Вогні Святого Ельма: історія містичного феномену та його наукове пояснення

Вогні Святого Ельма – це загадкові сяючі вогники, які з’являються на кінцях корабельних щогл, шпилях церков або інших загострених об’єктах під час бурі. Протягом століть моряки спостерігали це примарне блакитне полум’я з благоговінням, вважаючи його добрим знаменням і ознакою небесного захисту[1]. Явище назване на честь Святого Ельма (мученика Святого Еразма Формійського, †304), покровителя моряків, які сприймали загадкове світіння як видимий знак його опіки. Історично воно символізувало для мореплавців удачу, адже часто з’являлося наприкінці шторму, віщуючи його скоре завершення[1].

В різних культурах вогні отримували інші назви: античні греки при появі одного вогника називали його Helene («факел»), а якщо світінь було дві – ототожнювали їх із міфічними близнюками Кастором і Поллуксом, вважаючи такими ж покровителями мореплавців[2]. У середньовіччі явище пов’язували з християнськими святими – так, англійські моряки називали ці вогники “corposant” (від італ. corpo santo, «святе тіло»)[2]. Під час облоги Константинополя 1453 року хроністи зафіксували загадкове світіння на вершечках міських будівель – візантійці тлумачили його як божественне знамення захисту міста.

У добу Великих географічних відкриттів Вогні Святого Ельма не раз згадуються в корабельних журналах. Знаменитий іспанський експедиційний флот Фернана Магеллана (1519–1522) кілька разів спостерігав таємниче світіння під час жорстоких штормів. Очевидець Антоніо Пігафетта описував, як «в найтемнішу ніч у розпалі бурі на топ-щоглі з’явилося світло, подібне до палаючого факела, і горіло понад дві з половиною години на втіху всій команді»[3]. Суеверні моряки вірили, що «корабель, на який зійшов цей вогонь, ніколи не загине», і справді, щойно світіння згасло – море заспокоїлося, буря вщухла[3].

Історичний контекст: морські легенди та наукові інтерпретації про вогні Святого Ельма

Явище Вогнів Святого Ельма здавна оповите легендами, проте поступово отримало і раціональне пояснення. У морській традиції його пов’язували з надприродним захистом: згідно з повір’ями, якщо під час грози щогли корабля починали світитися блакитним вогнем, це означало присутність святого-покровителя, що оберігає судно. Моряки описували це як “свічки на щоглах” або “вогняні язики”, що мерехтять на реях та щоглах і часто супроводжуються тихим шипінням чи потріскуванням[2]. Античний учений Пліній Старший згадував подібні вогні в «Природничій історії», зазначаючи, що два одночасні світіння моряки називали іменами богів-близнюків Кастора і Поллукса та благали в них захисту[2]. У валлійському фольклорі ці вогники іменували «свічками Святого Давида» або «вогнями Святого Духа», а російські помори знали явище як «вогні Святого Миколая» або «вогні Святого Петра» – залежно від того, кому приписували небесну опіку над кораблем.

Вогні Святого Ельма. Зображення: Суспільне надбання (Public Domain), https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=92309

Середньовічні алхіміки та природознавці також намагалися пояснити природу феномену. Наприклад, Парацельс відносив його до стихії вогню, вважаючи проявом вогняного духа-саламандри – елементаля, що нібито мешкає у вогні. Однак справжній науковий інтерес до Вогнів Святого Ельма пробудився в епоху Просвітництва з розвитком електрики як науки. Бенджамін Франклін у 1751 році висунув гіпотезу, що загострений залізний прут, встановлений на даху під час грози, світитиметься на кінчику подібно до Вогнів Святого Ельма[4]. Ця смілива здогадка фактично передбачила принцип громовідводу: Франклін припустив, що металеве вістря здатне накопичувати «електричний вогонь» і тихо розсіювати його в повітря, тим самим відводячи удар блискавки від будівлі. В наступні роки досліди Франкліна та інших піонерів електрики (Г. Ріхман, М. Ломоносов та ін.) підтвердили електричну природу атмосферних явищ. Так легендарні «вогні святого» отримали наукове тлумачення: вони виявились проявом електричного розряду, а не чудесами чи божественними знаменнями.

Портрет Бенджаміна Франкліна. Автор: Alonzo Chappel. Суспільне надбання (Public Domain), https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=40103403

Проте навіть у ХХ столітті Вогні Святого Ельма не втрачали містичного ореолу та продовжували дивувати очевидців – тепер уже льотчиків. Пілоти часів Другої світової війни не раз спостерігали, як навколо літака танцюють примарні розряди. Приміром, 9 серпня 1945 року екіпаж американського бомбардувальника B-29 «Bockscar» (що ніс ядерну бомбу на Нагасакі) бачив навколо обертових гвинтів літака яскраве електричне світіння. Льотчики описували цей ефект образно: ніби їхній літак мчав крізь буремне небо на «колісниці, зробленій із синього вогню»[5]. Подібні явища спостерігалися й під час сильних гроз на суші – відомі випадки, коли яскраві розряди з’являлись на кінчиках обертів вітряків або шпилях будівель. З розвитком авіації явище стало звичним і для пілотів: електричні розряди могли пробігати по крилах та носах літаків, особливо при польоті в грозових хмарах або в умовах сухої снігової хуртовини на великих висотах.

В наш час літаки оснащуються спеціальними статичними розрядниками – маленькими струмопровідними «віничками» на задніх кромках крил, що слугують для безпечного скидання електричного заряду в атмосферу. Ці пристрої дозволяють мінімізувати виникнення ефекту Святого Ельма на літаках[1]. Наявність світіння сама по собі не шкодить літаку чи кораблю, але свідчить про надзвичайно сильне електричне поле в атмосфері. У таких умовах існує високий ризик удару блискавки. Недарма в посібниках для моряків зазначено: якщо щогли почали світитися неземним вогнем, слід негайно шукати укриття, адже блискавка може вдарити протягом кількох хвилин після появи Вогнів Святого Ельма[6].

Фізичні аспекти явища: електричне поле, коронний розряд та плазма

Сучасна наука класифікує Вогні Святого Ельма як різновид коронного розряду – безіскрового електричного розряду в газі, що виникає при сильному електричному полі біля загострених електродів. Фактично це та сама електрична “щітка” або “кільцева корона, яку можна спостерігати в лабораторії на вістрі зарядженого провідника. При достатньо великій напруженості поля повітря навколо об’єкта іонізується – молекули азоту N₂ та кисню O₂ розщеплюються на заряджені частинки (іони та електрони), утворюючи слабко-світне плазмове серпанкове сяйво[5]. У нічній імлі це світіння добре помітне як блакитно-фіолетова аура навколо кінців щогл, флагштоків, антен, крил літаків і навіть рогів тварин або пальців людини, якщо ті опинились у сильному електричному полі грози[2]. Залежно від інтенсивності розряду, вогники можуть мерехтіти окремими язичками або утворювати суцільне пензликоподібне сяйво.

Часто супроводжується характерним шипінням чи потріскуванням – звук виникає від йонного вітру та дрібних електричних вибухів, коли іонізоване повітря розширюється і стискається пульсуючи з розрядом [2][1].

Для виникнення такого розряду необхідна екстремально висока напруженість електричного поля. Перед грозою між нижньою частиною грозової хмари і земною поверхнею створюється електричний потенціал у десятки мільйонів вольт. Локальне поле біля загостреного об’єкта (щогли, шпиля тощо) може досягати критичного значення Eₖᵣ ≈ 3×10⁶ В/м (близько 30 кВ/см), при якому відбувається лавинна іонізація повітря і пробій його діелектричної міцності[5]. Повітря переходить у стан плазми – суміші електронів і позитивних іонів, що проводить електричний струм і при рекомбінації часток випромінює світло.

Через це явище іноді плутають з іншим рідкісним електричним феноменом – кульовою блискавкою. Однак кульова блискавка відрізняється тим, що існує у вигляді вільно літаючої світної кулі, не торкаючись об’єктів, тоді як Вогні Святого Ельма завжди прив’язані до твердого предмета і локалізуються навколо вістря або краю[5]. Крім того, кульова блискавка має інші фізичні властивості і досі до кінця не пояснена наукою, тоді як феномен Святого Ельма добре відтворюється експериментально. Ще в XVIII столітті дослідники навчились моделювати його в лабораторії: достатньо наелектризувати генератором гострий шпиль, і в затемненій кімнаті буде видно слабке фіолетове свічення на кінчику – точнісінько як описували моряки на щоглах своїх кораблів. Бенджамін Франклін, проводячи досліди з електричними машинами, спостерігав “щіткоподібні вогники” на гострих електродах і тим самим довів спорідненість цих розрядів із природними блискавичними явищами[4].

Важливо розуміти, що самі по собі Вогні Святого Ельма мають невелику енергію. Струм у коронному розряді мізерний, тому світіння ледве помітне і не спричиняє загоряння об’єкта. Однак їх поява сигналізує про екстремальну електризацію атмосфери навколо. Напруженість поля під грозовою хмарою, достатня для запуску корони, означає, що будь-якої миті може пробитися і канал блискавки. Тому традиційно вважали, що Вогні Святого Ельма “попереджають” про близьку блискавку – науково це підтверджується тим, що коронні розряди часто передують удару блискавки або супроводжують її. З цієї ж причини корабель, що світиться примарним вогнем, перебуває в небезпеці: він фактично знаходиться в епіцентрі електричного поля і може стати мішенню для блискавки, якщо та знайде шлях до землі через корпус судна.

Світіння Вогнів Святого Ельма, що виникає на лобовому склі кабіни літака (вид зсередини кокпіту), під час польоту крізь грозову хмару. Електричне поле навколо літака іонізує повітря, утворюючи яскраві розряди, помітні у темряві. Зображення:oceanservice.noaa.gov.

Наукове пояснення феномену дозволило навіть використовувати його на практиці. Коронний розряд подібного типу знайшов застосування, наприклад, у авіації для зменшення ризику ударів блискавки. Інженери встановили, що контрольовані розряди на статичних розрядниках літаків можуть “стравлювати” електричний заряд з поверхні літака, запобігаючи накопиченню потенціалу до критичних рівнів. Нещодавно (2020 року) група дослідників з Массачусетського технологічного інституту (MIT) під керівництвом Кармен Герра-Гарсія провела експерименти у аеродинамічній трубі, щоб вивчити поведінку Вогнів Святого Ельма на літаках [7].

Дослідники Массачусетського технологічного інституту перевіряють вплив коронного розряду на електрично незаземленій моделі крила літака всередині аеродинамічної труби братів Райт Массачусетського технологічного інституту. Зображення: Ліллі Пакетт, Інженерна школа Массачусетського технологічного інституту.

Виявилося, що сильний зустрічний вітер по-різному впливає на інтенсивність корони залежно від електричного стану об’єкта: для заземлених структур (як-от щогли чи дерева) вітер посилює розряд і яскравість світіння, тоді як для ізольованих від землі об’єктів (літак у повітрі або лопаті вітряка) потужний потік повітря навпаки послаблює коронний розряд [7]. Зі зростанням швидкості вітру плазмове свічення на моделі крила ставало тьмянішим – тобто заряд ефективніше здувався з літака, не встигаючи іонізувати повітря. Ці результати підтверджують, що добре заземлені об’єкти схильні “притягувати” електричний заряд з атмосфери (і, отже, блискавки) більше, ніж ізольовані. Такий підхід відкриває шлях до нових методів захисту літальних апаратів від блискавок – можливо, у майбутньому літаки будуть оснащувати пристроями для штучного викликання коронного розряду, щоб той відводив заряд і зменшував ймовірність прямого удару блискавки [7].

Вогні Святого Ельма пройшли довгий шлях від містичного морського феномену до добре вивченого наукового явища. Сьогодні ми розуміємо, що це не «вогонь» і не чудо, а особлива форма електричного розряду в атмосфері. Проте знання природи аж ніяк не применшує чарівності цього явища. Подібно до полярного сяйва чи блискавки, воно й дотепер захоплює уяву – яскраве свідчення того, як краса природи поєднується із законами фізики. Вогні Святого Ельма, як і в давнину, продовжують надихати легенди, водночас служачи науці ключем до глибшого розуміння процесів, що відбуваються в електричних бурях над нашими головами.

Список використаних джерел:

1. Saint Elmo’s fire // Encyclopædia Britannica. –  Encyclopædia Britannica, Inc., 25.04.2025. –  URL: https://www.britannica.com/science/Saint-Elmos-fire

2. St Elmo’s Fire // Encyclopædia Britannica. –  11-е вид. –  1911. –  Т. 24. – С. 225. (Перевидано на Wikisource: 1911 Encyclopædia Britannica, Vol.24).

3. Pigafetta A. Magellan’s Voyage: A Narrative Account of the First Circumnavigation. –  New York: Courier Corporation, 2012. – P. 41–42.

4. Van Doren C. Benjamin Franklin. –  New York: The Viking Press, 1938. – P. 159.

5. Beaty W. What causes the strange glow known as St. Elmo’s Fire? Is this phenomenon related to ball lightning? // Scientific American. –  22 вересня 1997. –  URL: https://www.scientificamerican.com/article/quotwhat-causes-the-stran/

6. National Weather Service (NOAA). “Mesmerizing but Deadly” – Facts About Lightning (Lightning Safety sheet). –  May 16, 2001. –  URL: https://www.weather.gov/media/zhu/ZHU_Training_Page/lightning_stuff/lightning/lightning_facts2.pdf

7. Chu J. How airplanes counteract St. Elmo’s fire during thunderstorms // MIT News (Mass. Inst. of Technology). –  11 серпня 2020. –  URL: https://aeroastro.mit.edu/news-impact/how-airplanes-counteract-st-elmos-fire-during-thunderstorms/

8. Toll I. W. Twilight of the Gods: War in the Western Pacific, 1944–1945. –  New York: W. W. Norton & Co., 2020.