Интересная физика природы. Огни святого Эльма.

Интересная физика природы. Огни святого Эльма.

Иногда в грозовую погоду можно наблюдать интереснейшее природное явление: на вершинах шпилей, башен и даже стволов отдельных деревьев появляется яркое свечение. Этот интересный феномен давным давно известен морякам. Древние римляне называли его огнями Поллукса и Кастора (мифологические близнецы). Когда на море гроза, такие огни обычно появляются не вершинах мачт. Историк Древнего Рима Луций Сенека писал по данному поводу: "Создаётся впечатление, что звёзды сходят с неба и садятся на мачты кораблей".

Огни святого Э́льма или Огни святого Э́лмо (англ. Saint Elmo's fire, Saint Elmo's light) — разряд в форме светящихся пучков или кисточек (или коронный разряд), возникающий на острых концах высоких предметов (башни, мачты, одиноко стоящие деревья, острые вершины скал и т. п.) при большой напряжённости электрического поля в атмосфере. Они образуются в моменты, когда напряжённость электрического поля в атмосфере у острия достигает величины порядка 500 В/м и выше, что чаще всего бывает во время грозы или при её приближении, и зимой во время метелей. По физической природе представляют собой особую форму коронного разряда. Название явление получило от имени святого Эльма (Эразма) — покровителя моряков в католицизме. Морякам их появление сулило надежду на успех, а во время опасности — и на спасение. Может возникать на обшивке самолёта, попавшего в облако вулканического пепла. В настоящее время разработаны методы, позволяющие получать подобный разряд искусственным путём. Некоторые из них доступны в домашних условиях - например, снять с себя синтетическую майку (или свитер) и направить на неё иголку. С определённого расстояния на кончике иголки возникает разряд, хорошо видимый в темноте, при этом слышно потрескивающее шипение. Возможно также вызвать разряд на кончике иголки, приблизив её к экрану цветного телевизора с кинескопом, или же рядом с аппаратом, подобным трансформатору Теслы, на расстоянии большем, чем необходимо для дугового разряда.

Научное объяснение явления

Не смотря на множество мифологических трактовок данного природного явления, оно имеет вполне реальное научное объяснение. Бенджамин Франклин был первым, кто поставил знак равенства между Огнем и атмосферным электричеством в 1749 году в своем описании молниеотвода, который, как он считал, может притягивать электрический огонь «из облака еще до того, как оно сможет подойти на достаточное для удара расстояние; и свет будет выглядеть вточь как «Огонь Святого Эльма». В науке данный феномен известен как коронный или точечный разряд. Он возникает на объектах, особенно одиночных, когда потенциал электрического поля достигает значений более 1000 вольт на сантиметр. В ясную погоду значение потенциала электрического поля атмосферы равно приблизительно 1 вольт на сантиметр. На начальной стадии образования кучево-дождевых (грозовых) облаков поле увеличивается до 5 вольт на сантиметр, и только непосредственно перед ударом молнии достигает значения более 10 тысяч (!) вольт на сантиметр. Таким образом, потенциал электрического поле атмосферы достигает высоких значений, достаточных для возникновения Огней Святого Эльма, только в грозовую погоду. В особо сильные грозы могут светиться даже листья, трава и рога у животных. Свечение Огней Святого Эльма очень часто наблюдается на заостренных объектах в непосредственной близости от торнадо. Появление коронного разряда объясняется ионной лавиной. В газе всегда есть некоторое число ионов и электронов, возникающих от случайных причин. Однако, число их настолько мало, что газ практически не проводит электричества. При достаточно большой напряженности поля кинетическая энергия, накопленная ионом в промежутке между двумя соударениями, может сделаться достаточной, чтобы ионизировать нейтральную молекулу при соударении. В результате образуется новый отрицательный электрон и положительно заряженный остаток - ион. Свободный электрон при соударении с нейтральной молекулой расщепляет ее на электрон и свободный положительный ион. Электроны при дальнейшем соударении с нейтральными молекулами снова расщепляют их на электроны и свободные положительные ионы, и т.д. Такой процесс ионизации называют ударной ионизацией, а ту работу, которую нужно затратить, чтобы произвести отрывание электрона от атома - работой ионизации. Работа ионизации зависит от строения атома и поэтому различна для разных газов. Образовавшиеся под влиянием ударной ионизации электроны и ионы увеличивает число зарядов в газе, причем в свою очередь они приходят в движение под действием электрического поля и могут произвести ударную ионизацию новых атомов. Таким образом, процесс усиливает сам себя, и ионизация в газе быстро достигает очень большой величины. Явление аналогично снежной лавине, поэтому этот процесс был назван ионной лавиной. При частых столкновениях свободных электронов, ионизированных молекул (ионов) и молекул воздуха высвобождается достаточно энергии для возникновения свечения. Если область столкновения сосредоточена в небольшом объеме, например, вокруг заостренного объекта, свечение при тусклом рассеянном свете становится видимым как голубое или бело-голубое. Коронный разряд возникает при резко выраженной неоднородности электрического поля вблизи одного или обоих объектов-электродов. Подобные поля формируются у электродов с очень большой кривизной поверхности (заостренные объекты). Величина потенциала электрического поля зависит от геометрии объекта - чем острее вершина, тем сильнее окружающее поле. (Именно на этом принципе основана работа молниеотвода.) Таким образом, ионизация может произойти вокруг острых вершин при атмосферных условиях, которые при обычных условиях не ионизировались бы. Когда отдельная точка находится на высоте 30 - 40 метров, например мачта большого судна, коронные разряды могут возникать в электрическом поле порядка 200 вольт за сантиметр.