Огонь Святого Эльма - это постоянное голубое свечение, которое иногда появляется рядом с острыми предметами во время штормов. Название является неправильным, поскольку электрический феномен имеет больше общего с молнией или северным сиянием, чем с пламенем.
Капитаны морей и небес лучше всего знают огонь Святого Эльма, так как уже давно виден эфирный свет, цепляющийся за мачты кораблей и совсем недавно за крылья самолетов. Моряки отмечали зрелище на протяжении тысячелетий, но только за последние полтора столетия ученые узнали достаточно о структуре материи, чтобы понять, почему это явление происходит. Загадочный огонь разжигают не боги или святые, а одно из пяти состояний материи: плазма.
Сообщения о синих огнях, смутно мерцающих на буровых установках кораблей, относятся ко времени античности, когда греки и римляне интерпретировали этот вид как посещения близнецов-полубогов Кастора и Поллукса. Признание спасителей тех, кто в опасности, явление близнецов стало бы обнадеживающим знаком для моряков, переживающих шторм.
Впоследствии это явление получило свое современное название от святого Эразма, или, кратко, святого Эльма, жившего в третьем веке. Святой Эльмо получил известность как покровитель моряков и кишечных расстройств, после того как он, как сообщается, был убит потоплением. Моряки молились ему в минуты бедствия и продолжали истолковывать сияние пламени танцующего Святого Эльма и шипение на кончиках своих лодок как благоприятное предзнаменование.
Что вызывает огонь Святого Эльма?
Научное понимание огня св. Эльма стало возможным только после того, как британский химик и физик Уильям Крукс создал в 1879 году то, что он назвал «сияющей материей», в своей работе с вакуумными трубками. Открытие электрона произошло спустя два десятилетия, открыв, что мир сделан из более чем нейтральных атомов. Обнаружение того, что атомы содержат более мелкие заряженные частицы, оказалось необходимым для понимания того, почему материя Крукса сияла, открывая целую новую область физики плазмы.
Плазма возникает, когда избыточная энергия разбивает атомы в нейтральном газе, создавая заряженный газ. Одним из способов создания плазмы является нагрев. Например, нагревание твердого льда разбивает молекулярные кристаллы в жидкую воду, а кипящая жидкая вода освобождает молекулы воды в виде газообразного пара. Продолжайте сбрасывать энергию в пар (например, нагревая его до 21 000 градусов по Фаренгейту или 12 000 градусов по Цельсию), и атомы в молекулах воды становятся грубыми, теряя свои электроны и становясь заряженными ионами. Эта точка представляет собой переход от газа, облака нейтральных частиц, к плазме, облаку, содержащему много заряженных частиц.
Электричество может разорвать молекулы газа и создать плазму легче, чем тепло, которое является ключом к огню Святого Эльма. Во время шторма трение накапливает дополнительные электроны в определенных частях облаков, создавая мощные электрические поля, которые достигают земли. Достаточно сильное поле теоретически может разбить воздух на плазму где угодно, но на практике острые точки (такие как мачта корабля) имеют тенденцию концентрировать поле, отрывая электроны от атомов, оставляя заряженные ионы в особенно больших количествах вблизи острых мест.
Как только воздух вокруг мачты частично трансформируется в плазму, огонь Святого Эльма начинает светиться через процесс, называемый коронным разрядом. По мере того как электрическое поле раскачивает электроны, они стучат в нейтральные частицы и перемешивают эти нейтральные частицы в более энергичное состояние.
Представьте, что «какой-то хулиган проходит по школьному двору и пинает всех детей», - сказала Кристина Линч, физик плазмы из Дартмутского колледжа в Нью-Гемпшире. «Они все взволнованы, а затем они должны расслабиться». Чтобы остыть, возбужденные частицы излучают фотон света с определенной энергией и цветом. Для азота и кислорода, которые доминируют в атмосфере Земли, этот всплеск света горит синим и фиолетовым соответственно.
Огонь Святого Эльма не молния
Хотя огонь Святого Эльма имеет тенденцию происходить в штормовых условиях, это явление, отличное от молнии. По той же причине свечение молнии содержит синий и фиолетовый цвета, но он также светится белым - смесью многих цветов - так как нагревает воздух вокруг него.
Разноцветные огни сияния сияют и от расслабляющих частиц, хотя электроны, которые возбуждают эти частицы, в конечном итоге получают энергию от солнечного ветра, а не от электрически заряженных облаков. Многие также путают огонь Св. Эльма с шаровой молнией, еще одним явлением накаливания, известным тысячелетиями. В то время как эти парящие сферы света остаются плохо понятыми, два события были сообщены вместе, как в отчете альпиниста за 1977 год, сообщенном в Журнале научного исследования:
«Прямо подо мной было полуразрушенное здание. Я мог видеть языки голубоватого пламени на каждой точке стальной рамы, которая выступала из руин. Пламя было разных размеров. Чем выше была точка, тем больше было на нем пламенный язык. Еще ниже, на высоте от 4000 до 4100 м, вспыхивала молния. Оранжевые шары размером с футбольный мяч летели ветром на фоне черных облаков ".
Опасен ли огонь Святого Эльма?
К счастью для путешественников и моряков, огонь Святого Эльма не горит и не представляет непосредственной опасности, кроме самой грозовой погоды.
Инженеры, однако, должны учитывать коронный разряд при проектировании электрооборудования, в частности линий электропередач, поскольку нежелательные случаи пожара в Сент-Эльмо могут привести к потере ценной электроэнергии. Чтобы свести к минимуму этот эффект, многие линии электропередачи на больших расстояниях имеют кольцевые «кольца короны» вокруг заостренных участков, таких как кончики башен и столбов. Эти кольца удерживают электрическое поле от концентрации, достаточной для образования большого количества плазмы.
В других случаях инженеры нашли способы использовать коронный разряд в своих интересах. Процесс участвует в производстве озона, промышленного дезинфицирующего средства. Коронный разряд также играет роль в создании заряженных поверхностей, необходимых внутри фотокопировального устройства.
В то время как исследователи демистифицировали это явление и применили его к современным технологиям, безвредное, но очаровательное свечение огня Святого Эльма все еще способно удивить случайных прохожих, как это имело место на протяжении тысячелетий.
