Ngọn lửa của St. Elmo là một ánh sáng màu xanh lam dai dẳng, thỉnh thoảng xuất hiện gần các vật nhọn trong cơn bão. Tên này là một cái gì đó sai lầm, vì hiện tượng điện có nhiều điểm chung với sét hoặc đèn phía bắc hơn là với ngọn lửa.
Thuyền trưởng của biển và bầu trời biết rõ nhất về lửa của St. Elmo, vì ánh sáng thanh tao từ lâu đã được nhìn thấy bám vào cột buồm của tàu và gần đây là cánh máy bay. Mariners đã ghi nhận cảnh tượng trong hàng ngàn năm, nhưng chỉ trong thế kỷ rưỡi qua, các nhà khoa học đã biết đủ về cấu trúc của vật chất để hiểu tại sao hiện tượng này xảy ra. Đó không phải là các vị thần hay các vị thánh châm ngòi cho ngọn lửa bí ẩn, mà là một trong năm trạng thái của vật chất: plasma.
Các báo cáo về ánh sáng màu xanh lờ mờ từ các giàn tàu bắt nguồn từ thời cổ đại, khi người Hy Lạp và La Mã giải thích cảnh tượng này như những chuyến viếng thăm của cặp song sinh demorod Castor và Pollux. Được coi là cứu tinh của những người gặp nguy hiểm, sự xuất hiện của cặp song sinh sẽ trở thành một dấu hiệu đầy hy vọng cho các thủy thủ vượt qua một cơn bão.
Hiện tượng này sau đó có tên hiện đại từ St. Erasmus, hay gọi tắt là St. Elmo, người sống ở thế kỷ thứ ba. Thánh Elmo đã trở nên nổi tiếng với tư cách là vị thánh bảo trợ của các thủy thủ và người mắc bệnh đường ruột, sau khi ông được báo cáo là đã bị giết bởi sự thất sủng. Các thủy thủ đã cầu nguyện cho anh ta trong những giây phút đau khổ và tiếp tục diễn giải ánh sáng của ngọn lửa nhảy múa của Thánh Elmo và rít lên trên đầu những chiếc thuyền của họ như một điềm báo thuận lợi.
Điều gì gây ra vụ cháy St. Elmo?
Một sự hiểu biết khoa học về lửa của El Elmo chỉ có thể xảy ra sau khi nhà hóa học và vật lý học người Anh William Crookes tạo ra thứ mà ông gọi là "vật chất bức xạ" thông qua công việc của mình với các ống chân không vào năm 1879. Phát hiện ra electron sau hai thập kỷ, tiết lộ rằng thế giới là được làm bằng nhiều hơn các nguyên tử trung tính. Phát hiện ra rằng các nguyên tử chứa các hạt tích điện nhỏ hơn tỏ ra rất cần thiết để hiểu tại sao vật chất của Crookes tỏa sáng, khởi động toàn bộ lĩnh vực vật lý plasma mới.
Plasma xảy ra khi năng lượng dư thừa phá vỡ các nguyên tử trong khí trung tính để tạo ra khí tích điện. Một cách để tạo plasma là nhiệt. Ví dụ, đun nóng băng rắn phá vỡ các tinh thể phân tử thành nước lỏng và nước sôi sôi giải phóng các phân tử nước tăng lên dưới dạng hơi khí. Tiếp tục đổ năng lượng vào hơi (bằng cách đốt nóng 21.000 độ F, hoặc 12.000 độ C, chẳng hạn), và các nguyên tử trong phân tử nước bị xù xì, mất electron và trở thành ion tích điện. Điểm này thể hiện sự chuyển đổi từ một chất khí, một đám mây của các hạt trung tính, sang một plasma, một đám mây chứa nhiều hạt tích điện.
Điện có thể xé các phân tử khí và tạo ra plasma dễ dàng hơn nhiệt, đó là chìa khóa cho ngọn lửa của St. Elmo. Trong một cơn bão, ma sát sẽ tích tụ thêm các electron trong một số phần nhất định của các đám mây, tạo ra các điện trường mạnh mẽ chạm tới mặt đất. Về mặt lý thuyết, một trường đủ mạnh có thể phá vỡ không khí thành plasma, nhưng trên thực tế, các điểm sắc nhọn (như cột buồm của tàu) có xu hướng tập trung trường, tước các electron từ các nguyên tử để lại phía sau các ion tích điện với số lượng rất cao gần sắc nơi.
Khi không khí xung quanh cột buồm đã biến đổi một phần thành plasma, lửa của El Elmo tỏa sáng thông qua một quá trình gọi là phóng điện corona. Khi điện trường kéo các electron xung quanh, chúng gõ vào các hạt trung tính và khuấy các hạt trung tính đó thành trạng thái năng lượng hơn.
Hãy tưởng tượng "một số kẻ bắt nạt đi qua sân trường đá tất cả những đứa trẻ," Kristina Lynch, một nhà vật lý plasma tại Đại học Dartmouth ở New Hampshire nói. "Họ rất phấn khích, và sau đó họ phải thư giãn." Để hạ nhiệt, các hạt kích thích phát ra một photon ánh sáng với năng lượng và màu sắc đặc biệt. Đối với nitơ và oxy, chiếm ưu thế trong bầu khí quyển của Trái đất, luồng ánh sáng đó sẽ đốt cháy màu xanh lam và tím tương ứng.
Lửa của Elmo không phải là sét
Trong khi lửa của St. Elmo có xu hướng diễn ra trong điều kiện bão, thì đó là một hiện tượng khác biệt với sét. Ánh sáng của tia sét chứa màu xanh lam và tím vì cùng một lý do, nhưng nó cũng tỏa sáng màu trắng - hỗn hợp của nhiều màu sắc - vì nó làm nóng không khí xung quanh nó.
Ánh sáng đầy màu sắc của cực quang cũng phát sáng từ các hạt thư giãn, mặc dù các electron kích thích các hạt này cuối cùng cũng lấy năng lượng từ gió mặt trời, thay vì các đám mây tích điện. Nhiều người cũng nhầm lẫn lửa của St. Elmo với bóng sét, một hiện tượng nóng sáng khác được biết đến qua hàng thiên niên kỷ. Trong khi những quả cầu lơ lửng đó vẫn chưa được hiểu rõ, hai sự kiện đã được báo cáo cùng nhau, như trong tài khoản của người leo núi này từ năm 1977, được báo cáo trong Tạp chí Khám phá Khoa học:
"Ngay dưới tôi, có một tòa nhà đổ nát. Tôi có thể thấy những ngọn lửa màu xanh nhạt trên mọi điểm của khung thép nhô ra từ đống đổ nát. Ngọn lửa có nhiều kích cỡ. Điểm cao hơn, lớn hơn là Lưỡi lửa trên nó. Vẫn thấp hơn, ở độ cao 4.000 đến 4.100 m, sét đang lóe lên. Những quả bóng màu cam có kích thước của một quả bóng đá đang bay theo gió trên nền mây đen. "
Lửa St. Elmo có nguy hiểm không?
May mắn thay cho những người đi bộ đường dài và thủy thủ, lửa của St. Elmo không đốt cháy hoặc gây ra bất kỳ nguy hiểm tức thời nào ngoài thời tiết có khả năng gây bão.
Tuy nhiên, các kỹ sư phải tính đến việc phóng điện corona khi thiết kế các thiết bị điện, đặc biệt là các đường dây điện, vì các trường hợp không mong muốn của lửa St. Elmo có thể tạo ra điện có giá trị. Để giảm thiểu hiệu ứng đó, nhiều đường dây điện đường dài có các "vòng corona" giống như vòng quanh các khu vực nhọn như đầu tháp và cột điện. Những vòng này giữ cho điện trường không tập trung đủ để tạo ra nhiều plasma.
Trong các trường hợp khác, các kỹ sư đã tìm ra cách sử dụng phóng điện corona để lợi thế của họ. Quá trình này liên quan đến việc sản xuất ozone, một chất khử trùng công nghiệp. Xả hào quang cũng đóng một vai trò trong việc tạo ra các bề mặt tích điện cần thiết bên trong máy photocopy.
Trong khi các nhà nghiên cứu đã làm sáng tỏ hiện tượng này và đưa nó vào hoạt động trong công nghệ hiện đại, ánh sáng vô hại nhưng quyến rũ của ngọn lửa St. Elmo vẫn có sức mạnh làm kinh ngạc những người ngoài cuộc, giống như nó đã giảm đi.
