St. Elmos brann er en vedvarende blå glød som av og til vises nær spisse gjenstander under uvær. Navnet er noe av en feilnummer, ettersom det elektriske fenomenet har mer til felles med lyn eller nordlys enn det gjør med flamme.
Kapteiner av hav og himmel kjenner St. Elmos ild best, ettersom det eteriske lyset lenge har blitt sett på som klamrer seg fast til mastene til skip og mer nylig vingene til fly. Sjøfarere har lagt merke til opptoget i tusenvis av år, men først i halvannet århundre har forskere lært nok om stoffets struktur til å forstå hvorfor fenomenet finner sted. Det er ikke guder eller helgener som tenner den gåtefulle brannen, men en av de fem sakene: plasma.
Rapporter om blålys som flimrer svakt fra riggene på skip dateres tilbake til antikken, da grekere og romere tolket synet som besøk fra demigod-tvillingene Castor og Pollux. Betraktet som frelsere for de som er i fare, ville tvillingens tilsynekomst ha kommet som et håpefullt tegn på sjømenn som forvitrer i en storm.
Fenomenet fikk senere sitt moderne navn fra St. Erasmus, eller St. Elmo for kort, som levde i det tredje århundre. St. Elmo fikk berømmelse som skytshelgen for seilere og tarmsyke, etter at han etter sigende ble drept av demontering. Seilere ba til ham i øyeblikk av nød og fortsatte å tolke gløden fra St. Elmos ilddans og susing på spissene til båtene deres som et gunstig tegn.
Hva er årsaken til St. Elmos brann?
En vitenskapelig forståelse av St. Elmos brann ble mulig først etter at den britiske kjemikeren og fysikeren William Crookes produserte det han kalte "strålende materie" gjennom sitt arbeid med vakuumrør i 1879. Oppdagelsen av elektronet kom to tiår senere, og avslørte at verden var laget av mer enn nøytrale atomer. Å finne at atomer inneholdt mindre, ladede partikler viste seg essensielt for å forstå hvorfor Crookes materie skinte, og lanserte hele det nye feltet av plasmafysikk.
Plasma oppstår når overflødig energi bryter opp atomer i en nøytral gass for å lage en ladet gass. En måte å skape plasma på er med varme. For eksempel bryter oppvarming av fast is molekylkrystaller i flytende vann, og kokende flytende vann frigjør vannmolekyler til å stige som en gassdamp. Fortsett å dumpe energi i dampen (ved å varme den forbi 21 000 grader Fahrenheit, eller 12 000 grader Celsius, for eksempel), og atomene i vannmolekylene blir grov opp, mister elektronene og blir ladede ioner. Dette punktet representerer overgangen fra en gass, en sky av nøytrale partikler, til et plasma, en sky som inneholder mange ladede partikler.
Elektrisitet kan rive opp gassmolekyler og lage et plasma lettere enn varme kan, som er nøkkelen til St. Elmos brann. Under en storm bygger friksjon opp ekstra elektroner i visse deler av skyer, og genererer kraftige elektriske felt som når bakken. Et sterkt nok felt kan teoretisk bryte luft ned i et plasma hvor som helst, men i praksis har skarpe punkter (for eksempel masten til et skip) en tendens til å konsentrere feltet, strippe elektroner fra atomer for å etterlate ladede ioner i spesielt høye tall nær skarpe steder.
Når luften rundt en mast delvis har blitt forvandlet til et plasma, skinner St. Elmos brann via en prosess som kalles koronautladning. Når det elektriske feltet slenger elektronene rundt, banker de inn nøytrale partikler og agiterer de nøytrale partiklene til en mer energisk tilstand.
Se for deg at "noen mobber som går gjennom skolegården og sparker alle barna," sa Kristina Lynch, en plasmafysiker ved Dartmouth College i New Hampshire. "De blir alle spente, og da må de slappe av." For å avkjøle, avgir de eksiterte partiklene et foton av lys med en bestemt energi og farge. For nitrogen og oksygen, som dominerer i jordas atmosfære, brenner det lyset av henholdsvis blått og fiolett.
St. Elmos brann er ikke lyn
Mens St. Elmos brann har en tendens til å skje under stormfulle forhold, er det et tydelig fenomen fra lynet. En glød av lynet inneholder blå og lilla av samme grunn, men den lyser også hvit - en blanding av mange farger - når den varmer opp luften rundt den.
Auroraens fargerike lys får også glød fra avslappende partikler, selv om elektronene som begeistrer disse partiklene til slutt får sin energi fra solvinden, i stedet for elektrisk ladede skyer. Mange forveksler også St. Elmos brann med kule lyn, et annet glødefenomen kjent i årtusener. Mens de svevende lyssfærene forblir dårlig forstått, er de to hendelsene blitt rapportert sammen, som i denne fjellklatrerberetningen fra 1977, rapportert i Journal of Scientific Exploration:
"Rett under meg var det en falleferdig bygning. Jeg kunne se fremdeles tunger av lyseblå flamme på hvert punkt av stålramme som stakk ut fra ruinene. Flammen var i forskjellige størrelser. Jo høyere punktet var, jo større var en flammetunga på den. Fortsatt lavere, i en høyde av 4000 til 4100 m, lynet blinket. Oransje baller på størrelse med en fotballball flyr av vinden på bakgrunn av svarte skyer. "
Er St. Elmos brann farlig?
Heldigvis for turgåere og seilere brenner ikke St. Elmos brann eller utgjør noen umiddelbar fare utover det potensielt stormfulle været.
Ingeniører må imidlertid ta hensyn til koronautladning når de designer elektrisk utstyr, spesielt kraftledninger, da uønskede tilfeller av St. Elmos brann kan sap verdifull strøm. For å minimere den effekten, har mange kraftlinjer på lang avstand bøyle-lignende "korona-ringer" rundt spisse områder som spissene til tårn og stolper. Disse ringene holder det elektriske feltet i å bli konsentrert nok til å produsere mye plasma.
I andre tilfeller har ingeniører funnet måter å bruke koronautladning til sin fordel. Prosessen er involvert i produksjon av ozon, et industrielt desinfeksjonsmiddel. Corona-utladning spiller også en rolle i å lage de ladede overflatene som trengs inni en kopimaskin.
Mens forskere har avmystifisert fenomenet og satt det i bruk i moderne teknologi, har den ufarlige, men fengslende gløden fra St. Elmos ild fremdeles makt til å forbløffe tilskuere, akkurat som det har gjort i årtusener.
