IL FENOMENO DEI FULMINI

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1 IL FENOMENO DEI FULMINI GENERALE C è qualcosa di divertente che potete osservare all interno del vostro congelatore: andate in cucina, aprite lo sportello e fate leva per staccare un cubetto dal portaghiaccio. Poi guardate all interno dello scompartimento alla ricerca di brina, quella lanugine cristallina che è solita coprire i vostri piselli surgelati. Trovata? Bene, strofinate delicatamente il cubetto di ghiaccio sulla patina di brina. Come? Non succede nulla? Naturale, cosa vi aspettavate, un fulmine per caso? In realtà, l azione che avete appena compiuto sta proprio alla base del processo che origina i fulmini. A chilometri di distanza dalla terra, all interno dei cumulonembi, piccoli cristalli di ghiaccio urtano costantemente contro frammenti più grandi. Questo strofinamento provoca una reazione simile a quella che si ottiene camminando sulla moquette con le calze sintetiche ai piedi. Prima di accorgersene, dalla nube parte un fulmine che si schianta sulla terra. 1 / 10

2 Può sembrare difficile da credere che un fulmine, che nel suo percorso fino a terra è 3 volte più caldo della superficie del sole, possa nascere da piccoli frammenti di ghiaccio. Ma è ciò che succede, secondo la teoria, ed effettivamente gli esperimenti di laboratorio hanno confermato che si può generare elettricità dalla collisione ghiaccio-ghiaccio. Vediamo come. 2 / 10

3 ORIGINE DELLE CARICHE:INTERAZIONE GHIACCIO-GHIACCIO I cumulonembi sono composti principalmente da minuscole goccioline d'acqua o da cristalli di ghiaccio, sospesi nell'aria: la loro dimensione varia da 1 a 100 micron e la quantità d'acqua condensata non supera il grammo per metro cubo di vapore acqueo. Quando la goccia d acqua all interno di un cumulonembo si trasforma in cristallo di ghiaccio, subisce delle contrazioni e dilatazioni oltrechè urti continui con le altre molecole:in questo modo il cristallo si formi perdendo molti pezzi, ovvero altri cristallini minutissimi di ghiaccio All'interno dei cumulonembi troviamo generalmente due classi diverse di particelle congelate: minuti cristalli di ghiaccio e palline. Questi milioni di pezzi di ghiaccio urtano costantemente gli uni con gli altri, spinti da correnti ascensionali che variano da una velocità di 20 fino a più di 150 Km/h. Il caricamento elettrostatico avviene proprio nelle collisioni veloci fra essi Si è visto sperimentalmente che i cristalli tendono a salire nella parte alta della nube, caricandosi di elettricità positiva; le palline si portano nella parte bassa della nuvola, caricandosi negativamente Tale separazione di cariche tra l alto e il basso delle nubi produce un enorme differenza di potenziale sia all'interno della nube che fra la nube e la terra, che per induzione tende a caricarsi positivamente. Potremmo schematizzare questa situazione con le armature di un condensatore con all interno un materiale isolante.: tra le armature per l accumulo di carica Q si viene a creare una differenza di potenziale, V. Tra queste due quantità sussiste la relazione di proporzionalità:q = C V, dove C è la capacità del condensatore (C dipende dalla geometria,).se tra le armature si pone un materiale isolante si osserva che, a parità di Q, si registra un V minore.questo implica che la capacità di un condensatore con all interno un dielettrico, Ci, è maggiore che Co. Il rapporto Ci/ Co è la costante dielettrica relativa del dielettrico(εr) considerato; in conseguenza di ciò il potenziale e il campo elettrico diminuiscono per la presenza proprio del materiale isolante. 3 / 10

4 Ciò si verifica poiché in assenza di un campo elettrico esterno E il dielettrico è complessivamente neutro, ma quando si trova in presenza di una differenza di potenziale si verifica nel dielettrico il fenomeno della polarizzazione (per deformazione o per orientamento) che produce un campo elettrico che va ad opporsi al campo iniziale generato dalle cariche sulle armature. Esiste però un valore massimo di E oltre il quale il dielettrico perde le sue proprietà isolanti. Oltre tale valore, che si chiama rigidità dielettrica,che si misura in V/m ed è diverso per ogni materiale, si verifica una scarica elettrica che può portare anche alla distruzione della sostanza. Nel caso dell'aria pulita e asciutta il valore della rigidità dielettrica è piuttosto alto (3 MV/m) però scende, a valori MV/m, in presenza di umidità. Il fulmine è l'equivalente atmosferico del fenomeno appena descritto; in tal caso il dielettrico è l'aria ed i due corpi conduttori sono la nube ed il suolo, oppure due diverse nubi o due diverse parti di una stessa nube. 4 / 10

5 COSA AVVIENE IN ARIA Assodato dunque che tra la nube e il suolo esiste un campo elettrico dovuto alle cariche distribuite su di essi, è lecito domandarsi come scorra corrente all interno dell aria che abbiamo definito essere un dielettrico cioè volgarmente un isolante gassoso. Un dielettrico gassoso contiene spesso degli elettroni liberi, infatti le molecole del gas possono essere ionizzate secondo diverse modalità. Tra queste la radiazione cosmica, è sempre presente, inoltre possono intervenire altri fattori di ionizzazione, come ad esempio l impatto degli elettroni o l azione diretta di un campo elettrico. Se al gas in questione non è applicato alcun campo elettrico, gli elettroni liberi finiscono per ricombinarsi con gli ioni positivi presenti nel gas o nell anodo. Se invece è presente un campo elettrico, gli elettroni sono accelerati nella direzione del campo. In un gas che si trova a bassi valori di pressione, il cammino libero degli elettroni è dell ordine della frazione di millimetro, poi essi collidono con le molecole del gas. L energia cinetica acquistata dall elettrone è proporzionale all intensità del campo ed inversamente proporzionale alla pressione. Infatti il cammino libero percorso dall elettrone prima di collidere con una molecola è inversamente proporzionale alla pressione del gas, essendo quest ultima, a sua volta, proporzionale al numero di molecole per unità di volume. In seguito alla collisione si possono verificare tre eventualità: La collisione è elastica e l elettrone viene fatto rimbalzare, magari in una direzione diversa. La collisione non è elastica e l elettrone cede energia alla molecola. Se tale energia supera un certo valore, che dipende dal tipo di gas, un atomo della molecola viene eccitato e si porta in un livello energetico superiore. Dopo un tempo brevissimo l atomo si riporta nel livello energetico iniziale, rilasciando un fotone (quanto di energia). Per valori di energia maggiori, la collisione provoca la liberazione di un elettrone dall atomo; in questo modo l atomo si trasforma in uno ione positivo e un nuovo elettrone libero viene generato. Quest ultimo fenomeno prende il nome di ionizzazione. La ripetuta ionizzazione delle molecole del gas causa una moltiplicazione del numero degli elettroni liberi. Quindi il numero di elettroni liberi cresce esponenzialmente generando una sorta di valanga di elettroni. Il meccanismo ora descritto è il meccanismo attraverso il quale si diffonde all interno del dielettrico la scarica pilota (vedi seguito) alla base del fenomeno fulmine. 5 / 10

6 GENERALE SUI FULMINI Il punto di partenza per la nascita dei fulmini é dunque la separazione di carica presente nelle nubi; essa dà luogo ad un eccesso di carica positiva nella parte superiore della nube ed un eccesso di carica negativa in quella inferiore Distribuzione di carica nella nube e campo elettrico nello spazio nube-terra. Lo spazio tra nube e terreno é sede di un campo elettrico più o meno elevato a seconda della carica elettrica contenuta. Se, sulla nube o sul terreno, il campo elettrico supera il valore critico per l innesco della scarica si ottiene la scarica atmosferica. Tale scarica può svolgersi entro una nuvola, fra nuvole (lampi), fra una nube e l'aria circostante o fra una nube e terra. I fulmini che interessano il terreno si possono classificare in base a due elementi: Segno della carica della nube:se la carica della nube é positiva si ha un fulmine positivo, se invece la carica della nube é negativa si ha un fulmine negativo. Ubicazione del raggiungimento del campo critico:se il campo critico si raggiunge sulla nube si ha una scarica discendente se invece il campo critico si raggiunge sul terreno si ha una scarica ascendente In base a questi due elementi si possono avere quattro diversi tipi di fulmine: ascendenti positivi, ascendenti negativi, discendenti positivi, discendenti negativi. In Italia si hanno principalmente fulmini discendenti negativi, discuteremo di questi. 6 / 10

7 IL FENOMENO FULMINE La propagazione di un fulmine avviene sostanzialmente in 3 fasi caratteristiche. 1 fase iniziale: la formazione di una scarica oscura (debole e invisibile) che dalle prossimità della parte inferiore del cumulonembo discende verso il suolo 2 fase intermedia: la formazione di un canale di prescarica caratterizzato da una zona fortemente ionizzata dalla cui punta si diramano altri canali ramificati. Quando il canale giunge in prossimità del suolo si ha il processo finale di scarica. 3-fase finale: in questa fase si ha, in un tempo brevissimo, un aumento dell'attività di ionizzazione e si crea un percorso conduttore fra la nube e il suolo con la scarica Vediamolo in dettaglio Inizialmente dalla nube scende verso il suolo, ad una velocità di circa 100km/s, una scarica debole ed invisibile (scarica pilota) composta da una valanga di particelle cariche negativamente, che si muove compiendo percorsi successivi di breve lunghezza. La scarica inizia dalla parte inferiore della nube a causa dell'intenso campo elettrico locale, favorita dalla rarefazione atmosferica. Si forma quindi un canale ramificato che si propaga verso il terreno detto leader. Tale canale è caratterizzato da un'intensa ionizzazione che predispone alla seconda fase. Esso è composto principalmente da due elementi: è possibile distinguere un nucleo altamente conduttore di modesto diametro (dell ordine di alcuni centimetri), circondato da un involucro di carica spaziale molto meno conduttrice, il cui raggio é pari anche a qualche decina di metri. Il leader procede a zig zag a seconda delle condizioni locali, con componente di moto preponderante in direzione perpendicolare al terreno (parallelamente al campo elettrico medio ).E da tenere conto che su lunghe distanze si hanno variazioni molto significative della pressione e dell umidità dell aria che possono agevolare od ostacolare localmente l avanzamento del leader. Tale modo di procedere é del tutto casuale dato che casuali sono le variazioni delle caratteristiche dell aria nei vari punti1. 1 Il fronte della valanga (testa) presenta come un rigonfiamento, dovuto al fatto che gli elettroni prodotti vengono, per così dire, sparpagliati in tutte le direzioni. Gli ioni positivi, spinti anch essi dal campo elettrico, si muovono in direzione opposta rispetto agli elettroni, ma sono molto più lenti così da formare una scia (la coda della valanga). La carica spaziale formata dalle valanghe influenza il campo elettrico in modo determinante, infatti il campo, così potenziato, determina un aumento del coefficiente di ionizzazione sicché dalla testa della valanga si generano nuove valanghe, nella stessa direzione (quella del campo) o spostate in modo casuale dipendente dalla direzione che prendono gli elettroni in seguito alle collisioni, che dipende dal caso.in condizioni reali il campo elettrico sulla punta della valanga elettronica é data dalla somma vettoriale del campo applicato e del campo di carica spaziale che, in prima approssimazione, si può ritenere radiale. Finché i due campi sono paragonabili la più probabile direzione di sviluppo é quella del campo esterno applicato, in quanto in tale direzione il campo risultante presenta un massimo accentuato. Se però una valanga secondaria sufficientemente grande si é sviluppata da una posizione laterale rispetto alla direzione del campo esterno, il canale si propagherà in questo senso ed il suo cammino presenterà una deviazione. Questo aspetto si verifica tanto più facilmente quanto più il campo radiale di carica spaziale é grande rispetto al campo esterno. Il canale dunque pur seguendo mediamente le linee del campo applicato, presenta uno sviluppo irregolare ricco di deviazioni (struttura a albero) 7 / 10

8 Il canale discendente procede verso terra, abbassando sempre più la carica sulla nube: il campo elettrico sul terreno aumenta. Tale fenomeno si manifesta specialmente sulle sporgenze (tralicci) ove il corona degenera in una controscarica ascendente (pari a qualche decina di metri) che incontra il canale discendente. Si ottiene allora la cosiddetta scarica di ritorno (Return Stroke), la parte visibile del fulmine, che si propaga verso l'alto lungo il canale con velocità pari a c, ottenendo lo smaltimento a terra delle cariche depositate lungo il canale discendente. Siccome il leader avanza a una velocità circa 1000 volte inferiore a quella della luce, nel caso del return stroke, in cui si hanno velocità almeno 100 volte superiori, la corrente aumenterà di almeno 100 volte: si ottengono valori da 600 A a più di 60 ka. Quando il canale arriva in corrispondenza del suolo si genera sostanzialmente un onda ionizzante che si propaga lungo il canale preesistente con velocità prossima alla velocità della luce: si verifica cioè un fenomeno analogo alla chiusura di un interruttore su una linea si genera cioè un'onda di tensione di valore pari alla tensione applicata sul tratto d'aria, con un fronte tanto più ripido quanto più grande é stata la velocità con cui si é percorso l'ultimo tratto, e che si propaga lungo il canale Il campo prodotto da quest'onda, fa aumentare rapidamente la densità degli ioni e quindi la conducibilità del canale, cortocircuitando il circuito terra-nube. La corrente illumina il canale ionizzato fin qui rimasto oscuro generando la classica striscia luminosa. Durante il passaggio di corrente si ha un brusco cambiamento di temperatura e di densità nel canale ionizzato lasciato dalla scarica pilota. Questo brusco cambiamento origina un onda di pressione che si propaga e che viene percepita come tuono. Il canale di carica ionizzato ha un diametro di qualche centimetro, mentre la temperatura raggiunge i K. Cessata la corrente di fulmine, sulla nube c é ancora carica sufficiente e quindi, fra l'estremità superiore del precedente condotto e la nube, si sviluppano delle scariche ramificate che drenano queste cariche rendendole disponibili per un nuovo condotto discendente. Si ha così una scarica oscura (Dark Leader) che si sviluppa lungo il canale creando le condizioni per una nuova scarica a terra I principali processi che hanno luogo in una scarica discendente sono riportati nella figura seguente. 8 / 10

9 Principali fasi di una scarica di fulmine. La scarica pilota di cariche negative parte dalla base della nuvola e si dirige verso il suolo carico positivamente Dal suolo parte la scarica di ritorno di cariche positive. Quando le due scariche si incontrano si chiude il circuito e si ha un passaggio di corrente e la produzione del fulmine vero e proprio. CARATTERISTICHE GENARALI DEL FULMINE Il fulmine è una colonna di gas ionizzato (plasma) con le seguenti caratteristiche fisiche principali: grandezza fisica corrente elettrica temperatura diametro della colonna di plasma Carica elettrica totale differenza di potenziale Valore ka K cm 5-10 C (1-10) 10 9 V L'ultimo valore (differenza di potenziale ai capi del fulmine) dipende dalla lunghezza dello stesso: sapendo che il potenziale di rottura dielettrica dell'aria è di 3000 V/mm, un fulmine lungo 300 m sarà generato da una differenza di potenziale di = V. In realtà, la grande pericolosità del fulmine è dovuta più che alle grandi tensioni, alla corrente che fluisce nel canale d'aria ionizzata: essendo infatti il plasma un ottimo conduttore di corrente, esso permette il fluire di correnti tipiche di migliaia di Ampere. 9 / 10

10 L AUTOMOBILE COME PARAFULMINE? Per quanto detto i fulmini tendono a scaricarsi prevalentemente in corrispondenza di oggetti appuntiti ed alti (alberi, parafulmini, torri metalliche); proprio perché la ionizzazione che circonda le punte e gli oggetti metallici costituisce un percorso a minore resistenza e quindi viene preferito dal fulmine. Il parafulmine è il dispositivo che serve a scaricare a terra, senza danni per le persone o le cose, l'elettricità che si accompagna al fenomeno fulmine. Ricordiamo infatti che l'intensità elettrica di un fulmine varia tipicamente tra i 2 e i 200 kiloampere e che basta qualche centinaio di milli-ampere per causare danni fisiologici gravissimi da folgorazione. Il principio sul quale si basa il funzionamento del parafulmine, tiene conto del modo naturale di propagarsi e scaricarsi del fulmine stesso e lo utilizza convenientemente. Si predispone intenzionalmente una zona ristretta di maggiore attrazione nella parte superiore di un albero, intorno alla quale l'aria è fortemente ionizzata, associando a essa idonei sistemi di dispersione al suolo della scarica elettrica. Se un automobile viene colpita da un fulmine, l'elettricità si dovrebbe scaricare a terra attraverso l'armatura metallica bagnata (l'acqua costituisce la messa a terra dalla carrozzeria ai copertoni bagnati al suolo) della carrozzeria e lasciare illesi gli eventuali occupanti. (effetto gabbia di Faraday). In questo senso l automobile funzionerebbe da parafulmine per i suoi occupanti(..) In caso di carrozzeria non bagnata ed asciutta, però, potrebbe risultare difficile la messa a terra attraverso i copertoni che essendo di gomma vulcanizzata sono un ottimo materiale isolante. In questo caso la carica elettrica accumulata potrebbe non scaricarsi completamente a terra, oppure potrebbe scaricarsi tramite la prima persona con scarpe non isolanti che la toccasse o tramite l umidità dell aria. 10 / 10