Mikä aiheuttaa Pyhän Elmon tulen

2023 Kirjoittaja: Darleen Leonard | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-07-30 22:26

Tämä ilmiö voi jäljittää nimensä takaisin italiaksi pyhimykseen "Sant 'Ermo" tai "St. Erasmus "noin 300 A.D., varhaisten Välimeren merimiesten suojeluspyhimys. Tämä hehku tavallisesti näkyi alusten mastojen yläpäässä ukkosmurtuman aikana. Yleinen taikausko oli, että jos Pyhä Elmo ilmestyi, se oli hyvä omena ja vastaus merimiehen rukouksiin, sillä väkivaltaiset meriet alkoivat kuolla alas ja pintas tuulet rauhoittua. Jos hän (tulinen hehku) ilmestyy hyvissä sääolosuhteissa, sanottiin, että Pyhän Elmon ohjaava käsi varoitti myrskystä.

Charles Darwin kirjoitti jopa ilmiöstä J.S. Henslow, hän kirjoitti yöstä beagle aikana ukkonen,

Kaikki oli liekissä, taivas salaman kanssa, vesi valoisilla hiukkasilla, ja jopa mastot olivat sinisellä liekillä.

Tieteellisesti tämä ilmiö tunnetaan nimellä "corona discharge" tai "point discharge." Se voi, ja yleensä tapahtuu, tapahtuu johtavien pintojen kärjessä ukkosmyrskyjen aikana. Se näkyy kirkkovihreiden yläosissa, sytytystankkeissa, lentokoneiden potkurien ja siipien kärjessä sekä jopa ruohon ja karjan sarveissa!

Benjamin Franklin oli ensimmäinen enemmän tai vähemmän oikein kuvaamaan ilmiötä ilmakehän sähkönä vuonna 1749. Hän ajatteli "tulen" olevan tapa, jolla kevyet sauvat vetäisivät ukkosen sähkön hitaasti, ennen kuin se rakensi tarpeeksi veloituksen lakkoon.

Korona voi muodostua, kun sähkökentän (tässä tapauksessa ilmakehän ukkosmyrskyn) potentiaali on voimakkaampi kuin minkä tahansa väliaineen sähkövastus (sähkö) kulkevat resistanssin (tässä tapauksessa kohdakkain johtavat sauvat). Tietoisesti tämä tunnetaan Ohmin lain mukaan - sähkövirta on yhtä kuin jännite jaettuna resistanssilla.

Joten miksi tämä tapahtuu ukkosmyrskyjen aikana ja miksi se tapahtuu helpommin terävien metalliosien kanssa?

Sana (tai kaksi tässä tapauksessa): sähköstaattinen tasapaino. Sähköstaattinen tasapaino on luonnollinen tila, jossa varautunut johdin (kuten aluksen maston tapauksessa) on ylimääräinen latausetäisyys itsessään samalla tavalla. Tämä johtuu siitä, että sillä on samanlaiset vastenmieliset voimat, jotka vaikuttavat siihen koko materiaalin ajan. Pohjimmiltaan kaikki materiaalissa läsnä olevat elektronit kulkevat itseään tasaisesti koko, koska ne kaikki torjuvat toisiaan. Tämä on tärkeää huomata, kun kyseessä on teräviä johtimia, kuten laivan masto ja niiden sähkökentät.

Sähkökentillä on aina niiden voima suunnattu kokonaan kohtisuoraan johtimen pinnalle. Litteän johtimen tapauksessa tämä tarkoittaa, että voima kohdistetaan alaspäin. Tästä johtuen teräväpiirteisellä kapellimella on enemmän elektronit, ja siksi sitä enemmänkin, sen kärjessä.

Jos otat kaksi magneettia ja aseta ne tasaiselle alustalle, ne voivat torjua toisiaan tietystä etäisyydestä. Jos taivutat sen kolmiulotteisen tasaisen pinnan, joka tekee keskipisteen kahden magneetin väliin kärki, pystyt liu'uttamaan magneetteja ylös kohti kärkiä ja siten lähemmäksi toisiaan, jos pinta on tasainen. Tämä johtuu siitä, että vastusvoima levitetään poispäin pinnasta eikä vastakkaisesta magneettista. Taivutetut pinnat sisäpuolelta toimivat eräänlaisena eristeenä, eivätkä anna voiman virrata sen läpi vaikuttavan magneetin toisella puolella. Tuloksena on enemmän lataus sähköstaattisen johtimen kaarevalla pinnalla. Mitä vaikeampi on piste, sitä selvempi tulos.

Tiedän, mitä ajattelet. Miksi elektronien pyöriminen johtajan sisäpuolen atomien ympärillä ei aiheuttaisi elektronien leviämistä entisestään ja näin ollen ei mahdollista elektronien kertymistä kaarevalle pinnalle?

Vastaus on toinen todellinen sähköstaattinen tasapaino. Hämmästyttävä asia johtajan latauksesta on se, että koko varaus on olemassa vain materiaalin pinnalla eikä sen sisällä. Sähkökenttäviivat ulottuvat vain pinnasta eikä sisäänpäin. Jos pinnassa olisi ollut voima, niin elektronien pitää silti liikkua vastauksena tähän voimaan ja siten olla tasapainossa. Koska ne ovat jo tasapainossa, tulos on koko pinnalla oleva varaus. Se on tämä ilmiö, joka sallii tiedemiehet kaikkialla pysymään vahingoittumattomina metallikammion sisällä (Faradayn häkki) samalla, kun heitetään ruuveja miljoonien volttujen ympärillä.

Joten nyt, kun tiedämme, että johtavat materiaalit aiheuttavat ylimääräisen varauksen niiden kaarevilla pinnoilla, puhutaan siitä, miksi ukkosmyrskyt aiheuttavat St. Elmon tulta.

Kuten edellä mainittiin, johtimilla on erityisiä sähkökenttiä. Kaasuilla voi olla myös sähkökenttää. Tässä tapauksessa kaasu on hengitysilma. Kun ilmapiiri on rauhallinen, hyvien sääolosuhteiden aikana sen sähkökentän voimakkuus on noin 1 voltti senttimetriä kohti (riippuen siitä, millainen ilma on olemassa).Kun ukonilma alkaa muodostua, sähkökentän voimakkuus alkaa kasvaa ja jatkuu niin, kunnes se saavuttaa noin 10 tuhatta volttia senttimetriä kohti. Siitä vaiheessa saat lieventävän lakko. Se on siinä ikkunassa, jossa kasvanut kentänvoimakkuus ylittää normaalin ja ennen kevyyttä lakkoa, että saatat nähdä St. Elmon tulen.

Joten nyt annamme sen, mitä me tiedämme sähköstaattisesta tasapainosta ja mitä tiedämme ukkosmyrskyjen kasvavista sähkökentistä ja puhumme siitä, miksi ne aiheuttavat koronaa.

Pilvet, tässä tapauksessa kumulonimbus-pilvet, ovat yleensä ylimäärät positiivista maksua yläosissa ja negatiiviset varaukset alareunassa. Vaikka tiedemiehet vieläkin väittelevät tarkkaan, miksi tämä on, yleisin poikkeus teoria on, että se on kahden prosessin tulos.

Ensimmäinen on se, että pilvet sisältävät lukemattomia määriä ripustettuja vesipisaroita ja jäätä. Pohjaveden höyrystyessä on pilvi, elektronit pakotetaan poispäin positiivisesti varautuvasta nousevasta pisarasta jättäen negatiivisen varauksen pilven pohjaan.

Toinen mekanismi liittyy jäähän. Höyrystysvesi nousee voi jäädyttää korkeammilla korkeuksilla. Jäkälö on taipuvainen negatiivisesti varautumaan sen keskustaan. Kun jäätä pyörii pilven ympärillä, ulommat, positiivisemmin varautuneet osat jäävät ylhäältä ja jäätyneet osuudet, jotka ovat negatiivisempia, syövät kohti pohjaa. Näiden kahden prosessin tulos jättää negatiivisen varauksen kohti pohjaa. Tämä pätee St. Elmon tulessa, koska tämä lisääntyvä negatiivinen lataus vaikuttaa maapallon pintaan.

Normaalisti pilvi ympäröi riittävästi eristäjää pitääkseen Zeuksen ja hänen keventämisruuveensa. Thunderstormsin tapauksessa, kun pilven määrä kasvaa, sen kentänvoimakkuus kasvaa. Tämä voi ionisoida ympäröivän ilman, mikä tekee siitä johtavan. Kun pilven pohjalta olevat ylimääräiset elektronit alkavat kutoa tiensä alaspäin jatkuvasti johtavan ilman kautta, se pakottaa elektroneja maan pinnalle (tai mikä tahansa maapallon, kuten rakennuksen tai aluksen maston). Tuloksena on positiivisen maksun kasvava kasvu maan koholla oleviin osiin, kuten valssausauva.

Sähköstaattisen tasapainon käyttämistä edeltäjäksi voimme nähdä, että esineen, jolla on terävä kärki, olisi positiivisen varauksen suhteellisen korkeampi pitoisuus kuin objekti, jolla ei ole terävä kärki. Loppujen lopuksi positiivisesti varautunut kärki reagoi lisääntyneeseen negatiivisesti varautuneeseen ilmakehään ja sähkövirta syntyy.

Normaalisti tämä prosessi olisi näkymätön. Koronien (ei, ei oluen) tapauksessa, kun sähkökentän potentiaali on riittävän voimakas (kuten aluksen maston yläosassa), elektronit voivat irrottaa molekyyleistä. Jos tämä elektroni voi saada tarpeeksi energiaa estääkseen läheisen molekyylin ottamisen (kuten esimerkiksi myrskypilven ja ympäröivän ilman kasvavan tai laskevan sähkökentän voimakkuuden vuoksi), tuloksena ovat vapaat elektronit, positiivisesti varautuneet ioniklusterit (at aluksen maston pinta) ja ympäröivä ilma, jotka kaikki törmäävät toisiinsa plasmassa tunnetulla tavalla. Plasma fluoresoidaan valolla, joka antaa elämästä St. Elmo ja hänen "tulensa"!

Plasman hehkun väri riippuu läsnäolevan kaasun tyypistä. Koska ilma koostuu pääosin typestä ja hapesta, se hehkuu sinistä / violettiin.

Loppujen lopuksi St. Elmo ja hänen hämmästyttävä sininen / violetti tulta ovat pelkästään johdon sähköstaattisen tasapainon seurausta, jota uhkaavat ukkospilven luomat sähkökenttäpotentiaalit. Tai kuten Ben Franklin sanoi "ilmakehän sähköä."