Це явище здавна відомо індійським рибалкам, серед яких існує легенда про «червоних хвилях». Очевидці стверджують, що величезні хвилі, які жене ураган, іноді бувають охоплені червоним вогнем. При цьому вони ще й гарчать, заглушаючи виття вітру.
Гіпотеза про те, що світіння викликано запаленням гримучого газу при розрядах атмосферної електрики, впирається в механізм генерації водню. Щоб розкласти воду на водень і кисень необхідно затратити 4,8-lCT9 Дж на одну молекулу. Розірвати настільки сильну хімічну зв'язок за рахунок енергії повітряного потоку можна лише при швидкостях порядку 5,6 км / с, тоді як максимальне її значення в вихровий зоні циклону не перевищує 0,17 км / с, що істотно менше швидкості теплового руху молекул навіть при кімнатній температурі. Отже, пояснення екзотичному ефекту потрібно шукати на основі будь-якого іншого фізичного явища, наприклад, гідродинамічної кавітації.
Кавітація пояснює звуковий ефект, який супроводжує «червоні хвилі», але зустрічає труднощі в поясненні характеру світіння. Дійсно, схлопування газового бульбашки відбувається з такою швидкістю, при якій виникає свого роду гідравлічний удар, що супроводжується звуком. Умови для кавітації, особливо в хвилях прибою, цілком здійсненні. Але світіння (сонолюминесценция), що виникає при гідродинамічної кавітації, по-перше, дуже і дуже слабке, а по-друге, спостерігається в рідини, а не в газовій фазі.
Не торкаючись інші ймовірні тлумачення цього явища, звернемося до іншого, не менш екзотичному феномену, відомому під назвою «курильського світла». На узбережжях далекосхідних морів і в деяких інших районах Землі спостерігається світіння туманів.
Переважне світіння туманів і хмар спостерігається в сейсмоактивних зонах, до яких відносяться і Курили. Тому природу «курильського світла» намагаються пов'язувати з виникненням інтенсивних електричних полів при деформації гірських порід у вогнищі формується землетрусу. Особливо сильними ці поля стають на заключній стадії підготовки землетрусів, коли електричний пробій атмосфери стає можливим навіть при відсутності хмарності. Під час туманів вони збуджують в околицях крапельок, які є центрами електростатичного фотоионизации, процеси, подібні коронному розряду з вістря з усіма характерними ознаками світіння.
Вважається, що породжують ці потужні електричні поля так звані дислокаційні струми, що досягають за силою десятків тисяч ампер. Виникають вони при зміщенні порід в земній корі відносно один одного.
Зовнішня схожість обох явищ наштовхує на думку про їх єдину природу. Більш того, можна розширити коло спостережень світіння в природних умовах, давно приковують до себе увагу своєю загадковістю - це «вогні святого Ельма». Вони схожі на язики полум'я, але не обпалюють і не мають нічого спільного з горінням. По своїй фізичній природі «вогні святого Ельма» є різновидом коронного розряду, найбільш вивченої формою якого є розряд з вістря. Вони найчастіше спостерігаються під час гроз, сніжних буревіїв, шквалів; з'являються і на літаку, що летить через хмари. За розповідями очевидців - це напрочуд гарне і в той же час моторошне видовище. Яскраві вогненні смуги протяжністю до 3-5 м віялом розтягуються від кромки крил. Гвинти літака оточені мерехтливими вінцями, що нагадують світло люмінесцентних ламп.
Виникають «вогні святого Ельма» при напряженностях електричного поля у гострокутих предметів близько 500 В / м і вище, тоді як у рівній поверхні Землі при нормальних погодних умовах напруженість електричного поля відповідає 130 В / м. При низькій грозовий хмарності вона сильно зростає, і виникають умови для появи світіння на шпилях, верхівках веж, щоглах кораблів, гілках дерев і навіть над головами людей. Тому символ святості німб - стилізоване зображення сяйва навколо голови на іконах і картинах на біблійні теми - не є випадковим зображенням.
Свою назву «вогні святого Ельма» отримали по імені церкви святого Ельма в Італії, на вежах якої вони часто спостерігалися. Однак найчастіше такі вогні можна побачити в океані над щоглами судів при низько опущених грозових хмарах, але іноді вони виникають високо в горах, коли підстава хмари спускається майже до самої землі. Спостерігалися «вогні святого Ельма» і під час піщаних бур.
Все це різноманіття явищ - від світіння воронок потужних смерчів до вогнів, що бігають по хвилях, має, мабуть, одну і ту ж природу; все це різновиди коронного розряду в специфічних умовах його прояви.
Коронний розряд виникає при високому тиску газу (близько атмосферного), коли напруга між електродами недостатньо для іскрового пробою, але має сильну неоднорідність у одного (або в обох) електродів. Іонізація і світіння газу відбуваються в тонкому шарі біля електрода з малим радіусом кривизни. Цей шар називають коронирующим. У разі негативної корони електрони, що викликають ударну іонізацію молекул газу, вибиваються з катода при бомбардуванні його позитивними іонами. У позитивній короні генерація електронів відбувається внаслідок фотоіонізації газу поблизу анода. Найбільш потужна форма розряду з вістря супроводжується не тільки світінням, а й досить сильним потріскуванням, в чому легко переконатися, перебуваючи в сиру ту- (км) манну погоду під високовольтною лінією електропередачі.
Чому ж атмосферне повітря, особливо в грозову погоду, наелектризоване? Відомо, що під час розпилювання рідини відбувається електризація крапель - так званий ефект Ленарда. Наприклад, розбризкування пінних повітряних бульбашок у водних розчинах солей призводить до утворення крапель розміром від 5 • 10 -3 до 5 • 10 -2 мм, що несуть позитивні електричні заряди, кратні 103-104 зарядів електрона, а при наявності навіть незначного зовнішнього поля заряд краплі може досягати значення 106 е. Однак бризки води можуть заряджатися і негативним електрикою. Доказом цього є розподіл зарядів в грозовому хмарі, показане на рис.1. Правда, такий розподіл не єдино можлива, спостерігається і протилежна полярність, а також переважне зосередження зарядів одного знака. Основним генератором атмосферної електрики є іонізуюче дію ультрафіолетового і корпускулярного випромінювання Сонця, космічних променів і радіоактивних речовин, що знаходяться в землі і повітрі.
Інтенсивні висхідні і низхідні потоки повітря, насиченого парами води, супроводжуються накопиченням і поляризацією зарядів завдяки їх прилипання до молекул повітря і виваженим в них крапельок води (електроконвекціонние явища). У грозовому хмарі середнього розміру локалізується заряд величиною до 50 Кл і більше з об'ємною щільністю до 3 • 10 -8 Кл / м3. Напруженість електричного поля всередині такого хмари досягає 3 • 10 -5 В / м, що своєю чергою величини відповідає значенню напруженості, необхідного для запалювання «вогнів святого Ельма».
У лабораторних умовах, дійсно, вдалося спостерігати світіння різних предметів, поміщених в потік заряджених крапель з параметрами, що моделюють електричне стан грозової хмари. Сам по собі потік не генерує свічення, але занурення в нього найрізноманітніших предметів супроводжується світінням значною яскравості. Світяться пальці рук експериментатора. Поміщається в потік олівець одночасно висвітлюється з обох кінців. Світіння навіть посилюється при виведенні світиться предмета з зарядженого потоку і досягає максимуму в декількох сантиметрах від його межі.
У природних умовах в грозову погоду повітря сильно наелектризоване, а низько стеляться над землею хмари і можуть служити тим самим зарядженим потоком, в якому починають світитися загострені конструкції високих споруд.
Вспенивающем при ураганному вітрі солоні морські хвилі оповиті повітряним шаром з великою щільністю електричного заряду. Ефект Ленарда, про який вже згадувалося, неминуче повинен проявляти себе в настільки ідеальних умовах для його реалізації. При розриві міріад пінних бульбашок виникають заряджені крапельки, здатні створювати локальні електричні поля напруженістю до 10 7 В / м і ініціювати розрядні процеси навіть у відсутність занурених у шар сторонніх тіл.
Таким чином, виникнення над вируючими штормовими хвилями «вогнів святого Ельма» в атмосфері, насиченою електрикою, цілком реально.