Ogień Świętego Elma to trwały niebieski blask, który czasami pojawia się w pobliżu spiczastych obiektów podczas burz. Nazwa jest nieco myląca, ponieważ zjawisko elektryczne ma więcej wspólnego z błyskawicą lub zorzą polarną niż z płomieniem.
Kapitanowie mórz i niebios najlepiej znają ogień Świętego Elma, ponieważ eteryczne światło od dawna było widoczne przylegające do masztów statków, a ostatnio do skrzydeł samolotów. Marynarze obserwowali ten spektakl od tysięcy lat, ale tylko w ciągu ostatniego półtora wieku naukowcy dowiedzieli się wystarczająco o strukturze materii, aby zrozumieć, dlaczego ma miejsce to zjawisko. To nie bogowie czy święci rozpalają tajemniczy ogień, ale jeden z pięciu stanów materii: plazma.
Raporty o niebieskich światłach słabo migoczących na pokładach statków sięgają starożytności, kiedy Grecy i Rzymianie interpretowali ten widok jako wizytę bliźniaków półbogów Castor i Pollux. Uważane za wybawicieli osób w niebezpieczeństwie, pojawienie się bliźniaków byłoby znakiem nadziei dla żeglarzy przeżywających burzę.
Zjawisko to otrzymało później swoją współczesną nazwę od św. Erazma, lub w skrócie św. Elmo, który żył w trzecim wieku. Elmo zyskał sławę jako patron żeglarzy i cierpienia jelit po tym, jak podobno został zabity przez rozczłonkowanie. Żeglarze modlili się do niego w chwilach udręki i nadal interpretowali blask ognia Świętego Elma tańczącego i syczącego na czubkach ich łodzi jako korzystnego omen.
Co powoduje pożar Świętego Elma?
Naukowe zrozumienie ognia św. Elma stało się możliwe dopiero po tym, jak brytyjski chemik i fizyk William Crookes wyprodukował coś, co nazwał „materią promieniującą” poprzez swoją pracę z lampami próżniowymi w 1879 roku. Odkrycie elektronu nastąpiło dwie dekady później, ujawniając, że świat był wykonane z więcej niż neutralnych atomów. Odkrycie, że atomy zawierają mniejsze, naładowane cząsteczki, okazało się niezbędne do zrozumienia, dlaczego materia Crookesa świeci, otwierając zupełnie nowe pole fizyki plazmy.
Plazma pojawia się, gdy nadmiar energii rozbija atomy w gazie obojętnym, tworząc gaz naładowany. Jednym ze sposobów tworzenia plazmy jest ciepło. Na przykład, ogrzewanie stałego lodu rozbija kryształy molekularne na ciekłą wodę, a gotowanie ciekłej wody uwalnia cząsteczki wody do wzrostu w postaci pary gazowej. Kontynuuj zrzucanie energii do pary (poprzez podgrzanie jej powyżej 21 000 stopni Fahrenheita lub 12 000 stopni Celsjusza, na przykład), a atomy w cząsteczkach wody zostaną wzmocnione, tracąc elektrony i stając się naładowanymi jonami. Ten punkt reprezentuje przejście z gazu, chmury obojętnych cząstek, do plazmy, chmury zawierającej wiele naładowanych cząstek.
Elektryczność może rozerwać cząsteczki gazu i wytworzyć plazmę łatwiej niż ciepło, co jest kluczem do pożaru Świętego Elma. Podczas burzy tarcie wytwarza dodatkowe elektrony w niektórych częściach chmur, generując potężne pola elektryczne, które docierają do ziemi. Wystarczająco silne pole teoretycznie może rozbić powietrze w plazmę w dowolnym miejscu, ale w praktyce ostre punkty (takie jak maszt statku) mają tendencję do koncentrowania pola, usuwając elektrony z atomów, pozostawiając naładowane jony w szczególnie dużych ilościach blisko ostrych miejsca.
Kiedy powietrze wokół masztu częściowo przekształci się w plazmę, ogień Świętego Elma świeci poprzez proces zwany wyładowaniem koronowym. Gdy pole elektryczne przewozi elektrony, wybijają neutralne cząstki i mieszają te neutralne cząsteczki w bardziej energetyczny stan.
Wyobraź sobie, że „jakiś łobuz przejeżdża przez szkolne boisko i kopie wszystkie dzieci” - powiedziała Kristina Lynch, fizyk plazmy w Dartmouth College w New Hampshire. „Wszyscy są podekscytowani, a potem muszą się zrelaksować”. W celu ochłodzenia wzbudzone cząsteczki emitują foton światła o określonej energii i kolorze. W przypadku azotu i tlenu, które dominują w ziemskiej atmosferze, rozbłysk światła pali się odpowiednio na niebiesko i fioletowo.
Ogień Świętego Elma nie jest piorunem
Podczas gdy ogień Świętego Elma ma miejsce w burzowych warunkach, jest to zjawisko odrębne od błyskawicy. Z tego samego powodu blask błyskawicy zawiera niebieski i fioletowy, ale także świeci na biało - mieszankę wielu kolorów - gdy ogrzewa powietrze wokół niego.
Kolorowe światła zorzy polarnej również odbijają się od relaksujących cząstek, chociaż elektrony, które pobudzają te cząstki, ostatecznie czerpią energię z wiatru słonecznego, a nie z chmur naładowanych elektrycznie. Wielu myli również ogień Świętego Elma z błyskawicą kulową, innym żarowym zjawiskiem znanym od tysiącleci. Podczas gdy te unoszące się kule światła pozostają słabo poznane, oba zdarzenia zostały zgłoszone razem, jak w opisie tego alpinisty z 1977 r., Opublikowanym w Journal of Scientific Exploration:
„Tuż pod mną znajdował się zrujnowany budynek. W każdym punkcie stalowej konstrukcji wystającej z ruin wciąż widziałem języki jasnoniebieskiego płomienia. Płomień był różnej wielkości. Im wyższy był punkt, tym większy był język ognia na nim. Jeszcze niżej, na wysokości od 4000 do 4100 m, błyskawica błyskała. Pomarańczowe piłki wielkości piłki nożnej latały na wietrze na tle czarnych chmur. ”
Czy pożar Świętego Elma jest niebezpieczny?
Na szczęście dla turystów pieszych i żeglarzy ogień St. Elmo nie pali się ani nie stanowi bezpośredniego zagrożenia poza samą potencjalnie burzową pogodą.
Inżynierowie muszą jednak uwzględniać wyładowania koronowe przy projektowaniu urządzeń elektrycznych, zwłaszcza linii energetycznych, ponieważ niepożądane przypadki pożaru w St. Elmo mogą pochłaniać cenną energię elektryczną. Aby zminimalizować ten efekt, wiele długodystansowych linii energetycznych ma przypominające obręcz „pierścienie koronowe” wokół spiczastych obszarów, takich jak wierzchołki wież i masztów. Pierścienie te zapobiegają koncentracji pola elektrycznego na tyle, aby wytworzyć dużo plazmy.
W innych przypadkach inżynierowie znaleźli sposoby wykorzystania wyładowań koronowych na swoją korzyść. Proces bierze udział w produkcji ozonu, przemysłowego środka dezynfekującego. Wyładowanie koronowe odgrywa również rolę w tworzeniu naładowanych powierzchni potrzebnych w kserokopiarce.
Podczas gdy naukowcy zdemistyfikowali to zjawisko i zastosowali je w nowoczesnej technologii, nieszkodliwy, ale urzekający blask ognia Świętego Elma nadal ma moc zadziwiać obserwujących, tak jak przez tysiące lat.
