Вогонь святого Ельма — це стійке синє світіння, яке час від часу з’являється біля гострих предметів під час шторму. Назва є дещо неправильною, оскільки електричне явище має більше спільного з блискавкою чи північним сяйвом, ніж із полум’ям.
Мореплавці спостерігали за цим видовищем тисячі років, але лише за останні півтора століття вчені дізналися достатньо про структуру матерії, щоб зрозуміти, чому відбувається це явище. Загадковий вогонь запалюють не боги чи святі, а один із п’яти станів матерії : плазма.
Наукове розуміння вогню Святого Ельма стало можливим лише після того, як у 1879 році британський хімік і фізик Вільям Крукс створив те, що він назвав « променевою матерією » завдяки роботі з вакуумними трубками. Відкриття електрона відбулося через два десятиліття, виявивши, що світ є складається з більш ніж нейтральних атомів . Виявлення того, що атоми містять менші заряджені частинки, виявилося важливим для розуміння того, чому матерія Крукса сяяла, започаткувавши цілу нову галузь фізики плазми.
Плазма виникає, коли надлишок енергії розбиває атоми в нейтральному газі, утворюючи заряджений газ. Одним із способів створення плазми є тепло. Наприклад, нагрівання твердого льоду розбиває молекулярні кристали на рідку воду, а кипляча рідка вода вивільняє молекули води, які піднімаються у вигляді газоподібної пари. Продовжуйте передавати енергію в пару (наприклад, нагріваючи її вище 21 000 градусів за Фаренгейтом або 12 000 градусів за Цельсієм), і атоми в молекулах води подрібнюються, втрачаючи свої електрони та перетворюючись на заряджені іони. Ця точка являє собою перехід від газу, хмари нейтральних частинок, до плазми, хмари, що містить багато заряджених частинок.
Електрика може розірвати молекули газу та створити плазму легше, ніж тепло, що є ключем до вогню святого Ельма. Під час шторму тертя накопичує додаткові електрони в певних частинах хмар, створюючи потужні електричні поля, які досягають землі. Достатньо сильне поле теоретично може розбити повітря на плазму будь-де, але на практиці гострі точки (наприклад, щогла корабля) мають тенденцію концентрувати поле, відриваючи електрони від атомів, залишаючи заряджені іони в особливо великих кількостях поблизу гострих місць.
Коли повітря навколо щогли частково перетвориться на плазму, вогонь святого Ельма засяє завдяки процесу, який називається коронним розрядом. Коли електричне поле обертає електрони навколо, вони вбиваються в нейтральні частинки та переводять ці нейтральні частинки в більш енергетичний стан.
Рисунок 5.1. Лінії напруженості електричного поля в загостреного зарядженого провідника.
«Уявіть, що якийсь хуліган, що проходить шкільним подвір’ям, б’є всіх дітей ногами», — сказала Крістіна Лінч, фізик плазми з Дартмутського коледжу в Нью-Гемпширі. «Вони збуджуються, а потім повинні розслабитися». Щоб охолонути, збуджені частинки випромінюють фотон світла з певною енергією та кольором. Для азоту та кисню , які домінують в атмосфері Землі, цей спалах світла горить синім та фіолетовим відповідно.
Хоча вогонь святого Ельма зазвичай виникає в штормових умовах, це явище, відмінне від блискавки. Сяйво блискавки містить синій і фіолетовий з тієї ж причини, але воно також світить білим — сумішшю багатьох кольорів — оскільки нагріває повітря навколо себе.
Різнобарвні вогні полярного сяйва також світяться від розслаблюючих частинок, хоча електрони, які збуджують ці частинки, зрештою отримують енергію від сонячного вітру, а не від електрично заряджених хмар. Багато хто також плутає вогонь святого Ельма з кульовою блискавкою, іншим явищем розжарювання, відомим тисячоліттями. Але наразі ці сфери, які ми спостерігаємо в нашому небі іще погано вивчені.
