Pojawiają się w nietypowych okolicznościach i mogą towarzyszyć im dziwne dźwięki. To ognie świętego Elma, które obserwuje się na całym świecie. Czy są niebezpieczne?
Ognie świętego Elma (zwane także ogniami św. Bartłomieja lub ogniami Kastora i Polluksa) to zjawisko dźwiękowo-wizualne objawiające się pod postacią małych, cichych wyładowań elektrycznych. Nazwa ta jest nieco myląca, bo samo zjawisko ma więcej wspólnego z piorunami i zorzami polarnymi niż jakimkolwiek ogniem.
Skąd się wzięła nazwa?
Już dawno zauważono, że ognie św. Elma przylega do masztów statków i skrzydeł samolotów. Marynarze znają to zjawisko od tysięcy lat, ale dopiero w ostatnim wieku naukowcy dowiedzieli się więcej o strukturze materii, by zrozumieć mechanizmy jego powstawania. To nie bogowie rozpalają ognie św. Elma, a jeden z pięciu stanów materii: plazma.
Doniesienia o niebieskich światłach, słabo migoczących z pokładów statków pochodzą już c czasów starożytnych. Grecy i Rzymianie interpretowali ten widok jako wizytę półbogów-bliźniaków – Kastora i Polluksa. Uznawani za wybawicieli tych, którzy znaleźli się w niebezpieczeństwie, ognie oznaczały dla żeglarzy rychłe nadejście burzy.
Fenomen swoją nazwę zawdzięcza św. Elmo, czyli Erazmowi z Formii, który żył w III w. Na jego temat wiadomo niewiele. Jedna z legend mówi, że pewnego razu, gdy św. Elmo głosił kazanie, tuż obok uderzył piorun. Święty nie zwracał uwagi na niebezpieczeństwo i kontynuował kazanie, co zachwyciło słuchaczy. Żeglarze podczas burz zaczęli zanosić modlitwy do Boga za wstawiennictwem patrona. Pojawienie się wyładowań elektrycznych na masztach statków odczytywano jako znak opieki i nazywano ogniami św. Elma. Wzywano go również jako obrońcę przed zarazą, a także w czasie bólu brzucha i podczas porodu (św. Elmo rzekomo zmarł poprzez wypatroszenie).
Co powoduje ognie św. Elma?
Zrozumienie naukowych podstaw ogni św. Elma stało się możliwe dopiero po tym, gdy brytyjski chemik i fizyk William Crookes wyprodukował w 1879 r. to, co nazwał „promienistą materią” podczas prac z lampami próżniowymi. Odkrycie elektronu nastąpiło dwie dekady później, ujawniając, że świat składa się nie tylko z atomów obojętnych elektrycznie. Wiedza, że atomy zawierają mniejsze, naładowane cząstki, okazała się niezbędna do wyjaśnienia, dlaczego materia Crookesa świeciła się, inicjując nowe cele fizyki plazmowej.
Plazma pojawia się, gdy nadmiar energii rozbija atomy w gazie obojętnym, tworząc gaz naładowany. Plazmę można wytworzyć choćby przy użyciu ciepła. Ogrzewanie stałego lodu powoduje rozpad cząsteczek kryształów na ciekłą wodę, a wrząca woda uwalnia cząsteczki pod postacią pary gazowej. Podnosząc temperaturę do 12 000 stopni Celsjusza, atomy w cząsteczkach wody tracą elektrony i stają się jonami (naładowanymi cząstkami). Punkt ten reprezentuje przejście od gazu – chmury cząstek obojętnych – do plazmy – chmury cząstek naładowanych.
Elektryczność może rozerwać cząstki gazu i wytworzyć plazmę w łatwy sposób. Jest to kluczowe do powstania ogni św. Elma. Podczas burzy, tarcie gromadzi dodatkowe elektrony w niektórych częściach chmur, generując potężne pola elektryczne, które docierają do ziemi. Odpowiednio silne pole elektryczne może teoretycznie zamienić powietrze w plazmę w dowolnym miejscu, ale to ostre punkty i krawędzie (jak maszty statków) wykazują tendencję do koncentrowania ładunków, odbierając elektrony z atomów i pozostawiając naładowane jony.
Gdy powietrze wokół masztu częściowo przekształci się w plazmę, ogień św. Elma świeci poprzez proces zwany wyładowaniem koronowym. Gdy pojawia się pole elektryczne, elektrony wbijają się w cząsteczki neutralne i mieszają w jeszcze bardziej energetyczny stan. Tak pobudzone cząstki emitują foton światła o określonej energii i kolorze. Dla azotu i tlenu, które dominują w ziemskiej atmosferze, to światło ma barwę niebieską oraz fioletową.
Ognie św. Elma to nie błyskawice
Podczas gdy ognie św. Elma mają tendencję do występowania podczas burzy, jest to zjawisko zupełnie inne od błyskawic. Blask pioruna jest mieszanką wielu barw, ponieważ ogrzewa powietrze wokół niego. Zorze polarne również zyskują swój blask poprzez uwalniane cząsteczki, chociaż elektrony, które je pobudzają, ostatecznie zyskują swoją energię z wiatru słonecznego, a nie naładowanych elektrycznie chmur.
Wiele osób myli ognie św. Elma z piorunami kulistymi, kolejnymi tajemniczymi zjawiskami znanymi od tysiącleci.
Na szczęście dla turystów i żeglarzy, ognie św. Elma nie palą się i nie stanowią żadnego bezpośredniego zagrożenia. Ich pojawienie się zwiastuje nadchodzącą burzę, a ta co prawda może być potencjalnym niebezpieczeństwem na otwartym morzu.
Inżynierowie muszą jednak brać pod uwagę wyładowania koronowe przy projektowaniu urządzeń elektrycznych, szczególnie linii energetycznych, ponieważ niepożądane pojawienie się ogni św. Elma może spowodować wyciek cennego prądu. Aby zminimalizować ten efekt, wiele dalekobieżnych linii energetycznych wyposaża się w obręczowe „pierścienie koronowe” wokół spiczastych miejsc, takich jak szczyty wież i słupy. Pierścienie te zapobiegają koncentracji pola elektrycznego na tyle silnego, by wytworzyć duże ilości plazmy.
Mimo iż ognie św. Elma nie stanowią już takiej tajemnicy jak sto lat temu, to wciąż potrafią oczarować.
