ phòng, các tia sét sẽ lớn hơn nhưng xuất hiện ít hơn; nhiệt độ càng lên cao, cường độ sét sẽ yếu hơn những xuất hiện dày đặc hơn. Dù biết yếu tố nhiệt độ đóng một vai trò lớn, họ chưa rõ quy luật hình thành sét ra sao và còn những thứ gì đóng vai trò tạo nên sét núi lửa.

Tác dụng của nước mới là rõ ràng nhất: chỉ cần tro bụi núi lửa hơi ẩm một chút, khả năng tĩnh điện của tổ hợp tro bụi giảm vài lần. Khi tro bụi ẩm tới mức nhão, không một tia sét nào xuất hiện. Họ lại vắt tay lên trán thắc mắc tại sao.

Sau vài lần thử nghiệm, nhóm nghiên cứu phát hiện ra hơi nước phóng ra ở tốc độ nhanh hơn nhiều khí argon, tạo ra vụ nổ lớn hơn, tăng kích cỡ của đám tro bụi phun ra khiến tro bay tán loạn. Vì vậy, tro bụi không có cơ hội ma sát với nhau để tạo tĩnh điện. Ngược lại, tro bụi càng khô thì sét núi lửa sẽ càng nhiều.

Ngoài đời thực, vẫn còn quá ít tư liệu từ các cuộc khảo sát cho thấy tro ẩm thì tạo ra ít sét hơn. Chưa rõ tại sao, nhưng có một sự thật như thế này: nếu thêm nước vào magma đang nóng, vụ nổ sẽ xảy ra mạnh hơn nhiều. Chưa rõ khác biệt giữa “nước magma” và “nước tro bụi” ra sao, nhưng nhiều khả năng khi magma ẩm thì tro bụi sẽ ít va chạm được với nhau mà tạo điện.

Mặt khác, tro bụi khô thì tạo điện dễ hơn nhiều. Theo lời nhà nghiên cứu Stern, bản thân tro bụi đã là chất cách điện kém hiệu quả, vậy nên các hạt bụi tách rời nhau, giữ lấy điện tích của mình một cách ích kỷ, rồi chỉ có thể phóng điện ra khi va chạm và tạo sét.

Những gì có được từ thử nghiệm giúp khoa học hiểu rõ hơn nhiều về cách thức sét núi lửa hình thành. Nhưng nhà nghiên cứu Smith cũng nhấn mạnh rằng rất khó để tách riêng từng yếu tố ảnh hưởng tới hiện tượng sét núi lửa, ngay cả trong điều kiện phòng thí nghiệm được kiểm soát chặt chẽ. Tức là không thể (hoặc ít nhất là chưa thể) chỉ rõ được yếu tố nào mới gây ra sét núi lửa.

Và thí nghiệm trên mới chỉ nghiên cứu hiện tượng xảy ra ở phần dưới của cột khói. Khi tro bụi núi lửa bay đủ cao, thì các hạt băng mới là thứ gây ra sét núi lửa. “Khu vực trên cao là một vương quốc tĩnh điện tro bụi núi lửa hoàn toàn mới, chưa được ai khai phá,” nhà nghiên cứu sét Van Eaton nói.

Vệ tinh quan sát núi lửa thì có thể bị mây chắn tầm nhìn. Ngoài dựa vào sét núi lửa mà phân tích, ta không có cách nào khác để nhận định tính chất khối tro bụi phát ra từ một vụ phun trào núi lửa. Khói bụi phát ra từ một ngọn núi lửa “tỉnh giấc” có thể kéo rơi máy bay, tàn phá nhà cửa, gây ô nhiễm nguồn nước và trực tiếp ảnh hưởng tới sức khỏe con người, vậy nên biết được bản chất của tro bụi sẽ giúp ta nhiều lắm.

Càng biết rõ tro bụi như thế nào (qua việc quan sát và phân tích sét núi lửa tạo ra từ đám tro bụi khổng lồ), ta càng nắm rõ được thứ khói chết người kia mang trong mình những thứ gì.

Nhưng mà cũng thật khó khăn để nhận định tầm quan trọng của nghiên cứu, và không mảy may khi ngờ động cơ của nhóm các nhà khoa học. Quả thực, sét núi lửa là một hiện tượng “ngầu” hết sức, nếu mà có cơ hội (với một phòng thí nghiệm kín và 300 kg tro bụi 13.000 năm tuổi), chúng ta cũng sẽ ngồi cả ngày để tạo sét núi lửa để cho vui ấy chứ.

Cũng may các nhà khoa học, với khả năng nghiên cứu cặn kẽ những gì xảy ra trong một đám khói bụi, có trong tay những dụng cụ thí nghiệm này. Sức mạnh càng lớn, trách nhiệm càng nhiều, một ông chú tên B. của tôi thường nói câu này.