St. Elmo's vuur is een aanhoudende blauwe gloed die af en toe verschijnt in de buurt van puntige objecten tijdens stormen. De naam is een verkeerde benaming, omdat het elektrische fenomeen meer gemeen heeft met bliksem of het noorderlicht dan met vlam.
Kapiteins van de zee en de lucht kennen het vuur van St. Elmo het beste, aangezien het etherische licht al lang wordt waargenomen en zich vastklampt aan de masten van schepen en meer recentelijk aan de vleugels van vliegtuigen. Zeelieden hebben het spektakel al duizenden jaren opgemerkt, maar pas in de afgelopen anderhalve eeuw hebben wetenschappers genoeg geleerd over de structuur van materie om te begrijpen waarom het fenomeen plaatsvindt. Het zijn niet goden of heiligen die het raadselachtige vuur aanwakkeren, maar een van de vijf materietoestanden: plasma.
Berichten over blauw licht dat flikkerend flikkert vanaf de platforms van schepen dateren uit de oudheid, toen de Grieken en Romeinen de aanblik interpreteerden als bezoeken van de halfgod-tweeling Castor en Pollux. Beschouwd als redders van degenen die in gevaar zijn, zou de verschijning van de tweeling een hoopvol teken zijn geweest voor zeilers die een storm doorstaan.
Het fenomeen kreeg later zijn moderne naam van St. Erasmus, kortweg St. Elmo, die in de derde eeuw leefde. St. Elmo verwierf bekendheid als de patroonheilige van zeelieden en darmklachten, nadat hij naar verluidt was gedood door het van boord gaan. Zeelieden baden tot hem in momenten van nood en bleven de gloed van St. Elmo's vuur dansen en sissen op de uiteinden van hun boten interpreteren als een gunstig voorteken.
Wat veroorzaakt St. Elmo's brand?
Een wetenschappelijk begrip van het vuur van St. Elmo werd pas mogelijk nadat de Britse chemicus en natuurkundige William Crookes in 1879 door zijn werk met vacuümbuizen wat hij "stralende materie" noemde, produceerde. De ontdekking van het elektron kwam twee decennia later en onthulde dat de wereld gemaakt van meer dan neutrale atomen. De ontdekking dat atomen kleinere, geladen deeltjes bevatten, bleek essentieel om te begrijpen waarom de materie van Crookes scheen en lanceerde het geheel nieuwe veld van de plasmafysica.
Plasma treedt op wanneer overtollige energie atomen in een neutraal gas opsplitst om een geladen gas te creëren. Een manier om plasma te maken is met warmte. Het verwarmen van vast ijs breekt bijvoorbeeld moleculaire kristallen in vloeibaar water en door kokend vloeibaar water komen watermoleculen vrij om als gasvormige damp op te stijgen. Ga door met het dumpen van energie in de damp (door het bijvoorbeeld boven 21.000 graden Fahrenheit of 12.000 graden Celsius te verwarmen), en de atomen in de watermoleculen worden ruwer, verliezen hun elektronen en worden geladen ionen. Dit punt vertegenwoordigt de overgang van een gas, een wolk van neutrale deeltjes, naar een plasma, een wolk die veel geladen deeltjes bevat.
Elektriciteit kan gasmoleculen verscheuren en gemakkelijker een plasma maken dan warmte, wat de sleutel is tot het vuur van St. Elmo. Tijdens een storm bouwt wrijving extra elektronen op in bepaalde delen van wolken, waardoor krachtige elektrische velden worden gegenereerd die de grond bereiken. Een sterk genoeg veld kan theoretisch overal lucht in een plasma afbreken, maar in de praktijk hebben scherpe punten (zoals de mast van een schip) de neiging om het veld te concentreren, waarbij elektronen van atomen worden verwijderd om geladen ionen achter te laten in bijzonder hoge aantallen in de buurt van scherpe plaatsen.
Zodra de lucht rond een mast gedeeltelijk is getransformeerd in een plasma, schijnt het vuur van St. Elmo via een proces dat corona-ontlading wordt genoemd. Terwijl het elektrische veld elektronen rondslingert, kloppen ze in neutrale deeltjes en brengen ze die neutrale deeltjes in een meer energetische toestand.
Stel je voor "een of andere bullebak die door het schoolplein gaat en alle kinderen schopt", zegt Kristina Lynch, een plasmafysica aan het Dartmouth College in New Hampshire. 'Ze worden allemaal opgewonden en dan moeten ze ontspannen.' Om af te koelen zenden de aangeslagen deeltjes een foton van licht uit met een bepaalde energie en kleur. Voor stikstof en zuurstof, die domineren in de atmosfeer van de aarde, brandt die lichtuitbarsting respectievelijk blauw en violet.
Het vuur van St. Elmo is geen bliksem
Hoewel het vuur van St. Elmo de neiging heeft onder stormachtige omstandigheden plaats te vinden, is het een ander fenomeen dan bliksem. De gloed van een bliksemschicht bevat om dezelfde reden blauw en paars, maar het glanst ook wit - een mengsel van vele kleuren - terwijl het de lucht eromheen verwarmt.
De kleurrijke lichten van het noorderlicht krijgen hun gloed ook van ontspannende deeltjes, hoewel de elektronen die deze deeltjes opwekken uiteindelijk hun energie uit de zonnewind halen, in plaats van elektrisch geladen wolken. Velen verwarren het vuur van St. Elmo ook met bolbliksem, een ander gloeiend fenomeen dat al millennia bekend is. Hoewel die zwevende sferen van licht slecht begrepen blijven, zijn de twee gebeurtenissen samen gerapporteerd, zoals in het verslag van deze bergbeklimmer uit 1977, gerapporteerd in de Journal of Scientific Exploration:
'Net onder mij was er een vervallen gebouw. Ik kon op elk punt van stalen raamwerk dat uit de ruïnes stak nog steeds tongen van lichtblauwe vlam zien. De vlam was van verschillende afmetingen. Hoe hoger was het punt, hoe groter was een tong van de vlam erop. Nog lager, op een hoogte van 4.000 tot 4.100 m, flitste de bliksem. Oranje ballen ter grootte van een voetbal vlogen door de wind op de achtergrond van zwarte wolken. "
Is St. Elmo's brand gevaarlijk?
Gelukkig voor wandelaars en zeilers brandt het vuur van St. Elmo niet en vormt het geen direct gevaar buiten het mogelijk stormachtige weer zelf.
Ingenieurs moeten echter rekening houden met corona-ontlading bij het ontwerpen van elektrische apparatuur, met name hoogspanningslijnen, omdat ongewenste gevallen van St. Elmo's brand waardevolle elektriciteit kunnen wegnemen. Om dat effect tot een minimum te beperken, hebben veel stroomkabels over lange afstanden ringvormige "corona-ringen" rond puntige gebieden zoals de uiteinden van torens en palen. Deze ringen zorgen ervoor dat het elektrische veld niet voldoende geconcentreerd wordt om veel plasma te produceren.
In andere gevallen hebben ingenieurs manieren gevonden om corona-ontlading in hun voordeel te gebruiken. Het proces is betrokken bij de productie van ozon, een industrieel desinfectiemiddel. Corona-ontlading speelt ook een rol bij het creëren van de geladen oppervlakken die nodig zijn in een fotokopieerapparaat.
Terwijl onderzoekers het fenomeen hebben gedemystificeerd en aan het werk hebben gezet in moderne technologie, heeft de onschadelijke maar boeiende gloed van het vuur van St. Elmo nog steeds de kracht om omstanders te verbazen, net als voor millennia.
