St. Elmos eld är en ihållande blå glöd som ibland visas nära spetsiga föremål under stormar. Namnet är något av en missnöje, eftersom det elektriska fenomenet har mer gemensamt med blixtar eller norrsken än det med låga.
Kaptener över havet och himlen känner till St. Elmos eld bäst, eftersom det eteriska ljuset länge har blivit synat klamrar fast vid fartygs master och nyligen flygplanets vingar. Sjömän har noterat skådespelet i tusentals år, men först under ett och ett halvt sekel har forskare lärt sig tillräckligt om materiens struktur för att förstå varför fenomenet äger rum. Det är inte gudar eller helgon som tänder den gåtfulla elden, utan en av de fem materiens tillstånd: plasma.
Rapporter om blå lampor som flimrar dunkelt från fartygens riggar går tillbaka till antiken, då grekerna och romarna tolkade synen som besök från demigod-tvillingarna Castor och Pollux. Betraktade räddare för de i fara skulle tvillingarnas uppenbarelse ha kommit som ett hoppfullt tecken på sjömän som förvitrar en storm.
Fenomenet fick senare sitt moderna namn från St. Erasmus, eller St. Elmo för kort, som levde under det tredje århundradet. St. Elmo fick beröm som sjömän för sjömän och tarmbesvär, efter att han enligt uppgift dödades av demontering. Sjömän bad till honom i ögonblick av nöd och fortsatte att tolka glödet från St. Elmos elddans och väsande på spetsarna på deras båtar som ett gynnsamt undertecken.
Vad orsakar St. Elmos eld?
En vetenskaplig förståelse av St. Elmos eld blev möjlig först efter att den brittiska kemisten och fysikern William Crookes producerade vad han kallade "strålande materia" genom sitt arbete med vakuumrör 1879. Upptäckten av elektronen kom två decennier senare, vilket avslöjade att världen var tillverkade av mer än neutrala atomer. Att upptäcka att atomerna innehöll mindre, laddade partiklar visade sig vara avgörande för att förstå varför Crookes ämne strålade och startade det nya fältet av plasmafysik.
Plasma uppstår när överflödigt energi bryter upp atomer i en neutral gas för att skapa en laddad gas. Ett sätt att skapa plasma är med värme. Exempelvis bryter uppvärmning av fast is molekylkristaller i flytande vatten, och kokande flytande vatten frigör vattenmolekyler att stiga som en gasformig ånga. Fortsätt att dumpa energi i ångan (genom att värma den förbi 21 000 grader Fahrenheit, eller 12 000 grader Celsius, till exempel), och atomerna i vattenmolekylerna blir grova, förlorar sina elektroner och blir laddade joner. Denna punkt representerar övergången från en gas, ett moln av neutrala partiklar, till en plasma, ett moln som innehåller många laddade partiklar.
Elektricitet kan riva upp gasmolekyler och göra en plasma lättare än värme kan, vilket är nyckeln till St. Elmos eld. Under en storm bygger friktion upp extraelektroner i vissa molndelar och genererar kraftfulla elektriska fält som når marken. Ett tillräckligt starkt fält kan teoretiskt bryta ner luften i en plasma var som helst, men i praktiken tenderar skarpa punkter (till exempel ett fartygs mast) att koncentrera fältet, avlägsna elektroner från atomer för att lämna bakom laddade joner i särskilt stora antal nära skarpa platser.
När luften runt en mast delvis har förvandlats till en plasma lyser St. Elmos eld genom en process som kallas koronautladdning. När det elektriska fältet slänger runt elektronerna slår de in neutrala partiklar och agiterar de neutrala partiklarna till ett mer energiskt tillstånd.
Föreställ dig att "någon mobbning går genom skolgården som sparkar alla barnen", sa Kristina Lynch, en plasmafysiker vid Dartmouth College i New Hampshire. "De blir alla glada och sedan måste de koppla av." För att svalna avger de upphetsade partiklarna en ljusfoton med en viss energi och färg. För kväve och syre, som dominerar i jordens atmosfär, brinner den ljusbristen blå respektive violetta.
St. Elmos eld är inte blixt
Medan St. Elmos eld tenderar att äga rum under stormiga förhållanden, är det ett tydligt fenomen från blixtnedslag. En blixtbultens glöd innehåller blå och lila av samma anledning, men den lyser också vit - en blandning av många färger - när den värmer upp luften runt den.
Aurorans färgglada ljus får sin glöd från avkopplande partiklar också, även om elektronerna som väcker dessa partiklar i slutändan får sin energi från solvinden, snarare än elektriskt laddade moln. Många blandar också St. Elmos eld med kulblixten, ett annat glödande fenomen känt i årtusenden. Medan de svävande ljus sfärer förblir dåligt förstått, har de två händelserna rapporterats tillsammans, som i denna bergsbestigares berättelse från 1977, rapporterad i Journal of Scientific Exploration:
"Precis under mig fanns det en förfallen byggnad. Jag kunde se stilla tungor av ljusblå flamma på alla punkter i stålram som stod ut från ruinerna. Flammen var av olika storlekar. Ju högre var punkten, desto större var en flammans tunga på den. Fortfarande lägre, på en höjd av 4 000 till 4 100 m, blinkade blixt. Orangekulor av storleken på en fotboll bollade med vinden på bakgrund av svarta moln. "
Är St. Elmos eld farligt?
Lyckligtvis för vandrare och sjömän bränner inte St. Elmos eld eller utgör någon omedelbar fara utöver det potentiellt stormiga vädret.
Ingenjörer måste emellertid ta hänsyn till koronautladdning vid utformning av elektrisk utrustning, särskilt kraftledningar, eftersom oönskade fall av St. Elmos eld kan tappa värdefull elektricitet. För att minimera den effekten har många långväga kraftledningar båge-liknande "korona-ringar" runt spetsiga områden som spetsarna av torn och stolpar. Dessa ringar hindrar det elektriska fältet från att bli tillräckligt koncentrerat för att producera mycket plasma.
I andra fall har ingenjörer hittat sätt att använda koronautladdning till sin fördel. Processen är involverad i produktionen av ozon, ett industriellt desinfektionsmedel. Corona-urladdning spelar också en roll för att skapa de laddade ytorna som behövs inuti en kopiator.
Medan forskare har avmystifierat fenomenet och använt det i modern teknik, har den ofarliga men fängslande glöd från St. Elmos eld fortfarande kraften att förvåna åskådare, precis som det har gjort i årtusenden.
