Sprite và Elve thuộc nhóm hiện tượng phát sáng thoáng qua tầng cao khí quyển, xuất hiện dưới dạng quầng sáng đỏ hoặc cột sáng leo lét ngay trên các đám mây dông. Khác biệt hoàn toàn với sét thông thường, chúng tồn tại trong tích tắc mà không làm nóng plasma, hé lộ những tương tác điện phức tạp giữa bầu khí quyển và không gian vũ trụ.

Sprite là gì và đặc điểm cấu trúc

Sprite (hay sét dị hình) là sự phóng điện quy mô lớn diễn ra cao phía trên các đám mây vũ tích, thường được quan sát thấy dưới dạng ánh chớp đỏ-cam với các tua màu xanh lam rũ xuống trông giống con sứa. Hiện tượng này xuất hiện ở độ cao từ 50 đến 90 kilômét bên trên bề mặt Trái Đất, thuộc tầng trung lưu. Mỗi đợt sprite thường kéo dài trong vài mili giây, ngắn hơn chớp đối lưu thông thường một chút nhưng lại rộng lớn hơn nhiều, có thể lan tỏa lên đến 50 kilômét theo chiều ngang và 50 kilômét theo chiều dọc. Các nhà nghiên cứu đã phân loại sprite thành ba dạng chính dựa trên hình thái bên ngoài:

  • Sprite dạng sứa – có kích thước rất lớn, lên đến 50 km × 50 km.
  • Sprite loại C hay sprite cột – cấu trúc thẳng đứng phía trên khí quyển cao.
  • Sprite cà rốt – dạng cột có những tua dài buông thõng.

Chúng hiếm khi xuất hiện đơn lẻ mà thường mọc thành cụm, cách vị trí sét đánh trên mặt đất khoảng 50 kilômét theo chiều ngang. Sprite xuất hiện trễ hơn tia sét trên mặt đất khoảng vài mili giây, nhưng trong những trường hợp hiếm, độ trễ này có thể lên tới 100 mili giây.

Cơ chế vật lý hình thành sprite

Cơ chế kích hoạt sprite bắt nguồn từ những trận sét dương giữa đám mây dông và mặt đất. Khi một lượng điện tích dương khổng lồ được truyền xuống mặt đất, phần đỉnh của đám mây vũ tích sẽ bị thiếu hụt điện tích dương và dư thừa điện tích âm.

Điều này tạo ra một hiệu điện thế mạnh mẽ giữa đỉnh mây và lớp ion dương nằm trên tầng điện ly. Mặc dù hiệu điện thế này không đủ lớn để đánh thủng không khí dày đặc ở tầng đối lưu phía dưới, nó lại hoàn toàn đủ sức kích hoạt quá trình phóng điện nguội đối với lớp khí quyển rất loãng nằm ở độ cao trên 70 kilômét.

Khi phân tích cơ chế này, chúng tôi thấy rằng các luồng streamer sẽ phát sinh từ hệ thống kênh dẫn điện trong đám mây, đẩy dòng điện tích hướng lên trên và hình thành nên các cụm vùng ion hóa dạng hình cầu.

Những luồng điện này di chuyển xuống với tốc độ lên tới 10% tốc độ ánh sáng, sau đó một vài mili giây sẽ xuất hiện cụm ion hóa khác di chuyển ngược lên. Điểm đặc trưng nhất của cơ chế này là sprite hoàn toàn không làm nóng không khí, khiến nó mang đặc tính của sự phát huỳnh quang hơn là một tia sét thông thường.

Quầng sprite và elve khác nhau thế nào

Mặc dù cùng xuất hiện ở tầng cao khí quyển, quầng sprite và ELVE lại có nguồn gốc cũng như hình thái hoàn toàn khác biệt. Sprite thực chất là một vùng phát sáng mờ, có cấu trúc hình đĩa dẹt với đường kính khoảng 50 km, độ dày chừng 10 km và tâm nằm ở độ cao gần 70 km. Hiện tượng này thường đi kèm với các đợt phóng điện sét âm thông thường, hình thành từ quá trình ion hóa quá yếu, không đủ sức vượt ngưỡng tạo streamer, và xuất hiện trước sprite khoảng một mili giây.

Ngược lại, ELVE là nhiễu loạn tần số rất thấp, hiện ra dưới dạng vòng tròn ánh sáng đỏ khổng lồ trải dài từ 80 đến 644 km so với mặt đất. Khác với sprite, ELVE được kích hoạt bởi xung điện từ (EMP) từ các cơn dông dữ dội và tồn tại trong thời gian cực ngắn, chỉ khoảng một phần nghìn giây, khiến nó thường chỉ được ghi nhận rõ ràng qua vệ tinh hoặc camera nhạy sáng đặc biệt. Dù đôi khi bị nhầm lẫn do hình dáng tương tự, nguồn gốc vật lý của hai hiện tượng này hoàn toàn tách biệt.

Cách quan sát và ghi hình sprite

Việc quan sát sprite trực tiếp từ mặt đất gặp nhiều khó khăn vì mây vũ tích thường dày đặc, che kín phần lớn bầu trời và ngăn tầm nhìn lên các tầng cao. Để ghi hình thành công, người quan sát cần đặt thiết bị ở khoảng cách xa từ 150 đến 500 kilômét so với tâm cơn dông.

Bầu trời tại vị trí quan sát phải thực sự tối, không bị ánh đèn nhân tạo phản chiếu làm chói lóa. Thiết bị chụp hình hoặc quay phim bắt buộc phải có độ nhạy cao với dải màu đỏ của tia chớp và tốc độ chụp đủ nhanh để bắt được chuyển động trong tích tắc.

Mắt người cũng cần thời gian thích nghi với bóng tối trước khi có thể nhận diện những quầng sáng yếu ớt này. Do những hạn chế về tầm nhìn và điều kiện môi trường, việc nhìn thấy sprite ngay từ dưới chân cơn dông là điều không khả thi. Camera thường cũng có thể gặp khó khăn trong việc bắt nét do tốc độ chuyển động cực nhanh của hiện tượng.

Lịch sử phát hiện và ghi nhận

Báo cáo đầu tiên về hiện tượng phát sáng bất thường trên các đám mây dông xuất hiện trong giai thoại của Johann Georg Estor vào thập niên 1730, sau đó là các ghi chép lẻ tẻ từ Toynbee và Mackenzie năm 1886. Giả thuyết khoa học đầu tiên về cơ chế này được nhà vật lý C.

T. R. Wilson đề xuất vào năm 1925.

Tuy nhiên, bằng chứng trực quan xác thực chỉ xuất hiện vào ngày 6 tháng 7 năm 1989, khi đội ngũ nghiên cứu tại Đại học Minnesota vô tình ghi lại được hình ảnh của chúng. Cái tên Sprite (Sprite) được chọn để đặt cho hiện tượng này, lấy cảm hứng từ nhân vật tinh linh trong vở kịch Giấc mộng đêm hè của Shakespeare, nhằm nhấn mạnh đặc tính khó nắm bắt của chúng.

Từ thời điểm đó, sprite đã được quan sát và ghi nhận rộng rãi ở nhiều khu vực như Bắc Mỹ, Trung Mỹ, Nam Mỹ, Châu Âu, Châu Phi, Châu Á, Úc, và cả từ Trạm vũ trụ Quốc tế ISS.

Ý nghĩa khoa học và tác động

Việc quan sát Sprite cùng các dạng phát sáng tầng cao khác đã mở rộng hiểu biết về quá trình trao đổi điện tích giữa tầng đối lưu và tầng điện ly. Những hiện tượng này khẳng định sét dương là tia sét đánh xuống đất và kích thích các phản ứng vật lý phức tạp trong khí quyển.

Dữ liệu thu thập được từ Sprite đã trở thành nguồn tài liệu quý giá giúp NASA và các viện nghiên cứu khí quyển phân tích sâu hơn về các tương tác điện trong không gian. Một ví dụ điển hình cho thấy tác động trực tiếp của chúng là sự cố mất tải trọng bất thường của một khinh khí cầu thuộc NASA diễn ra vào ngày 6 tháng 6 năm 1989 tại Palestine, Texas.

Sau 6 năm điều tra, họ đã xác định nguyên nhân là do tia sét hướng lên từ đám mây dông. Để có thể tự ghi lại hiện tượng này, người quan sát cần di chuyển đến địa điểm cách xa khu vực dự báo dông ít nhất 150 km, chuẩn bị máy ảnh hỗ trợ chế độ chụp liên tục tốc độ cao cùng ống kính lọc hồng ngoại, và chờ đợi những đêm không trăng, hoàn toàn tối om để tránh ánh sáng nhân tạo.