Co powoduje pożar St. Elmo

2024 Autor: Sherilyn Boyd | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 09:39

Zjawisko to może wywodzić swoją nazwę od włoskiego świętego "Sant" Ermo "lub" św. Erasmus "około 300 A.D., patrona pierwszych śródziemnomorskich żeglarzy. Ta poświata miała tendencję do pojawiania się na szczytach masztów statków podczas rozpraszania podczas burzy. Ogólny przesąd brzmiał, że gdyby pojawił się św. Elmo, był to dobry znak i odpowiedź na modlitwy żeglarza, ponieważ gwałtowne morza zaczęłyby ginąć, a nawierzchniowe wiatry uspokoiłyby się. Gdyby on (ognista poświata) pojawił się w czasie dobrej pogody, powiedziano, że dłoń św. Elmo ostrzegała przed burzą.

Karol Darwin napisał nawet o tym zjawisku w liście do J.S. Henslow, pisał o nocy spędzonej na Pies gończy podczas burzy,

Wszystko było w płomieniach, niebo z błyskawicą, woda o świetlistych cząstkach, a nawet same maszty były wycelowane w niebieski płomień.

Z naukowego punktu widzenia zjawisko to znane jest jako "wyładowanie koronowe" lub "wyładowanie punktowe". Może ono, i zwykle się zdarza, na czubku jakiejkolwiek powierzchni przewodzącej podczas burzy. Widać to na szczytach wież kościoła, pałeczkach do rozjaśniania, czubkach śmigieł i skrzydeł samolotu, a nawet źdźbłach trawy i rogach bydła!

Benjamin Franklin jako pierwszy w przybliżeniu poprawnie opisał zjawisko jako elektryczność atmosferyczną w 1749 roku. Uważał, że "ogień" był sposobem, w jaki piorunujące pręty "wyciągały" powoli prąd z burzy, zanim zdążyły zgromadzić wystarczającą ilość ładunku, by utworzyć uderzenie.

Korona może tworzyć się, gdy potencjał pola elektrycznego (w tym przypadku atmosfera podczas burzy) jest silniejszy niż opór (w tym przypadku wskazane przewodzące pręty) jakiegokolwiek medium przepływa przez nie prąd (elektrony). Naukowo jest to znane jako prawo Ohma - prąd elektryczny jest równy napięciu podzielonemu opornością.

Dlaczego tak się dzieje podczas burzy i dlaczego łatwiej można to osiągnąć za pomocą ostrych metalowych przedmiotów?

Jednym słowem (lub dwoma w tym przypadku): równowaga elektrostatyczna. Równowaga elektrostatyczna jest naturalnym stanem, w którym naładowany przewodnik (podobnie jak maszt statku) będzie miał równomiernie taką samą odległość nadwyżki ładunku. Jest tak, ponieważ ma równe siły odpychające działające na nią w całym materiale. Zasadniczo wszystkie elektrony obecne w materiale będą dystansować się równomiernie, ponieważ wszystkie one odpychają się nawzajem. Jest to ważne, aby zauważyć, jeśli chodzi o wskazane przewodniki, takie jak maszt statku i ich pola elektryczne.

Pola elektryczne zawsze będą miały siłę skierowaną całkowicie prostopadle do powierzchni przewodu. W przypadku płaskiego przewodu oznacza to, że siła jest przykładana w dół. Z tego powodu spiczasty przewodnik będzie miał więcej elektronów, a więc więcej ładunku na jego czubku.

Jeśli weźmiesz dwa magnesy i położysz je na płaskiej powierzchni, mogą odpychać się nawzajem na pewną odległość. Jeśli zgniesz tę trójwymiarową płaską powierzchnię, tworząc środkowy punkt pomiędzy dwoma magnesami, końcówka, będziesz w stanie przesunąć magnesy w kierunku końcówki, a tym samym bliżej siebie, jeśli powierzchnia będzie płaska. Jest tak dlatego, że siła odpychająca jest przykładana z dala od powierzchni, a nie od przeciwległego magnesu. Zagięte powierzchnie wewnętrzne działają jak rodzaj izolatora, nie pozwalając, aby przepływała przez nie siła działająca na magnes po drugiej stronie. Rezultatem jest większy ładunek na dowolnej zakrzywionej powierzchni przewodnika w równowadze elektrostatycznej. Im ostrzejszy punkt, tym bardziej wyraźny wynik.

Wiem, o czym myślisz. Dlaczego elektrony obracające się wokół atomów wnętrza przewodnika nie powodują dalszego rozprzestrzeniania się elektronów, a tym samym nie pozwalają na akumulację elektronów na zakrzywionej powierzchni?

Odpowiedź brzmi: kolejny truizm związany z równowagą elektrostatyczną. Zdumiewające w ładowaniu przewodnika jest to, że całe ładowanie istnieje tylko na powierzchni materiału, a nie w jego wnętrzu. Linie pola elektrycznego będą wystawały tylko z powierzchni, a nie do wewnątrz. Gdyby istniała siła, która istniała wewnątrz powierzchni, wówczas elektrony musiałyby nadal poruszać się w odpowiedzi na tę siłę, a zatem nie byłyby w równowadze. Ponieważ są one już w równowadze, wynikiem jest całe ładowanie istniejące na powierzchni. Jest to zjawisko, które pozwala badaczom na całym świecie stać bez szwanku w metalowej klatce (klatka Faradaya), podczas gdy pioruny z milionami woltów trzeszczą wokół nich.

Skoro wiemy, że materiały przewodzące mają nadmiar ładunku na ich zakrzywionych powierzchniach, porozmawiajmy o tym, dlaczego burze ogniowe powodują pożar St. Elmo.

Jak wspomniano wcześniej, przewodniki mają określone pola elektryczne. Gazy mogą również posiadać pola elektryczne. W tym przypadku gaz jest powietrzem, którym oddychamy. Kiedy atmosfera jest spokojna, w czasie dobrej pogody jej natężenie pola elektrycznego wynosi około 1 wolt na centymetr (w zależności od dokładnego uzupełnienia obecnego powietrza).Kiedy zaczyna się burza, natężenie pola elektrycznego zacznie wzrastać i będzie nadal rosło, aż osiągnie około 10 tysięcy woltów na centymetr. Mniej więcej w tym momencie dostaniesz lekkie uderzenie. Jest w tym oknie o zwiększonej sile pola ponad normą i przed rozjaśnionym uderzeniem, które możesz zobaczyć ogień Świętego Elma.

A więc teraz przedstawmy to, co wiemy o równowadze elektrostatycznej i tym, co wiemy o rosnących polach elektrycznych burz i mówimy, dlaczego powodują korony.

Chmury, w tym przypadku chmura cumulonimbus, mają tendencję do posiadania nadwyżek dodatniego ładunku na szczytach i ujemnego ładunku na dole. Podczas gdy naukowcy wciąż spierają się o dokładną naturę tego, dlaczego tak się dzieje, najczęściej stosowaną teorią jest to, że wynika ona z dwóch procesów.

Po pierwsze, chmury zawierają niezliczoną ilość zawieszonych kropelek wody i lodu wirujących wokół. Kiedy parowanie wody gruntowej dociera do chmury, elektrony są odsuwane od dodatnio naładowanej rosnącej kropli pozostawiając ładunek ujemny na dnie chmury.

Drugi mechanizm związany jest z lodem. W miarę wzrostu parującej wody może zamarzać na większych wysokościach. Klaster lodu będzie stawał się ujemnie naładowany w stosunku do jego centrum. Gdy lód wiruje wokół chmury, zewnętrzne, bardziej dodatnio naładowane części są pozostawione w kierunku góry, a zamrożone części, które są bardziej ujemnie naładowane, opadają w kierunku dna. Wynik tych dwóch procesów pozostawia rosnący ujemny ładunek w kierunku dna. Ma to znaczenie w przypadku pożaru świętego Elma z powodu wpływu rosnącego ładunku ujemnego na powierzchnię Ziemi.

Zwykle powietrze wokół chmury jest wystarczającym izolatorem, który powstrzymuje Zeusa i jego piorunujące błyskawice. W przypadku chmur burzowych, gdy wzrasta ładunek z chmury, wzrasta także jej siła pola. To może jonizować powietrze wokół niego, dzięki czemu jest bardziej przewodzące. Gdy nadmiar elektronów z dna chmury zaczyna przepływać w coraz większym przewodzącym powietrzu, zmusza elektrony na powierzchni ziemi (lub dowolnego przedmiotu przyczepionego do ziemi, jak budynek lub maszt statku). Rezultatem jest rosnący wzrost ładunku dodatniego na podwyższonych częściach ziemi, jak pręt rozjaśniający.

Wykorzystując równowagę elektrostatyczną jako prekursora, widzimy, że obiekt ze spiczastą końcówką miałby względnie wyższe stężenie ładunku dodatniego niż obiekt, który nie ma zaostrzonej końcówki. W końcu, naładowana dodatnio końcówka reaguje z rosnącą ujemnie naładowaną atmosferą i wytwarzany jest prąd elektryczny.

Zwykle proces ten byłby niewidoczny. W przypadku korony (nie, nie piwa), kiedy potencjał pola elektrycznego jest wystarczająco silny (jak na szczycie masztu statku), elektrony można oderwać od ich cząsteczek. Jeśli ten elektron może uzyskać wystarczającą ilość energii, aby uniknąć bycia pobranym przez pobliską cząsteczkę (jak z rosnącej lub malejącej siły pola elektrycznego chmury burzowej i powietrza wokół niej), wynikiem są wolne elektrony, dodatnio naładowane klastry jonowe (w powierzchnia masztu statku) i otaczające powietrze, wszystkie zderzające się ze sobą w postaci materii znanej jako plazma. Plazma będzie świecić światłem dając życie św. Elmo i jego "ogniem"!

Kolor jarzenia plazmy zależy od rodzaju gazu. Ponieważ nasze powietrze składa się głównie z azotu i tlenu, będzie świecić na niebiesko / fioletowo.

W końcu, św. Elmo i jego niesamowity błękitno-fioletowy ogień jest jedynie wynikiem równowagi elektrostatycznej przewodnika, na który wpływ ma zwiększający się potencjał pola elektrycznego wytwarzany przez burzowe chmury. Albo jak Ben Franklin powiedział "elektryczność atmosferyczna".