Những người đi biển hoặc phi công lão luyện biết rõ nhất ngọn lửa thánh Elmo vì ánh sáng siêu nhiên của nó bám vào cột buồm của các con tàu và cánh máy bay. Các thủy thủ đã ghi nhận cảnh tượng này trong hàng nghìn năm nhưng chỉ trong thế kỷ rưỡi qua, các nhà khoa học mới tìm hiểu đủ về cấu trúc vật chất để hiểu tại sao hiện tượng này xảy ra. Không phải các vị thần hay thánh nào đốt lên ngọn lửa bí ẩn này mà đó là một trong 5 trạng thái vật chất: plasma.
Các báo cáo về ánh sáng xanh lờ mờ nhấp nháy từ giàn khoan của tàu có từ thời cổ đại khi người Hy Lạp và La Mã giải thích cảnh tượng này là chuyến thăm của cặp song sinh á thần Castor và Pollux. Được coi là vị cứu tinh cho những người đang gặp nguy, sự xuất hiện của cặp song sinh sẽ là dấu hiệu đầy hy vọng cho các thủy thủ vượt qua một cơn bão.
Hiện tượng này sau đó được đặt cho cái tên hiện đại là Thánh Erasmus hoặc gọi tắt là Thánh Elmo. Thánh Elmo nổi tiếng là người bảo trợ cho cho những thủy thủ và người gặp vấn đề về đường ruột. Các thủy thủ đã cầu nguyện ông mỗi khi gặp nạn. Họ tin rằng ánh sáng rực rỡ của ngọn lửa thánh Elmo nhảy múa trên đầu thuyền chính là điềm báo may mắn.
Nguyên nhân gây ra ngọn lửa thánh Elmo
Sự hiểu biết về ngọn lửa Thánh Elmo chỉ có thể xảy ra sau khi nhà hóa học, vật lý người Anh William Crookes tạo ra "vật chất bức xạ" thông qua công trình nghiên cứu với các ông chấn không vào năm 1879. Việc phát hiện ra electron 2 thập kỷ sau đó tiết lộ thế giới cấu tạo từ nhiều hơn các nguyên tử trung hòa. Chính những phát hiện này là cơ sở để khởi động cho lĩnh vực vật lý plasma hoàn toàn mới.
Plasma xảy ra khi năng lượng dư thừa phá vỡ các nguyên tử trong khí trung hòa để tạo ra khí tích điện. Một cách để tạo ra plasma là sử dụng nhiệt. Ví dụ, đun nóng nước đá rắn làm vỡ các tinh thể phân tử thành nước lỏng và nước sôi giải phóng các phân tử nước bay lên dưới dạng hơi khí. Tiếp tục đổ năng lượng vào hơi nước (làm nóng hơn 12.000 độ C), các nguyên tử trong phân tử nước trở nên thô ráp, mất electron và trở thành các ion tích điện. Điểm này đại diện cho sự chuyển đổi từ chất khí, một đám mây mang các hạt trung tính sang một plasma, một đám mây chứa nhiều hạt mang điện.
Điện có thể xé nhỏ các phân tử khí và tạo ra plasma dễ dàng hơn so với nhiệt, đó là lý do dẫn đến ngọn lửa Thánh Elmo. Trong một cơn bão, ma sát tích tụ thêm các electron trong một số phần nhất định của các đám mây, tạo ra điện trường mạnh đến mặt đất. Một điện trường đủ mạnh có thể phá vỡ không khí thành plasma ở bất kỳ đâu. Nhưng trên thực tế, tại các điểm sắc nhọn (chẳng hạn như cột buồm) có xu hướng tập trung điện trường, tách các điện tử khỏi nguyên tử để lại các ion tích điện với số lượng rất cao gần điểm sắc nhọn.
Một khi không khí xung quanh cột buồm đã biến đổi một phần thành plasma, ngọn lửa thánh Elmo sẽ tỏa sáng thông qua quá trình phóng hào quang. Khi điện trường kéo các electron ra xung quanh, chúng đập vào các hạt trung hòa, kích động những hạt này thành trạng thái nhiều năng lượng hơn.
Để nguội đi, các hạt bị kích thích phát ra một photon ánh sáng có năng lượng và màu sắc cụ thể. Đối với nitơ và oxy chiến ưu thế trong bầu khí quyển Trái đất, chùm ánh sáng sẽ có màu lần lượt là xanh lam và tím.
Ngọn lửa của Thánh Elmo không phải là tia chớp
Ngọn lửa của St. Elmo thường xảy ra khi trong điều kiện mưa bão và nó khác biệt với sét. Ánh sáng của tia chớp có màu xanh lam và màu tím vì lý do tương tự, nhưng nó cũng tỏa sáng màu trắng vì nó làm nóng không khí xung quanh.
Anh sáng đầy màu sắc của cực quang cũng bắt nguồn từ các hạt thư giãn nhưng các electron kích thích những hạt này lấy năng lượng từ gió mặt trời, chứ không phải từ các đám mây tích điện. Nhiều người cũng nhầm lẫn ngọn lửa Thánh Elmo với sét hòn (ball lightning) một hiện tượng nóng sáng khác được biết đến trong hàng thiên niên kỷ. Các nhà khoa học vẫn chưa thể hiểu được bản chất của những quả cầu sáng lơ lửng này.
Ngọn lửa Thánh Elmo có nguy hiểm không?
May mắn thay cho những người đi bộ đường dài và thủy thủ, ngọn lửa của Thánh Elmo không bùng cháy hoặc gây ra bất kỳ nguy hiểm tức thời nào ngoài thời tiết giông bão.
Tuy nhiên, các kỹ sư phải tính đến hiện tượng phóng hào quang khi thiết kế thiết bị điện, đặc biệt là đường dây điện. Những trường hợp không mong muốn của ngọn lửa Elmo có thể làm hỏng nguồn điện có giá trị. Để giảm thiểu ảnh hưởng đó, nhiều đường dây điện đường dài có các "vòng hào quang" để ngăn điện trường tập trung tạo ra nhiều plasma.
Trong nhiều trường hợp, các kỹ sư đã tìm ra cách tận dụng ngọn lửa này . Quá trình này liên quan đến việc sản xuất ozone, một chất khử trùng công nghiệp.
Trong khi các nhà nghiên cứu đã làm sáng tỏ hiện tượng và áp dụng nó vào công nghệ hiện đại, thì ánh sáng vô hại nhưng quyến rũ của ngọn lửa Thánh Elmo vẫn có sức mạnh khiến những người ngoài cuộc phải kinh ngạc, giống như nó đã làm trong nhiều thiên niên kỷ.