Огни святого Эльма

Содержание

Что же такое «огни святого Эльма»

Как самолеты противодействуют огням святого Эльма

Научное понимание огней святого Эльма стало возможным только в XIX веке, после того, когда ученые обнаружили, что атомы содержат более мелкие заряженные частицы.

Сохранилось предание о том, как флотилия Христофора Колумба на пути в Америку попала в сильнейший шторм. Казалось, что буря никогда не утихнет.

Матросы, измученные тяжелыми вахтами, напуганные несмолкаемым ревом и грохотом океана, начали роптать. Во всем винили Колумба, затеявшего столь опасное плавание, из которого уже никто не чаял возвратиться.

Колумб и огни Эльма

И вот когда напряжение на корабле дошло, казалось бы, до высочайшего предела, Колумб приказал всем подняться на палубу и взглянуть на мачты. Ошеломленные моряки увидели на верхушках мачт, на стеньгах и реях бегающие голубоватые огоньки.

Матросы очень обрадовались, потому что посчитали их за знак милости к ним святого Эльма.

Магеллан и огни Эльма

Такие же огни наблюдал, в Атлантическом океане, и Магеллан. Один из его спутников, рыцарь Пигафетта, сделал в своем дневнике такую запись:

«Во время бурь мы часто видели свечение, которое называют «огнями святого Эльма». Как-то в темную ночь оно явилось нам подобием доброго светоча. Огни оставались на Верхушке грот-мачты в течение двух часов. В разгар свирепой бури это было для нас большим утешением. Перед тем как исчезнуть, свечение вспыхнуло особенно ярко. Мы были ошеломлены, считали, что теперь наступит гибель. Однако в то же мгновение ветер стих…»

Появление «огней св. Эльма» с очень давних пор воспринималось моряками как добрый знак, возвещающий об окончании шторма. Действительно, сильный ветер и высокие волны предшествуют грозе. Но, когда гроза над головой и зажигаются «огни св. Эльма, пусть шторм еще бушует — самое худшее уже позади.

История изучения огней Эльма

Почти Две тысячи Лет назад римский философ Сенека говорил, что во время грозы «звезды как бы нисходят с неба и садятся на мачты кораблей».

Он имел в виду разряды в виде пламени, которые возникают не только на рангоуте кораблей, но и на куполах церквей, верхушках башен, на шпилях и высоко в горах, когда основание облака спускается почти до самой земли.

Однако чаще всего такие огни можно увидеть в океане. Когда грозовые облака проходят над судном, на мачтах видно свечение. Обычно оно сопровождается легким потрескиванием. Иногда огни бегают по волнам. При дневном свете они почти не видны, зато ночью получается очень эффектная, а порой и жуткая картина.

Американский метеоролог Хэмфри, наблюдавший «огни святого Эльма» на своем ранчо, свидетельствует, что это явление природы, «превращая каждого быка в чудище с огненными рогами, производит впечатление чего-то сверхъестественного».

Известный французский математик Жан Батист Фурье, автор ряда теоретических исследований по физике, в том числе и по вопросам теплопроводности, объяснял это явление оседанием на корабельном рангоуте «вязких испарений моря». Он также высказывал предположение, что огни на мачтах кораблей «появляются в результате трения наслаивающихся друг на друга грозовых туч».

Великий математик, механик и физик Леонард Эйлер в своем научно-популярном сочинении «Письма о разных физических и философических материях, писанных к одной немецкой принцессе» так говорит об «огнях святого Эльма»:

«В море на верхушках мачт можно наблюдать свечение, известное среди моряков под названием «Кастор и Поллукс». Когда моряки видят эти знаки, они считают себя защищенными от грозовых ударов».

И далее: «Подобное явление часто наблюдается во время грозы на вершинах колоколен, и это верный признак того, что эфир облаков разряжается спокойно. Все считают его весьма хорошим знаком, ибо такой разряд поглощает многие удары молний».

Отряд римских воинов шел в ночном походе. Надвигалась гроза. Издали доносились раскаты грома. Вдруг над отрядом вспыхнули сотни огоньков. Это засветились острия копий воинов. Казалось, что железные копья горят с воинами римского отряда. «Чудесное» явление было воспринято как вестник победы.

2 марта 1633 года марсельский корабль «Нотр-Дам-де-Бонавантюр», возвращаясь из Константинополя, попал в бурю. На корабле появились «огни святого Эльма». Очевидец свидетельствует:

«Последовал раскат грома, и вдруг огненный шар покатился по палубе, толкнул одного матроса, сбил с ног другого, обжег тех, кто гнал его пиками, шпагами и палками, а затем поднялся по бизань-мачте и исчез…»

11 июня 1686 года французский военный корабль, шедший в 400 милях к востоку от Мадагаскара, подвергся атакам «святого огня». Свидетель этого — аббат Шуази — записал:

«Дул страшный ветер, лил дождь, сверкали молнии, все море было в огне. Вдруг я увидел на всех наших мачтах «огни святого Эльма», которые спускались на палубу. Они были величиной с кулак, сверкали, прыгали и вовсе не обжигали. Все почувствовали запах серы, но грома не было. Блуждающие огоньки вели себя на корабле словно у себя дома. Это продолжалось до рассвета».

В 1695 году, во время грозы в Средиземном море, у Балеарских островов, огни наблюдал капитан английского парусника. Вот что он писал впоследствии:

«Опасаясь бури, я приказал спустить все паруса. И тут мы увидели в разных местах корабля больше тридцати «огней святого Эльма». Самый большой огонь, более полутора футов в длину, был на флюгере мачты.

Я послал матроса снять его. Матрос крикнул нам сверху, что огонь шипит, как ракета из сырого пороха. Ему было приказано снять огонь вместе с флюгером и спуститься вниз. Но как только он снял флюгер, огонь перескочил на конец мачты… Через некоторое время огонь стал гаснуть и постепенно исчез».

30 декабря 1902 года пароход «Моравия» шел вблизи Зеленого мыса. Вся команда была свидетелем необычайного явления. Вот запись в судовом журнале, сделанная капитаном А. Симпсоном:

«Целый час в море полыхали молнии. Стальные канаты, верхушки мачт, нок-реи, ноки грузовых стрел — все светилось. Казалось, что на штагах через каждые четыре фута повесили зажженные лампы, а на концах мачт и нок-рей засветили яркие огни».

Далее капитан пишет, что это свечение сопровождалось необычным шумом: «…словно мириады цикад поселились в оснастке или с треском, горел валежник и сухая трава».

Однажды гроза застала группу альпинистов в горах Тянь-Шаня.

— Смотрите, у него горят волосы! — закричал один из участников похода, показывая на товарища.

Взглянув друг на друга, спортсмены увидели, что у них у всех головы ярко светятся. Стоило снять шапку, как светящиеся волосы вставали дыбом и начинали испускать мелкие голубоватые искры.

Искрились ледорубы, фотоаппараты, металлические пуговицы. Когда гроза стала утихать, свечение исчезло.

«Огни Эльма» появляются и на самолете, летящем через заряженные облака. По рассказам очевидцев, самолет в «огнях» — это необычайно красивое и страшное зрелище. Яркие огненные полосы длиной до 3 — 5 метров и шириной около 10 сантиметров веером разлетаются от кромки крыльев.

Сверкающие венцы окружают моторы. Иногда начинают светиться стекла пилотской кабины, сильно наэлектризованные столкновением с градом и снежной крупой. При полете в таких условиях нарушается работа радиоприемных и радиопеленгационных устройств. Известен случай, когда самолет четыре часа летел в таком светящемся ореоле, потом в него ударила молния.

Командир немецкого дирижабля, попавшего однажды во время первой мировой войны в грозовое облако, писал, что его корабль швыряло, как щепку в бурном океане, то вниз, почти к самой земле, то вверх на высоту 1800 метров. При этом из каждой более или менее выступающей точки дирижабля струилось синеватое пламя.

Наблюдались «огни святого Эльма» и во время песчаных бурь. Это объясняется тем, что поднятые в воздух песчинки трутся друг о друга и сильно электризуются. Отмечено, что почему-то «огни святого Эльма» в северном полушарии наблюдаются чаще, чем в южном.

Видео: Тайна корабля призрака «Марлборо»

Что же такое «огни святого Эльма»?

Какова физическая суть этого загадочного на первый взгляд явления природы? «Огни святого Эльма» — наиболее мощная видимая форма разряда с острия, сопровождаемая свечением и треском. Они похожи на языки пламени, но в действительности не имеют ничего общего с горением.

Это так называемые тихие разряды атмосферного электричества, которые чаще всего наблюдаются во время гроз, снежных бурь, шквалов. Считают, что свечение бывает красным, ярким, если вызывающее его грозовое облако заряжено у основания отрицательно, и голубоватым, слабым при положительном заряде.

Фейерверки атмосферного электричества не всегда сопровождаются грозовыми явлениями. Бывает, что еще задолго до грозы напряженность электрического поля в атмосфере возрастает во много сот и даже тысяч раз. Вот тогда-то и появляются на высоко поднятых остриях предметов особого рода светящиеся разряды.

Электрические заряды, стекая с острия, образуют «огненные короны». Они «горят» на острие, которое находится под высоким электрическим потенциалом. Это холодный свет, напоминающий свет люминесцентных ламп, который при желании тоже можно назвать «огнями святого Эльма».

«Огни святого Эльма» не обжигают, но все же их следует опасаться потому, что они указывают на места возможной концентрации больших зарядов атмосферного электричества.

Огни святого Эльма — особого рода электрические разряды в форме светящихся кисточек, наблюдаемые иногда в естественных условиях на острых концах возвышающихся над земной поверхностью высоких предметов (башни, мачты, одиноко стоящие деревья и т. п.).

Часто огни отмечаются в горах, на острых вершинах скал, а иногда даже на людях и животных: их можно видеть выходящими из головы, высоко поднятой руки, палки. Свое название «Огни святого Эльма» получили в средние века по имени церкви «святого Эльма», на башнях которой они часто наблюдались; по той же причине в некоторых местах их называют огнями «св. Николая», «св. Елены», «св. Клары» и т. д.

Огни Эльма возникают в моменты, когда напряженность электрического поля в атмосфере у острия достигает особенно высоких значений (до 30 000 В/см), что чаще всего бывает во время грозы или при ее приближении, а зимой во время метелей. По своей физической природе Огни Эльма представляют особую форму коронного разряда, так называемый разряд с острия.

Хотя огонь Святого Эльма обычно возникает в шторм, это явление отличается от молнии. Свечение молнии содержит синий и фиолетовый цвета по той же причине, но она также светится белым — смесью многих цветов — поскольку нагревает воздух вокруг себя.

Яркие огни северного сияния также получают свое свечение от расслабляющих частиц, хотя электроны, которые возбуждают эти частицы, в конечном итоге получают энергию от солнечного ветра, а не от электрически заряженных облаков.

Многие также путают огонь святого Эльма с шаровой молнией, еще одним явлением накаливания, известным на протяжении тысячелетий.

Опасны ли огни святого Эльма?

К счастью для путешественников и моряков, огонь святого Эльма не горит и не представляет какой-либо непосредственной опасности, кроме самой потенциально штормовой погоды.

Однако инженеры должны учитывать коронный разряд при проектировании электрического оборудования, особенно линий электропередач.

Чтобы свести к минимуму этот эффект, многие линии электропередач на большие расстояния имеют кольцевидные «коронные кольца» вокруг заостренных участков, таких как вершины башен и столбов. Эти кольца препятствуют тому, чтобы электрическое поле стало достаточно сконцентрированным, чтобы произвести большое количество плазмы.

Как самолеты противодействуют огням святого Эльма

Как самолеты противодействуют огням святого Эльма во время грозы.

Исследования Массачусетского технологического института.

В разгар грозы концы вышек сотовой связи, телефонные столбы и другие высокие электропроводящие конструкции могут самопроизвольно излучать вспышку синего света. Это электрическое свечение, известное как коронный разряд, возникает, когда воздух, окружающий проводящий объект, на короткое время ионизируется электрически заряженной средой.

На протяжении веков моряки наблюдали коронные разряды на концах корабельных мачт во время штормов на море. Они придумали явление огня святого Эльма в честь покровителя моряков.

Ученые обнаружили, что коронный разряд может усиливаться в ветреную погоду и светиться ярче, когда ветер еще больше электризует воздух. Это усиление, вызванное ветром, наблюдается в основном в электрически заземленных конструкциях, таких как деревья и башни.

Теперь аэрокосмические инженеры из Массачусетского технологического института обнаружили, что ветер оказывает противоположное влияние на незаземленные объекты, такие как самолеты и некоторые лопасти ветряных турбин.

В некоторых из последних экспериментов, проведенных в аэродинамической трубе братьев Райт Массачусетского технологического института перед ее демонтажем в 2019 году, исследователи подвергли электрически незаземленную модель крыла самолета воздействию все более сильных порывов ветра.

Они обнаружили, что чем сильнее ветер, тем слабее коронный разряд и тем тусклее создаваемое свечение. Результаты команды опубликованы в издании: «Журнал геофизических исследований атмосферы».

Трение внутри грозового облака может нарастать, это способствует появлению дополнительных электронов, возникает электрическое поле, которое может достигать земли. Если это поле достаточно сильное, оно может разрушить молекулы окружающего воздуха, превратив нейтральный воздух в заряженный газ или плазму.

Этот процесс чаще всего происходит вокруг острых проводящих объектов, таких как вышки сотовой связи и концы крыльев самолетов, поскольку эти заостренные структуры имеют тенденцию концентрировать электрическое поле таким образом, что электроны оттягиваются от окружающих молекул воздуха к заостренным структурам, оставляя за собой завесу положительно заряженной плазмы непосредственно вокруг острого предмета.

Как только плазма сформировалась, молекулы внутри нее могут начать светиться посредством процесса коронного разряда, когда избыточные электроны в электрическом поле сталкиваются с молекулами, переводя их в возбужденное состояние.

Чтобы выйти из этих возбужденных состояний, молекулы испускают фотон энергии с длиной волны, которая для кислорода и азота соответствует характерному голубоватому свечению «огня святого Эльма».

В предыдущих лабораторных экспериментах ученые обнаружили, что это свечение и энергия коронного разряда могут усиливаться при наличии ветра. Сильный порыв ветра может по существу сдуть положительно заряженные ионы, которые локально экранировали электрическое поле и уменьшали его влияние, облегчая электронам запуск более сильного и яркого свечения.

Эти эксперименты в основном проводились с электрически заземленными конструкциями, и команда Массачусетского технологического института интересовалась, будет ли ветер оказывать такое же усиливающее влияние на коронный разряд, который возникает вокруг острого незаземленного объекта, такого как крыло самолета.

Чтобы проверить эту идею, они изготовлены простую конструкцию крыла из дерева и завернутые крыло в фольгу, чтобы сделать его электропроводящим. Вместо того чтобы пытаться создать окружающее электрическое поле, подобное тому, которое может возникнуть во время грозы, ученые изучили альтернативную конфигурацию.

В этом эксперименте которой коронный разряд генерировался в металлической проволоке, идущей параллельно длине крыла и соединяющей источник напряжения между проводом и крылом.

Они прикреплены крыло к подставке, изготовленные из изолирующего материала, который, в силе своей природы непроводящей, по существу, сделал крыло самого электрический приостановлена или необоснованным. Команда поместила всю установку в аэродинамическую трубу братьев Райт Массачусетского технологического института и подвергала ее воздействию все более высоких скоростей ветра, до 50 метров в секунду.

Они также варьировали величину напряжения, которое они подавали на провод. Во время этих испытаний они измерили количество электрического заряда, накапливающегося в крыле, ток короны, а также использовали камеру, чувствительную к ультрафиолету, чтобы наблюдать яркость коронного разряда на проводе.

В конце концов, они обнаружили, что сила коронного разряда и его результирующая яркость уменьшались по мере усиления ветра — удивительный и противоположный эффект от того, что ученые видели для ветра, воздействующего на заземленные конструкции.

Команда разработала численное моделирование, чтобы попытаться объяснить эффект, и обнаружила, что для незаземленных конструкций процесс во многом аналогичен тому, что происходит с заземленными объектами, но с некоторыми дополнительными особенностями.

В обоих случаях ветер уносит положительные ионы, генерируемые короной, оставляя более сильное поле в окружающем воздухе. Однако для незаземленных структур, поскольку они электрически изолированы, они становятся более отрицательно заряженными. Это приводит к ослаблению положительного коронного разряда.

Количество отрицательного заряда, которое сохраняет крыло, определяется конкурирующими эффектами положительных ионов, уносимых ветром, и тех, которые притягиваются и оттягиваются в результате отрицательного отклонения.

Исследователи обнаружили, что этот вторичный эффект ослабляет локальное электрическое поле, а также электрическое свечение коронного разряда. «Коронный разряд — это первая стадия молнии в целом», — говорит Герра-Гарсия. «То, как ведет себя коронный разряд, очень важно и создает основу для того, что может произойти дальше с точки зрения электрификации».

Во время полета летательные аппараты, такие как самолеты и вертолеты, по своей природе производят ветер, и система тлеющего разряда, подобная той, что проверена в аэродинамической трубе, может фактически использоваться для управления электрическим зарядом транспортного средства.

Ссылаясь на некоторую предыдущую работу команды, она и ее коллеги ранее показали, что, если самолет может быть заряжен отрицательно, контролируемым образом, риск удара молнии может быть уменьшен.

Новые результаты показывают, что зарядка самолета в полете до отрицательных значений может быть достигнута с помощью управляемого положительного коронного разряда. Ведущий автор исследования — Кармен Герра-Гарсия, доцент кафедры воздухоплавания и космонавтики Массачусетского технологического института сообщает:

«Самое интересное в этом исследовании заключается в том, что, пытаясь продемонстрировать, что электрическим зарядом самолета можно управлять с помощью коронного разряда, мы фактически обнаружили, что классические теории коронного разряда на ветру неприменимы к летательным аппаратам, которые электрически изолированы от окружающей среды.

Электрический пробой, происходящий в самолете, действительно имеет некоторые уникальные особенности, которые не позволяют сделать прямую экстраполяцию из наземных исследований».

Это исследование частично финансировалось компанией Boeing через Программу стратегических университетов для исследований и технологий Boeing.

Источники: Д. Эйдельман, Кармен Герра-Гарсия — кафедра аэронавтики и космонавтики Массачусетского технологического института.