i temporali ei fenomeni elettrici nell`atmosfera - Digilander

I TEMPORALI E I
FENOMENI ELETTRICI
NELL’ATMOSFERA
TIPI DI TEMPORALI:
TEMPORALI FRONTALI
l’incontro violento di aria caldo-umida, presente nei bassi-strati, con un fronte di aria fredda in
arrivo da Nord-NordOvest.
TEMPORALI CONVETTIVI
rapida ascesa d’aria caldo-umida a quote elevate. Sollevandosi, incontra aria più fredda e si
condensa dando vita alla formazione della cella temporalesca.
Si verificano sin dall’inizio del pomeriggio in montagna, mentre in serata in pianura. In montagna
sono i più elettrici e possono essere seguiti da grandine o da forti acquazzoni.
In Pianura Padana i temporali in situazione di forte caldo umido possono essere più violenti che in
montagna.
INFLUENZA OROGRAFICA DEI TEMPORALI
Le catene montuose sono sottoposte ad una forte attività temporalesca per due cause principali:
-Origine dinamica: in quanto modifica la traiettoria del flusso generale dell’aria
-Origine termica: Differenza di temperatura fra il suolo dei versanti montuosi e l’aria circostante.
Accade però che in presenza di alte cime innevate si verifica una riduzione del processo di
convezione. Infatti nella regione montuosa del Monte Bianco e Cervino si ha un numero di giorni di
temporale piuttosto irrisorio. I temporali sono nettamente più frequenti sulle Prealpi e Alpi del Sud.
Comunque il record di giorni con temporali si ha in Svizzera (Sud Ticino), dove si registrano 50-55
giorni.
COME SI FORMA UN TEMPORALE:
• STADIO DI SVILUPPO
Prima della formazione di un temporale si verifica un cambiamento nella direzione del vento e un
aumento della velocità del vento con l’aumentare dell’altitudine, crea un effetto rotazionale nella
bassa atmosfera.
Si forma un moto ascensionale d’aria che instaura lo sviluppo del temporale
• STADIO MATURO
Nella nube ci sono forti correnti ascensionale che trasformano un cumulo in Cumulus Congestus e
poi in Cumulo Torreggiante.
All’inizio delle precipitazioni la nube assume la forma di incudine e diventa un cumulonembo, in
questa fase la nube raggiunge la massima altezza, fino a 15.000 metri. Si instaura un regime di
correnti discendenti, in questa fase si sviluppano le precipitazioni più intense, fulmini, venti
violenti, tornado.
• STADIO DISSIPAZIONE
Le precipitazioni diminuiscono di intensità sino ad esauririsi. Si possono produrre ancora forti
raffiche di vento e fulmini occasionali. Comunque l’attività è in esaurimento.
I FULMINI e i TUONI
Caratteristica dei temporale, sono i tuoni e i fulmini
COSA SONO I FULMINI E COME SI FORMANO
Nel 1752 Benjamin Franklin scoprì che il fulmine era elettricità facendo volare un acquilone in un
temporale.
• Il fulmine è determinato dalla presenza contemporanea , nella cella temporalesca, di campi
elettrici e di particelle di acqua e di ghiaccio. Quando si raggiunge una determinata differenza di
potenziale si produce una scarica elettrica detta fulmine.
• Durante il passaggio della scarica elettrica, la pressione attorno alla cella aumenta repentinamente
e l’onda d’urto che si crea prende il nome di tuono. La violenza delle scariche è rapportata
all’intensità del campo elettrico formatosi nella nube in alcune nuvole si sviluppano campi di ca.
3500 V.m.
• La direzione assunta dal fulmine è determinata dalla polarità (positiva o negativa) nella nuvola e
sul terreno. Le correnti dei fulmini possono talvolta superare i 10.000 Ampere con una velocità di
propagazione di 330 m/s e una durata di qualche decimo di secondo che porta l’aria circostante il
fulmine ad una temperatura di circa 20.000°C
TIPI DI FULMINE:
1) Fulmine discendente negativo: E’ il più comune. Originato da una traccia negativa, si propaga
dalla carica negativa principale verso il suolo. Alla fine del percorso, la traccia provoca
l’apparizione di un arco di ritorno positivo verso la nuvola w un trasferimento di cariche verso il
suolo. Si sviluppa in pianura e in paesi poco montuosi. Il 90% dei fulmini è di questo tipo.
2)Fulmine discendente positivo: E’ originato da una traccia positiva che si propaga generalmente
da una carica positiva superiore verso il suolo. L’arco di ritorno che ne consegue, presenta una
polarità negativa e un trasferimento di cariche positive dalla nuvola verso il suolo, spesso molto
importante. Questo fulmine è abbastanza raro.
3)Fulmine ascendente negativo: E’ originato dalla propagazione di una traccia positiva
sviluppatasi dal suolo verso la nuvola negativa. E’ seguita da un arco di ritorno positivo e da un
trasferimento di carica negativa dalla nuvola verso il suolo. Questo tipo di fulmine è abbastanza
diffuso in alta montagna
4)Fulmine ascendente positivo: E’ originato dalla propagazione di una traccia negativa che si
sviluppa dal suolo verso la nuvola positiva. E’ seguito da un arco di ritorno negativo e da un
trasferimento di carica positiva, generalmente molto notevole. Questo tipo di fulmine è anche
abbastanza raro.
5) La scarica ascendente positiva: E’ originata dalla propagazione di una traccia positiva che si
sviluppa lentamente dal suolo verso la nuvola, ma che provoca soltanto l’illuminazione successiva
di rami piuttosto corti, senza il trasferimento di carica dalla nuvola verso il suolo.
6)La scarica ascendente negativa: Ha la stessa caratteristica di quella precedente, ma a partire da
un tracciato negativo. Queste ultime scariche appaiono preferibilmente alla fine di un temporale, in
seno a piogge continue e ad iniziare da edifici di grande altezze (piloni a strapiombo, emittenti,
cime). Frequentemente la loro apparizione è preceduta da una scarica intranuvolosoa che si propaga
orizzontalmente per moltissimi chilometri.
DENSITA’ , DURATA E DISTRIBUZIONE DEI FULMINI
DISTRIBUZIONE DI FULMINE
L’emisfero Nord è caratterizzato da una attività elettrica più intensa dell’emisfero Sud.
Attività media di poco inferiore alle 100 scariche elettriche al secondo. Massimo a fine pomerigio e
minimo dopo il sorgere del sole. Negli Oceani la situazione si inverte: 37% all’alba e 15% al
crepuscolo.
DURATA E DENSITA’ DEL FULMINE
La durata dell’attività elettrica in un cumulonembo varia da alcuni minuti per una cellula
temporalesca isolata, a diverse ore, per un temporale multicellulare stazionario. La frequenza e la
violenza dei fenomeni elettrici sono strettamente legati alla combinazione nella troposfera dei 4
parametri meteo: Temperatura, vento, umidità, pressione. La violenza dei fenomeni elettrici
aumenta con il diminuire della temperatura nei livelli alti della nube (esempio +26 °C al suolo; -24
a livello medio, -60 alla sommità della nube).
Quando vi è aria secca al suolo, ci sono temporale secchi, cioè con forte caduta di fulmini. Se le
basi nuvolose sono alte, i lampi sono ramificati e spettacolari, mentre quando è presente molta
umidità ci sono forti temporali di pioggia.
Un altro aspetto preponderante nella violenza dei fenomeni elettrici, è la velocità del vento nell’alta
troposfera e la velocità verticale delle correnti ascendenti.
Sembra che il tasso dei lampi sia in correlazione con la velocità di propagazione dei tracciatori
intranuvolosi.
Inoltre la presenza di un nucleo di cariche positive posto nella parte inferiore di un cumulonembo, è
determinante per la frequenza di folgorazione.
FENOMENI ELETTRICI PARTICOLARI
FUOCO DI SANT’ELMO
Si chiama in questo modo il fenomeno, d’origine elettrica, precursore di un temporale. Sono
costituiti da ciuffi luminosi o effluvi che appaiono all’estremità di un albero di navi o di piccozze di
alpinisti, in modo generale, alle punte di oggetti metallici e generati dall’elettricità atmosferica. Essi
sono accompagnati da uno screpitio caratteristico e sono annunciatori del fulmine, e non viene
ignorato da i marinai e alpinisti.
E’, sembra, verso il XV-XVI sec. che i marinai introdussero la terminologia "Fuoco di Sant’Elmo"
per indicare l’apparizione di questi ciuffetti luminosi sulle imbarcazioni. Essi li interpretarono come
segno di protezione del Santo e accolsero la loro apparizione con gioia. Sant’Elmo alla deriva in
mare a bordo di una barca, sarebbe stato raccolto, secondo la leggenda, da una nave, e in segno di
gratitudine per il capitano, gli promise che gli avrebbe inviato dei fuochi per avvertirlo in caso di
tempesta.
La spiegazione dei fuochi di Sant’Elmo è oggi ben conosciuta in accordo con le leggi
dell’elettrostatica : si tratta di un rinforzo del campo elettrico, seguita a una concentrazione più
elevata di linee di forza in prossimità di una asperità o di un oggetto appuntito, è ben accertato
d’altra parte che, per provocare un processo di ionizzazione e flussi elettrici nell’aria atmosferica a
una pressione normale, è necessario un campo elettrico dell’ordine di 30 kV *cm-1 . Un campo che
raggiunge questo valore può facilmente essere prodotto in prossimità di una punta anche se il
campo ambientale è molto inferiore. E’ l’effetto di corona o caricamento di punte, già menzionato. I
flussi si manifestano attraverso degli effluvi di colore bluastro che possono raggiungere alcuni
centimetri. Il campo elettrico può ugualmente generare delle forze elettrostatiche sulla superficie dei
corpi con la conseguenza, che se tali forze si applicano all’essere umano possono produrre talvolta
degli effetti inattesi (capelli drizzati, piccole scosse elettriche, ecc.).
IL FULMINE GLOBULARE
CARATTERISTICHE
Generalmente di forma sferica, il diametro di un BL può variare dai 2 cm ai 10 m, ma la
distribuzione ha un
massimo attorno ai 20-50 cm. Il bordo del BL si presenta lievemente sfumato e certe volte
all'interno è visibile un nucleo più chiaro La durata del fenomeno va da un secondo fino a diversi
minuti.
Generalmente le sfere sono colorate: rosso, arancione, giallo, bianco e blu sono i colori più
ricorrenti.
Si osservano anche BL con diversi colori contemporaneamente. Molto raramente i BL appaiono
in configurazione multipla: una serie di BL uno dietro l'altro. In questo caso si parla di "Bead
Lightning".
La luminosità media è paragonabile a quella delle lampade domestiche da 100 W. I BL sono quindi
visibili anche in pieno giorno. Di solito la luminosità delle sfere resta costante durante l'apparizione
per
decadere durante la fase di scomparsa.
I BL possono materializzarsi all'interno di edifici ed aerei (durante i temporali) oppure
semplicemente all'aperto.
La caratteristica che distingue un BL da tutte le altre manifestazioni atmosferiche luminose (ad
esempio i
fuochi di Sant'Elmo) è l'estrema varietà del moto. Percorsi a zig-zag, stazionamenti e variazioni
repentine
di quota sono la caratteristica saliente del fenomeno.
Infatti è difficile confondere un BL con un normale bolide.
Un BL può mostrare delle proprietà davvero inusuali, come ad esempio penetrare all'interno delle
abitazioni
passando attraverso porte, finestre e caminetti.
PROBABILITA’ DI OSSERVAZIONE
Secondo Smirnov la probabilità media P di osservare un BL nell'arco di una vita media di 80 anni è
dello 0.63%, mentre per quanto riguarda i fulmini possiamo senz'altro assumere che sia del 100%.
Mentre la densità di probabilità W di osservare un BL per unità di superficie e tempo otteniamo
W=1/ 20 Km2 x anno, mentre il valore di W per i fulmini è di soli 1/ 5.4 Km2 x anno. Da qui segue
il risultato che ci sono 4 BL per ogni fulmine! Il BL è un fenomeno molto frequente ma raramente
osservato
CASI DI APPARIZIONE DI FULMINI GLOBULARI
• Mosca nel 1977 quando un BL arancione del diametro di circa 5 cm entrò in un'aula bucando il
vetro della finestra e dissolvendosi subito dopo. Il buco lasciato nella finestra è simile a quello che
può essereottenuto da un laser infrarosso a CO2: senza traccia di tensioni meccaniche nel vetro.
• Oxford, Inghilterra 1945. Pomeriggio durante un temporale. Due ragazze si trovavano nel salotto
della loro casa davanti al caminetto. All'improvviso si accorsero che all'interno della stanza era
presente una sfera luminosa grande come una palla da tennis, più scura al centro e dai bordi sfumati.
La "palla" si mosse lentamente verso il caminetto tenendosi lontano dai muri e dagli altri oggetti
presenti nella stanza fino a sparire esso stesso. La durata dell'evento è stata stimata in circa 30
secondi.
• 3 ottobre 1936 nei sobborgi di Londra. Un corrispondente del "Daily Mail" si trovava a casa
durante un temporale quando vide scendere dal cielo una sfera arancione grande come un'arancia. Il
BL entrò in casa bruciacchiando la finestra, fuse i fili del telefono e si tuffò in una tinozza piena di
18 litri d'acqua. L'acqua si mise a bollire e solo dopo 20 minuti l'esterefatto testimone riuscì ad
immergervi la mano per cercare residui del BL. Non trovò niente, ma con i dati di questa
testimonianza si può stimare che l'energia minima del BL era di 6 MJ.
TEORIE SUI FULMINI GLOBULARI
• ELETTROMAGNETICA (KAPITZA 1955)
• La vita dei fulmini globulari, dovuta alla presenza di una forte energia fra nubi e suolo, originato
da i temporali. Nelle zone in cui le onde elettromagnetiche hanno intensità massima (interferenza
costruttiva) si può verificare la separazione degli elettroni dagli atomi e molecole dell’atmosfera
producendo una piccola zona ionizzata detta plasma, provocando una ulteriore ionizzazione
dell’aria. Così nasce il fulmine globulare che emette radiazione a causa della ricombinazione di ioni
ed elettroni. Il fulmine globulare esiste fino a quando ci sono le onde stazionarie. Il problema di
questa teoria è che la frequenza d’onda di radiazione che alimenta i F.G. (300Mhz) non viene
prodotta durante i temporali ed inoltre è impossibile giustificare l’elevata potenza di alcuni F.G.
• Alcuni esperimenti in laboratorio hanno dato luogo a fenomeni luminescenti.
• MICROTEMPORALI (HILL 1960)
• Per Hill il fulmine che precede il F.G. produce una separazione delle cariche negative (elettroni) e
positive (ioni), che vengono catturate da polveri atmosferiche. Le regioni con cariche opposte
rimangono separate, finchè non scoppiano fulmini da una regione all’altra dando luogo a fulmini in
miniatura che creano un F.G. uniforme (microtemporali).
• L’unico difetto della teoria, è che non è ben chiaro il processo di separazione della cariche.
• AEROGEL (SMIRNOV 1977-87-93)
• Si suppone che a causa di corrente elettrica tra nube e suolo, l’aria può essere ionizzata e si
separano le cariche elettriche. Nasce così il plasma unipolare, in cui è contenuto dell’aerosol
atmosferico. In questo modo le cariche elettriche possono essere raccolte dalle particelle, formando
un ammasso poroso noto come aerogel, dotato di carica elettrica.
• Le reazioni chimiche all’interno sono molto più lente che nel plasma puro. Si spiega così, la vita
lunga di certi F.G., anche in assenza di alimentazione dall’esterno.