ما الذي يسبب سانت إلمو النار

2024 مؤلف: Sherilyn Boyd | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-16 09:38

يمكن لهذه الظاهرة أن ترجع اسمها إلى قديس إيطالي "سانت إيرمو" أو "سانت إيراسموس "حوالي 300 أ. د. ، شفيع البحارة المتوسطيين الأوائل. يميل هذا التوهج إلى الظهور على قمم صواري السفن أثناء مراحل التبديد لعاصفة رعدية. ذهبت الخرافة العامة إلى أنه لو ظهرت سانت إلمو ، فقد كان فأل خير وإجابة على صلوات البحارة ، حيث ستبدأ البحار العنيفة بالانهيار وتهدأ الرياح السطحية. في حالة ظهور (التوهج الناري) في أوقات الطقس الجيد ، قيل إن اليد الممدودة لسانت إلمو كانت تحذر من حدوث عاصفة.

كتب تشارلز داروين حتى عن هذه الظاهرة في خطاب إلى J.S. هنسلو ، كتب عن ليلة قضتها في كلب صيد خلال عاصفة رعدية ،

كان كل شيء في النيران ، والسماء مع البرق ، والماء مع جزيئات مضيئة ، وحتى الصواري نفسها تم توجيهها بلهب أزرق.

علمياً ، تُعرف هذه الظاهرة باسم "تفريغ الإكليل" أو "تفريغ النقطة". ويمكن أن يحدث هذا ، وعادةً ، في طرف أي سطح موصل أثناء العواصف الرعدية. ويمكن رؤيتها على قمم أبراج الكنائس وقضبان الصواعق ونصائح مراوح الطائرات والأجنحة وحتى شفرات العشب وقرون الأبقار!

كان بنجامين فرانكلين أول من وصف هذه الظاهرة كغلاف جوي في عام 1749 بشكل أو بآخر بشكل صحيح. واعتقد أن "النار" كانت طريقة لتضييق قضبان "الكهرباء" ببطء قبل أن تبني ما يكفي من الشحن لتكوين إضراب.

يمكن أن يتشكل الإكليل عندما تكون قدرة المجال الكهربائي (في هذه الحالة الغلاف الجوي أثناء عاصفة رعدية) أقوى من المقاومة (في هذه الحالة قضبان التوصيل المدببة) لأي وسيط تتدفق فيه الكهرباء (الإلكترونات). علمياً ، يُعرف هذا باسم التيار الكهربي للكهرباء في أوم يساوي الجهد مقسوماً على المقاومة.

فلماذا يحدث هذا أثناء العواصف الرعدية ، ولماذا يحدث بسهولة أكبر باستخدام أجسام معدنية مدببة؟

في كلمة (أو اثنين في هذه الحالة): التوازن الكهربائي. التوازن الكهروستاتيكي هو حالة طبيعية يكون فيها موصل مشحون (كما هو الحال في سارية السفينة) له مسافة شحن زائدة بنفسه طوال الوقت. وذلك لأن لها قوى طاردة متساوية تعمل عليها في جميع أنحاء المادة. بشكل أساسي ، سوف تنأى كل الإلكترونات الموجودة في المادة عن نفسها بالتساوي في جميع أنحاء ، لأنها تتنافر جميعًا. من المهم ملاحظة أنه عندما يتعلق الأمر بالموصلات الموجهة ، مثل سارية السفينة ، ومجالاتها الكهربائية.

سوف تكون القوى الكهربائية دائمًا موجهة إلى قوتها بشكل متعامد تمامًا على سطح الموصل. في حالة الموصل المسطح ، هذا يعني أنه يتم تطبيق القوة إلى أسفل. السبب في ذلك هو أن الموصل المدبّب سيحصل على المزيد من الإلكترونات ، وبالتالي سيكون أكثر شحنًا ، عند طرفه.

إذا كنت تأخذ اثنين من المغناطيسات ووضعها على سطح مستوي ، فإنها يمكن أن تتنافر على مسافة معينة. إذا كنت تنحني سطحًا ثلاثي الأبعاد مسطحًا مما يجعل النقطة المركزية بين مغناطيسية الطرف ، فستتمكن من تحريك المغناطيسات نحو الطرف ، وبالتالي تكون أقرب إذا كان السطح مسطحًا. وذلك لأن قوة الطرد توضع بعيداً عن السطح وليس في المغناطيس المقابل. تعمل الأسطح العازمة الداخلية كعازل من الأنواع ، ولا تسمح للقوة بالتدفق خلالها مما يؤثر على المغناطيس الموجود على الجانب الآخر. والنتيجة هي مزيد من الشحن على أي سطح منحني للموصل في التوازن الكهربائي. كلما كانت النقطة أكثر وضوحا ، كلما كانت النتيجة أكثر وضوحا.

أنا أعرف ما كنت أفكر. لماذا لا تتسبب الإلكترونات التي تدور حول ذرات داخل الموصل في أن تنتشر الإلكترونات أكثر وبالتالي لا تسمح بتراكم الإلكترونات على السطح المنحني؟

الجواب هو حقيقة بديهية أخرى تنطوي على التوازن الكهروستاتيكي. الشيء المذهل في شحن الموصل هو أن الشحنة الكاملة موجودة فقط على سطح المادة وليس داخلها. خطوط الحقل الكهربائي سوف تمتد فقط من السطح وليس من الداخل. إذا كانت هناك قوة موجودة داخل السطح ، فعندئذ سيكون على الإلكترونات أن تستمر في التحرك استجابة لتلك القوة وبالتالي لا تكون في حالة توازن. وبما أنهم بالفعل في حالة توازن ، فإن النتيجة هي كل الشحنة الموجودة على السطح. إنها هذه الظاهرة التي تسمح للعلماء المهرة في كل مكان بالوقوف دون أن يصابوا بأذى داخل قفص معدني (قفص فاراداي) في حين يضيء البراغي مع ملايين من الشقوق حولهم.

والآن بعد أن أصبح لدينا مواد موصلة تحمل شحنًا زائدًا على الأسطح المنحنية ، فلنتحدث عن سبب تسبب العواصف الرعدية في اندلاع حريق سانت إلمو.

كما ذكرنا من قبل ، الموصلات لها حقول كهربائية محددة. يمكن أن تحتوي الغازات أيضًا على حقول كهربائية. في هذه الحالة ، الغاز هو الهواء الذي نتنفسه. عندما يكون الجو هادئًا ، وأثناء الطقس الجيد ، تبلغ شدة مجاله الكهربائي حوالي 1 فولت لكل سنتيمتر (اعتمادًا على التركيبة الدقيقة للهواء الحالي).عندما تبدأ عاصفة رعدية في التكون ، تبدأ شدة المجال الكهربائي في الزيادة وستستمر في فعل ذلك حتى تصل إلى حوالي 10 آلاف فولت في السنتيمتر. حول تلك النقطة ، سوف تحصل على إضراب البرق. إنه في هذه النافذة من شدة المجال المتزايدة فوق المعدل الطبيعي وقبل ضربة البرق التي قد ترى نيران St. Elmo.

لذا دعونا الآن نضع ما نعرفه عن التوازن الكهروستاتيكي وما نعرفه عن المجالات الكهربائية المتزايدة للعواصف الرعدية ونتحدث عن سبب تسببها في الكورونا.

الغيوم ، في هذه الحالة سحابة السحب التراكمي ، تميل إلى أن تحتوي على كميات زائدة من الشحنة الموجبة عند القمم والشحنة السالبة في القاع. في حين أن العلماء لا يزالون يتجادلون حول الطبيعة الدقيقة لسبب هذا ، فإن النظرية الأكثر إستثناءًا هي أنها نتيجة عمليتين.

الأول هو أن الغيوم تحتوي على أعداد لا حصر لها من قطرات الماء المعلقة والجليد تدور حول. عندما يصل تبخير المياه الجوفية إلى السحابة ، يتم إجبار الإلكترونات بعيدًا عن القطرة الصاعدة المشحونة إيجابًا تاركة شحنة سالبة في قاع السحابة.

الآلية الثانية المعنية تتعلق بالجليد. ومع ارتفاع مياه التبخير ، يمكن أن يتجمد عند الارتفاعات العالية. ستميل الكتلة الجليدية إلى أن تصبح مشحونة سلبًا نحو مركزها. بينما يدور الجليد حول السحابة ، تُترك الأجزاء الخارجية ذات الشحنة الأكثر إيجابية نحو الأعلى ، والأجزاء المتجمعة التي تكون أكثر سالبة الشحنة ستغرق نحو الأسفل. تترك نتيجة هاتين العمليتين شحنة سالبة متزايدة باتجاه القاع. وهذا أمر مهم في حالة حريق سانت إلمو بسبب تأثير هذه الشحنة السالبة المتزايدة على سطح الأرض.

عادة ما يكون الهواء حول السحابة كافياً لعزل لإبقاء زيوس ومساميرها البرقية في مكانها. في حالة الرعد الغضروفي ، مع زيادة الشحنة من السحابة ، تزداد أيضًا شدة مجالها. هذا يمكن أن يؤين الهواء من حوله مما يجعله أكثر توصلا. عندما تبدأ الإلكترونات الزائدة من أسفل السحابة في نسج طريقها عبر الهواء موصل باستمرار ، فإنها تجبر الإلكترونات على سطح الأرض (أو أي شيء يعلق على الأرض ، مثل مبنى أو سارية سفينة) بعيدا. والنتيجة هي زيادة متزايدة لشحنة موجبة على أجزاء مرتفعة من الأرض ، مثل قضبان البرق.

باستخدام توازن كهرومستاتيكي كسلفة ، يمكننا أن نرى أن الجسم ذي الطرف المدبب سيكون له تركيز أعلى نسبياً للشحنة الموجبة من الجسم الذي ليس له طرف مدبب. في النهاية ، يتفاعل الطرف المشحونة إيجابيا مع زيادة الأجواء المشحونة سلبيا ويتم إنتاج التيار الكهربائي.

عادة هذه العملية ستكون غير مرئية. في حالة الكورونا (لا ، وليس الجعة) ، عندما تكون إمكانات المجال الكهربائي قوية بما فيه الكفاية (كما هو الحال في الجزء العلوي من سارية السفينة) ، يمكن أن تمزق الإلكترونات من جزيئاتها. إذا استطاع هذا الإلكترون أن يكتسب طاقة كافية لتجنب الالتقاط من قبل جزيء قريب (مثل من زيادة أو نقصان شدة المجال الكهربائي لسحابة العاصفة والهواء المحيط به) ، فإن النتيجة هي الإلكترونات الحرة ، ومجموعات الأيون المشحونة إيجابيا (في سطح سارية السفينة) والهواء المحيط بها ، وكلها تصطدم ببعضها البعض في شكل مادة تعرف بالبلازما. سوف تتألق البلازما مع الضوء مما يعطي الحياة لسانت إلمو و "النار"!

يعتمد لون توهج البلازما على نوع الغاز الموجود. بما أن هواءنا يتكون أساسا من النيتروجين والأكسجين ، فسوف يتوهج اللون الأزرق / البنفسجي.

في النهاية ، فإن St. Elmo ونارته الزرقاء / البنفسجية المذهلة هي مجرد نتيجة للتوازن الكهروستاتيكي للموصل الذي يتأثر بالإمكانيات الكهربية المتزايدة للحقل الناتجة عن الرعد. أو كما قال بن فرانكلين "الكهرباء في الغلاف الجوي".