Эльмовы огни — это свечение воздуха, возникающее в результате коронного разряда на остроконечных предметах, находящихся в сильном электрическом поле, обычно во время грозы или вблизи грозового фронта. Явление названо в честь святого Эльма (Святого Эразма), покровителя моряков, поскольку оно часто наблюдалось на мачтах кораблей и вызывало мистический трепет у мореплавателей.
Физически Эльмовы огни обусловлены ионизацией молекул воздуха вблизи проводников, где поле достигает критической напряжённости (примерно 2–3 кВ/см). При этом происходит вынужденная эмиссия электронов с поверхности тела (например, мачты, шпиля, крыла самолёта), что запускает каскад ионизационных процессов, приводящий к коронному разряду. В результате возникает слабое голубовато-белое или фиолетовое свечение.
Свечение Эльмовых огней не связано с молнией напрямую, но часто предшествует её появлению, так как указывает на локальную высокую напряжённость электрического поля. Оно может продолжаться в течение нескольких секунд и не сопровождается сильным звуком или нагревом поверхности.
Для появления Эльмовых огней необходимы следующие условия:
Особенностью Эльмовых огней является их локализованность: свечение всегда сосредоточено вблизи концов проводников и не распространяется в окружающее пространство. Явление не представляет опасности само по себе, но указывает на повышенную вероятность молнии.
Излучение Эльмовых огней обусловлено рекомбинацией и возбуждением молекул азота и кислорода, а также ионизированных атомов. В спектре свечения преобладают линии и полосы в синей, фиолетовой и ультрафиолетовой областях. Это объясняется тем, что энергия ионизации молекул воздуха высока, и при рекомбинации электронов с ионами высвобождается энергия, соответствующая коротковолновому излучению.
Несмотря на визуальную связь, Эльмовы огни и молнии — разные физические процессы:
Коронный разряд может играть роль инициатора молнии, подготавливая ионизационный канал в атмосфере. Однако сам по себе он не представляет той энергетической мощи, что характерна для молнии.
Физически Эльмовы огни представляют собой частный случай коронного разряда — тлеющего электрического разряда, возникающего в газе при высокой напряжённости поля вблизи проводника. В отличие от дугового или искрового разряда, коронный не приводит к термической плазме, а сопровождается слабым свечением.
Коронный разряд используется в технике — например, в системах ионизации воздуха, электрофильтрах, копировальных аппаратах (ксерографии), а также в высоковольтных линиях электропередачи, где он может вызывать потери энергии и акустические шумы (характерное потрескивание ЛЭП во влажную погоду).
Одно из самых загадочных атмосферных явлений — шаровая молния. Это светоизлучающий сгусток, обычно шарообразной формы, диаметром от нескольких сантиметров до полуметра, способный сохраняться в течение нескольких секунд и перемещаться в воздухе. Теорий происхождения шаровой молнии множество, но ни одна не считается полностью подтверждённой. Среди них:
В отличие от Эльмовых огней, шаровая молния может быть опасной, вызывать ожоги, разрушения и даже проникать внутрь помещений.
Так называемые спрайты, эльфы и синие струи — это редкие и малоизученные атмосферные явления, наблюдаемые на высотах от 40 до 100 км в мезосфере и термосфере. Они связаны с грозовой активностью, но возникают выше уровня облаков.
Механизм их образования связан с резкими изменениями электрического поля, индуцированными мощными молниями, и с волнами, распространяющимися в верхних слоях атмосферы. Эти явления не видны с поверхности земли невооружённым глазом и наблюдаются с самолётов, спутников или специальных наземных камер с высокой чувствительностью.
Энергетически насыщенные разряды, включая Эльмовы огни, молнии и другие, вызывают ионизацию и диссоциацию молекул воздуха. Это приводит к образованию таких веществ, как:
Таким образом, электрические явления в атмосфере участвуют в формировании химического состава воздуха и могут влиять на локальные климатические процессы.
На борту самолётов и других высоколетящих аппаратов Эльмовы огни проявляются как свечение на закрылках, антеннах, острых металлических частях. В авиации это называется “коронным свечением”. Оно особенно выражено при пролёте сквозь электрически активные зоны (например, грозовые фронты).
Хотя само свечение безопасно, его появление сигнализирует пилотам о высоком уровне электрической активности в окружающем воздухе. Это требует принятия мер предосторожности, в том числе отклонения от курса во избежание прямого удара молнии.
Эльмовы огни и другие слабоэнергетические проявления электричества в атмосфере служат индикаторами напряжённого состояния грозовой обстановки. Современные научные и инженерные системы могут фиксировать коронные разряды, вспышки, слабые электрические поля, что позволяет:
Используются специализированные электрические сенсоры, высокочувствительные оптические камеры, радиотехнические системы фиксации всплесков электромагнитного излучения и наземные мониторинговые станции.
Наблюдаемость Эльмовых огней зависит от географических и метеорологических условий. Особенно часто они фиксируются:
Сезонность выражена слабо, но в период с мая по сентябрь частота появления возрастает в связи с повышенной грозовой активностью.
Эльмовы огни и сопряжённые с ними явления представляют собой уникальную область взаимодействия электричества и метеорологии. Их изучение не только раскрывает фундаментальные законы физики плазмы и ионизации, но и помогает в решении прикладных задач — от авиационной безопасности до прогноза опасных метеоявлений.