Fenomeni elettrici dell'atmosfera
   di Diego Rosa

Terza parte

Abbiamo visto nella seconda parte come la terra e la sua atmosfera costituiscano un gigantesco condensatore elettrico, dove la superficie terrestre assume la carica negativa, l’atmosfera quella negativa. La tensione ai capi delle armature di questo “condensatore” raggiunge valori di 200, 300 kV ( tra la parte inferiore della ionosfera ed il suolo), mentre la carica globale e la capacità si aggirano mediamente attorno a 5.105 coulomb e 2 farad, rispettivamente.

L’atmosfera non è perfettamente isolante per cui si stabilisce, tra essa e la terra, una corrente elettrica media, detta di cielo sereno, di circa 1000 - 1500 ampere ; tale corrente in brevissimo tempo (molto meno di un’ora) scaricherebbe il “condensatore” terrestre se il suolo non venisse continuamente alimentato in cariche negative dai temporali che incessantemente si succedono nel mondo, attraverso essenzialmente due meccanismi: gli effluvi elettrici dalle asperità del suolo verso le nubi ed i fulmini .

In questa terza parte analizzeremo la morfologia e la dinamica dei lampi e dei fulmini e di altre manifestazioni elettriche come i fuochi di S. Elmo ed i fulmini globulari.

Il livello ceraunico

Come abbiamo detto il grande generatore elettrico terrestre è costituito dai temporali. Il loro numero medio annuo in una determinata località ne definisce il livello “ceraunico”. Si conviene che in una stazione si è verificato un temporale se si è udito almeno un tuono.

In Italia il livello ceraunico varia tra 10 e 40, mentre i giorni con temporale si collocano tra meno di 5 a più di 30 (si veda la Fig. 1 elaborata da M. Bossolasco). Come record mondiale si citano i 322 gg. di Bogo (Giava - Indonesia) nel 1916.

La nube temporalesca

La nube che produce attività elettrica è nella stragrande maggioranza dei casi il cumulo-nembo elettrizzato.

La ripartizione tipica delle cariche elettriche in questa nuvola è riportata nella figura 2.

Vi si possono individuare tre zone:

• l’iferiore, costituita di goccioline d’acqua o di fiocchi di neve, elettrizzata negativamente tranne un nucleo centrale elettrizzato positivamente

• la centrale, costituita di cristalli di ghiaccio e/o di gocce d’acqua soprafusa elettrizzata negativamente(costituisce la carica negativa principale)

• la superiore, interamente costituita di cristalli di ghiaccio, elettrizzata positivamente.

Un sottile strato negativo avvolge la parte superiore del cumulo, effetto forse della ionizzazione dovuta ai raggi cosmici.
Per induzione elettrostatica, come abbiamo già visto, il suolo sottostante inverte la sua polarità ed il campo elettrico che in cielo sereno è abitualmente negativo (circa 100 V/m, rivolto verso il basso) raggiunge parecchi migliaia di V/m (rivolto verso l’alto).

A partire da 5000 V/m le asperità del suolo, per effetto punta, generano degli effluvi di ioni positivi che accumulandosi in uno strato di qualche centinaio di metri di spessore limitano in qualche modo l’aumento del campo che pur tuttavia raggiunge 15 - 20 kV/m (a fronte di 50 kV/m e più sopra le superfici lisce).Una parte degli ioni prodotti, aspirata dalle correnti ascensionali determina la parziale elettrizzazione positiva della base della nuvola.

I lampi

Il lampo è la manifestazione luminosa del riscaldamento dell’aria (sino 30 000 C° ) nel tubo di flusso percorso dalla corrente di una scarica elettrica, corrente che a differenza di quella dei fulmini, non fluisce a terra, ma resta confinata all’interno della nuvola o si propaga tra nuvola e nuvola.
Si possono distinguere tre tipi di lampi:

• Il lampo “intranuvoloso” che si mantiene all’interno della nuvola e la cui traccia non è distinguibile da terra apparendo solo come luminosità diffusa più o meno intensa (foto1, tratta come le altre da “L’électricité atmosférique et la foudre”. Presse Universitaire de France, Paris 1997)

• Il lampo diffuso costituito da una successione di scariche “intra-nuvolose” che si propagano lentamente sulla sommità di una linea di cumuli-nembi (foto 2).Visto a grande distanza questo lampo viene comunemente indicato come “lampo di calore”.

• Il lampo “internuvoloso”, la cui traccia è sempre visibile da terra e può raggiungere sino 100 km di lunghezza (foto 3)

Le scariche elettriche scoccano tra le diverse zone a opposta elettrizzazione della cella temporalesca. La modalità della loro apparizione segue d’appresso l’evoluzione della cella o delle differenti celle che costituiscono il temporale: Inizialmente dopo una fase di elettrizzazione durante la quale non vi è attività elettrica e viene a formarsi la ripartizione indicata in Fig. 2, si hanno scariche intranuvolose tra la carica negativa principale e quella positiva superiore seguite spesso dai primi fulmini a terra. Allorquando nuove celle temporalesche vengono ad unirsi a quella iniziale i lampi intranuvolosi compiono traiettorie più lunge (anche 100 km in orizzontale) e complesse e le scariche a terra diventano più potenti.Lunghi lampi sviluppati in orizzontale si osservano pure quando il temporale si sta attenuando, dovuti forse a l’abbassamento della carica positiva superiore verso quella negativa principale che ancora sussiste alla base della cella più attiva.Queste lampi terminano con dei fulmini rettilinei trasportanti cariche positive verso terra.Il temporale finisce talora con una, due potenti scariche a terra che seguono di 10, 15 minuti l’ultima attività elettrica visibile.

Alla sommità delle nuvole temporalesche, in casi molto rari, si sono notate scariche elettriche dirette verso la stratosfera presentanti un aspetto simile a quello dei fulmini.
Talora scariche di luminosità diffusa originatesi sempre alla sommità dei cumulo-nembi attraversano la stessa stratosfera per svanire poco a poco.In altri casi (estremamente rari) simili luminosità di colore rossastro penetrano nella ionosfera sino a 80 km di altezza.
Ancora da ricordare sono scariche diffuse di colore blu, verde o rosso che posso coprire la totalità del cielo senza produrre alcun rumore. Sono dovute forse a vaste elettrizzazioni orizzontali causate da particelle di sabbia portate in quota da avvezioni calde. Si verificano in effetti sopratutto durante temporali caratterizzati dalle così dette pioggie “di fango” che conosciamo bene anche in Liguria.

I lampi non sono legati solo ai cumulo-nembi; sono stati segnalati anche nel corso di tempeste di neve o di sabbia come durante certe eruzioni vulcaniche.Numerose testimonianze riferiscono ancora l’apparizione di luminosità diffuse, di origine non ancora accertata, durante i terremoti (soprattutto in Cina e in Giappone).

Il fulmine

Se la scarica elettrica raggiunge il suolo si ha il fulmine. Il fulmine rappresenta una percentuale significativa dei fenomeni elettrici di un temporale (dal 14 al 40 % spostandosi dall’equatore al 60° parallelo ).

In l’Italia il numero medio annuo di fulmini che colpiscono terra varia da 1,5 a 4 per km2 come indicato in Fig.3. In Svizzera tra il gennaio 1981 e l’agosto 1983 si sono avuti valori medi di 4,6 fulmini/km2 sull’altopiano, di ben 14 sul versante sud-alpino, con un massimo di 130 allo Junhfraujoch (a più di 3000 m di quota).

Tipi di fulmini

I fulmini portano verso terra una carica negativa (fulmini negativi) ma anche, seppur più raramente, una carica positiva (fulmini positivi) e sono preceduti da prescariche di ionizzazione dell’aria (precursori o leader) che si dipartono o dalla nuvola dirigendosi verso il suolo (fulmini discendenti) o viceversa (fulmini ascendenti).
Così si possono classificare in quattro categorie:

Fulmini negativi discendenti

Costituiscono circa il 90% dei fulmini nei terreni pianeggianti o poco montagnosi. Traggono origine nella zona negativa principale del cumulo-nembo. Sono preceduti da una serie di prescariche di polarità negativa che si susseguono ad intermittenza (ogni 50 microsecondi circa) allungandosi, talora ramificandosi notevolmente, specialmente in atmosfera secca, ed avvicinandosi al suolo. Queste prescariche ( precursori o leader) non individualmente visibili ad occhio nudo, sono fotografabili su film scorrevole ad alta velocità (camera di Boys) (Fig.4 ). Quando il tubo ionizzato della prescarica si avvicina al suolo e sulle asperità si sviluppano degli effluvi con la formazione di uno o più controprecursori che dal terreno si dirigono verso il precursore. Al contatto dei due tubi ionizzati (talora si ha contatto con più controprecursori ascendenti e fulminazione multipla, si veda la foto 4) si ha la scintilla disruptiva (arco di ritorno positivo dal suolo alla nuvola) che costituisce la parte più luminosa del fulmine. Il contatto avviene tra i 20 e 50 millisecondi dopo l’inizio delle prescariche. A questo punto la tensione tra il suolo ed il cumulo-nembo può raggiungere anche centinaia di milioni di volt, la corrente anche 200 kA (mediamente 30 kA, massimo osservato quasi un milione di ampere) con una derivata (aumento per unità di tempo ) che può toccare i 200 kA al microsecondo ed una durata di parecchie decine di microsecondi.. Dopo una pausa abbastanza breve, nello stesso canale ionizzato, di diametro attorno ai 2, 3 centimetri, si formano di regola altri archi di ritorno (da sei a venti), di potenza decrescente però, ed inizializzati da prescariche non più intermittenti ma uniche che si propagano in qualche millisecondo. Una corrente continua di debole intensità (da 40 a 130 A) segue frequentemente (50%) la serie delle scariche, con durate molto lunghe, che possono superare i 500 millisecondi. Essa può trasportare a terra una carica di qualche decina di coulomb, paragonabile a quella veicolata dal fulmine vero e proprio.

Fulmini negativi ascendenti

Sono inizializzati da prescariche positive che partendo dalle asperità del suolo, con il meccanismo visto sopra, raggiungono la parte negativa della nuvola . Propagandosi verso l’alto le prescariche si ramificano notevolmente La scarica di ritorno positiva dal suolo alla nuvola ( foto 6), sovente molto luminosa e ramificata verso l’alto, termina con l’enstinzione dei rami tranne quello principale che è soggetto allora ad una corrente continua discendente di lunga durata. Sono questi i fulmini di terreni aspri, montagnosi, dei picchi e delle vette e quelli che colpiscono manufatti molto alti e snelli quali torri, piloni elettrici, antenne radio, grattacieli.

Fulmini positivi discendenti

Sono abbastanza rari e si verificano soprattutto in occasione di temporali invernali o di inizio primavera. Sono particolarmente potenti e possono provocare effetti distruttivi notevoli.Traggono spesso origine nella parte alta positiva del cumulonembo ma talora anche nel nucleo positivo inferiore e si sviluppano anche in assenza di precipitazioni liquide (si veda la foto 4).La progressione del precursore discendente avviene in modo continuo, non a scatti come per i fulmini negativi. L’arco di ritorno, negativo, è normalmente unico ed è seguito da un’intensa e duratura corrente continua (spesso superiore a 10 kA per una durata di più di 10 millisecondi). I valori complessivi di corrente e di carica sono abitualmente 10 volte di quelli corrispondenti ai fulmini negativi.

Fulmini positivi ascendenti

Sono rari come i fulmini discendenti corrispondenti. Si originano in località aspre dove si manifesta facilmente l’effetto punta elettrostatico. Sono inizializzati da un precursore negativo che procede dal suolo alla parte della nuvola caricata positivamente. L’arco di ritorno, dal terreno alla nuvola, è negativo.

Il canale ionizzato percorso dai fulmini si estingue quasi sempre istantaneamente dopo l’ultimo arco di ritorno. In una percentuale di circa il 4 % l’estinzione che inizia alla fine della corrente continua di lunga durata, è progressiva e lineare. In rare occasioni il canale ionizzato si estingue frammentandosi in brandelli o grani ovoidali luminosi.

I temporali più violenti possono dar origine a parecchi fulmini al minuto (valori estremi riportati: 20 al minuto negli USA; normalmente da 2 a 5 in Europa ). Mentre l’attività elettrica nel suo complesso può essere pressoché

continua (più scariche al secondo) in particolare in temporali a supercella o in quelli caratteizzati da una goccia fredda in quota.

La durata complessiva dell’attività elettrica, può variare da pochi minuti a parecchie ore ad es. durante temporali multicellulari stazionari. I temporali tropicali pur presentando una forte attività elettrica complessiva, sono caratterizzati da una debole fulminazione a causa soprattutto della maggior altezza cui si trovano le cariche negative.

Aspetto delle scariche elettriche

I canali ionizzati si presentano spesso come il susseguirsi di segmenti separati, raccordati da curve più o meno marcate. La lunghezza di tali segmenti varia da 5 a 100 m. In ogni caso più la scarica è intensa.più il canale si presenta rettilineo e meno sinuoso. La lunghezza complessiva di tali canali può raggiungere i 100 km nel caso di lampi intranuvolosi. I canali dei fulmini hanno invece una lunghezza più limitata che va da 2 a 20 km, quest’ultima può caratterizzare i fulmini (di regola positivi) generatesi nelle parti sommitali dei cumuli- nembi (Normalmente fulmini positivi).

Per qunto cocerne il colore delle scariche, il roseo e il violaceo sembra convenire a quelle associate a temmporali secchi e vicini, colorazioni calde (arancio e rosso) a temporali secchi e lontani, colorazione chiare sul bianco a temporali con pioggie intense, blu-grigie a temporali lontani accompagnati da forti precipitazioni

Durata dei lampi e delle scariche

Essa dipende dalla struttura del cumulo-nembo e dall’intensità del temporale. E di regola inferiore al secondo. Fanno eccezione i lampi intranuvolari in temporali a forte estensione orizzontale la cui durata può superare i tre secondi

Il tuono

Il tuono è dovuto alla espansione esplosiva del canale ionizzato percorso dalla corrente elettrica della scarica (in esso la temperatura può raggiunge i 30 000 C°). La tonalità come l’intensità del suono dipendono non solo dalla natura della scarica (un suono sordo e duraturo è dovuto a lampi inter o intra nuvolosi , uno secco a un fulmine vicino), ma anche tra l’altro, dalla morfologia del terreno, dall’orientamento del canale ionizzato rispetto alla congiungente con il punto d’ascolto e dalla presenza o meno della pioggia e dalla sua intensità.

Il tuono può essere udito a più di 25 km con tempo buono, a non più di 10 km con cielo coperto da nuvole basse.

Talora i tuoni hanno una lunga durata .
Ciò e dovuto :

• alla lunghezza della scarica (parecchi km) ed alla velocità ridotta del suono (331 m/s) per cui il rombo dei punti più lontani della folgore può arrivare anche decine di secondi dopo l’arrivo di quello dei punti più vicini

• alle riflessioni e distorsioni che il suono subisce sul terreno ed attraverso le diverse masse d’aria

I fuochi di S. Elmo

Sono effluvi di cariche elettriche che ionizzano l’aria (effetto corona), famosi perché apparivano sulle punte degli alberi delle navi a vela durante i temporali in mare. I marinai credevano erroneamente che fossero di buon auspicio contro le folgori ed i naufragi, addirittura segno tangibile della protezione di S.Elmo, donde il nome. La ionizzare dell’aria produce una luminosità di colore violetto - bluastro ed un crepitio caratteristico.

Il fulmine Globulare (Ball Lighting - BL)

Famosa, leggendaria meteora , ancora non completamente spiegata e che lascia scettici alcuni studiosi.

Questo fulmine di aspetto sferico, globulare, appare spesso durante un temporale subito dopo la caduta di un fulmine.Secondo la maggior parte dei testimoni ha un diametro che raramente eccede i 20 cm, ma può arrivare anche a parecchi metri. Il colore è il più vario, dura da alcuni secondi a parecchi minuti, si muove in modo bizzarro all’aperto od anche dentro gli appartamenti, potendo anche rimanere immobile per sparire poi attraverso le finestre o attraverso un buco della serratura od esplodere fragorosamente oppure dileguarsi in silenzio. Gli studi di Smirnof ed Hubert hanno raccolto ed esaminato numerose testimonianze.In molti casi i fenomeni descritti si possono spiegare come descrizioni soggettive di sovratensioni indotte dalla folgore, plasma residuo, effetti corona, fusioni metalliche.In altri una spiegazione accettabile diventa difficile anche se molte ne sono state suggerite, alcune abbastanza fantasiose.Due grandi filoni le caratterizzano: uno che presuppone che la fonte della loro energia sia esterna, l’altro che si interna ai BL stessi.

Per un maggiore approfondimento su questo fenomeno si vada al sito: www.fis.unipr.it/~albino/index.html di Albino Carbognani del Dipartimento di Fisica dell’Università di Parma.

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