LEZIONE 9: FENOMENOLOGIA DEL FULMINE
1.1
TEORIE SULLA GENERAZIONE DEL FULMINE
Il fulmine è un fenomeno meteorologico caratterizzato da una fitta successione di eventi:
accumulo e separazione di cariche elettriche in una nube temporalesca, formazione e sviluppo di
canali di prescarica, in cui le correnti in gioco sono dell’ordine al più delle centinaia di Ampère,
formazione e sviluppo del canale principale, eventualmente ramificato, sequenza di uno o più
“colpi di ritorno”, in cui le intensità di corrente possono essere cento-mille volte superiori. I
fenomeni di scarica suddetti, la cui durata complessiva è dell'ordine del secondo, sono
accompagnati dall'emissione di radiazioni visibili (lampo), emissioni sonore (tuono) e onde
elettromagnetiche capaci di determinare gravi anomalie di funzionamento in apparecchiature
elettriche ed elettroniche a terra e a bordo di velivoli.
Lo studio dei fenomeni associati al fulmine si collega alla storia dell’Uomo sulla terra, ma
solo nel XVII secolo compaiono le prime teorie scientifiche a riguardo .
Le prime osservazioni sperimentali significative a riguardo furono condotte da Benjamin
Franklin, il quale dimostrò che il fulmine è un fenomeno di tipo elettrico, attraverso un
esperimento in cui si servì di un semplice aquilone.
Alla base della generazione del fulmine vi è la separazione all'interno della nube di cariche
di polarità opposta : negative nella parte inferiore e positive in quella superiore.
In che modo si carichino elettricamente le nubi temporalesche non è ancora del tutto chiaro
ma sono essenzialmente due le teorie maggiormente considerate per quanto riguarda la
formazione e la separazione di queste cariche :la teoria di Wilson [1] e la teoria di Simpson
[1].
1
La teoria di Wilson, in particolare, si basa sull' ipotesi che particelle di polvere e piccole
gocce raccolgano una certa quantità di ioni positivi e negativi presenti in grande abbondanza.
Sotto l'effetto della gravità le gocce più grandi scendono con una velocità più alta e portano
verso il basso le cariche negative, viceversa le gocce più piccole che scendono con una
velocità minore riescono a raccogliere gli ioni positivi e quindi trattengono le cariche positive
nella parte alta della nube dando così origine alla separazione delle cariche.
Da misure eseguite attraverso sonde aerostatiche e misure del campo al suolo si è
riscontrato che la nuvola è carica positivamente nella parte superiore e negativamente in
quella inferiore, ma si è registrata anche una consistente concentrazione di cariche positive in
una zona localizzata nella parte inferiore della nube [2].
Il modello di Wilson, che non prevede la presenza di questa zona a carica positiva nella
parte bassa della nuvola, è stato quindi rivisto da Simpson che costruì un nuovo modello a tre
zone di carica .
Simpson osservò inoltre che la separazione tra le due zone a carica positiva e negativa
avviene al di sotto del punto di congelamento mentre la formazione della carica positiva alla
base della nube si ha per temperature superiori a quella di congelamento.
Fig.1: Distribuzione di carica in una nuvola
1.2 LA FORMAZIONE DELLA SCARICA
Una volta ottenuta la separazione delle cariche all'interno della nube, la carica negativa
della nuvola fa in modo che la terra posta di fronte ad essa si carichi positivamente per
induzione. Lo spazio compreso tra nuvola e terra sarà sede di un campo elettrico (Fig. 2);
quando quest'ultimo raggiunge il valore critico si ha la scarica.
2
Fig.2: Distribuzione di campo elettrico nello spazio nube-terra
La scarica che può apparire ad occhio nudo come un singolo flash è in realtà composta da
diverse scariche della durata di 1-2 ms che si susseguono ad intervalli di circa 40-80 ms [3].
Il fulmine ci appare come un unico lampo proprio per l'incapacità dell'occhio umano di
risolvere i singoli impulsi luminosi associati alle singole scariche.
Il canale di scarica può procedere dalla nube verso terra o viceversa (fulmine nube-terra,
Fig.3a), verso un’altra nube (fulmine internube, Fig.3b), all’interno della stessa nube (fulmine
intranube, Fig.3c) oppure si sviluppa dalla nube senza raggiungere apparentemente una
particolare zona all’esterno della nube (fulmine nube-aria). Il fulmine può avere un aspetto
filamentare o (specie in alta quota) quello di una scarica diffusa.
Fig.3.a
Fig.3.b
Fig.3.c
Pur essendo il fulmine intranube indubbiamente il più frequente, in letteratura viene data
particolare attenzione al fulmine nube-terra, sia per la più diffusa importanza dello studio dei
disturbi sugli impianti al suolo, sia per la possibilità di uno studio più dettagliato nelle
apposite stazioni sperimentali di captazione.
Ciascuna scarica che compone il fulmine procede dalla nube verso terra seguendo uno
stesso percorso predeterminato dal cosiddetto stepped leader (canale precursore). Lo stepped
leader è costituito da un flusso di cariche negative avanzante a tratti (step) dalla nube verso
terra.
Alla base della nascita del leader vi è il cosiddetto fenomeno della scarica preliminare.
Prove fotografiche risalenti ad esperimenti portati avanti negli anni '50 da Malan [4] hanno
3
infatti mostrato che le nuvole producono una luminosità della durata di centinaia di
millisecondi prima che il leader si propaghi verso terra ed a questi fenomeni è stato dato il
nome di "preliminary breakdown" (scarica preliminare) , essi sono dovuti infatti alla presenza
di scariche all'interno delle nubi che conducono alla formazione del leader.
Una volta che il leader che si è così formato, giunge in prossimità del suolo, il campo
elettrico tra l'estremità inferiore del canale e la terra raggiunge un ampiezza molto elevata
generando una o più scariche che si muovono dalla terra verso l'alto : ha così inizio
l'attachment process (fase di attacco). La fase di attacco può avvenire con analoghe
caratteristiche anche con un aereomobile.
Quando una delle scariche che si dirigono dalla terra verso l'alto raggiungono il canale
discendente a qualche decina di metri dal suolo, il canale precursore sarà connesso a terra ; le
cariche inizialmente presenti lungo il canale e sulla nube si scaricano a terra grazie alla scarica
di ritorno (detta "return stroke") che si propaga attraverso il canale precedentemente ionizzato.
La velocità di ritorno di un return stroke è tipicamente pari ad 1/3 della velocità della luce
mentre il valore di picco della corrente raggiunge in media i 30 kA [3]. L'energia associata al
return stroke riscalda il canale precursore fino ad una temperatura di circa 30000 K ed il
repentino riscaldamento dell'aria, che si espande in modo esplosivo, genera onde d'urto che
producono il tuono.
Dopo che si è verificato il return stroke, la corrente cessa di fluire ed il fenomeno quindi
dovrebbe terminare. In realtà ci possono essere nella nube dei nuovi centri di carica dovuti alla
presenza di ulteriori scariche denominate J e K processes ; in tal caso si potrà avere un
cosiddetto "dart leader" che si propaga verso il basso lungo il canale ancora esistente del
primo return stroke creando le condizioni per un successivo colpo di ritorno. Una particolarità
dei dart leaders e degli strokes successivi al primo è che, a differenza di quest'ultimo, in
genere essi non sono ramificati.
Una citazione occorre farla anche per il fenomeno della scarica positiva :in rarissimi casi il
leader che procede verso terra risulta essere carico positivamente anziché negativamente.
Infine, in presenza di strutture molto alte o di montagne, si può talvolta riscontrare uno
stepped leader, carico positivamente o negativamente, che procede da terra verso l'alto
ramificandosi in questa direzione.
4
Fig.4 – Principali fasi della scarica di un fulmine discendente
1.2.1 La scarica preliminare
La presenza di scariche preliminari che precedono lo stepped leader è stata dimostrata sia
dalle prove fotografiche effettuate da Malan negli anni'50, sia dall'analisi del campo
elettromagnetico negli istanti immediatamente precedenti al primo return stroke.
Si è misurato infatti che le variazioni del campo hanno una durata di qualche decina di
millisecondi e poiché la durata dello stepped leader è di solito molto inferiore a tale valore,
gran parte del cosiddetto "prestroke field" è attribuito alla presenza di scariche preliminari
all'interno della nube [3].
Ciò che invece non è stato provato ancora con certezza è la presenza di una relazione
causa-effetto tra le scariche preliminari ed il susseguente stepped leader. Clarence e Malan ,
gli studiosi che per primi hanno avanzato questa tesi, ipotizzarono che i canali di scarica
preliminari siano verticali e che le scariche possano originarsi, facendo riferimento al modello
di Simpson, tra la zona carica negativamente ed il centro di cariche positive posto nella zona
inferiore della nuvola ed inoltre possano partire sia dalla zona positiva della nuvola ed andare
verso l'alto che dalla zona negativa ed andare verso il basso [3]. Inoltre essi ipotizzarono, a
partire dall'osservazione del campo, che dopo il preliminary breakdown ci sia uno stadio
intermedio durante il quale i canali delle scariche preliminari si caricano negativamente fino al
punto in cui generano il leader iniziale che si muove verso il basso .
5
Altri studiosi in seguito hanno invece sostenuto che il movimento delle cariche è verticale
all'inizio ma ben presto diviene orizzontale e che le variazioni del campo attribuite da Malan
alla presenza di uno stadio intermedio, possono dipendere proprio da questi canali orizzontali
[3].
Molte pubblicazioni hanno messo in evidenza che nell'andamento del campo, al termine
della fase di scarica preliminare o analogamente all'inizio della successiva fase dello stepped
leader, vi è la presenza di un treno di impulsi la cui forma è stata caratterizzata da Weidmann
e Krider [3] :sono impulsi bipolari e la polarità iniziale tende ad essere la stessa di quella del
successivo return stroke, il tempo di salita è di circa 10µs mentre la durata è intorno ai 50µs .
1.2.2 Il canale precursore
Lo stepped leader è costituito da un flusso di cariche ,in genere negative, che avanzano a
tratti producendo un percorso di aria molto ionizzata lungo il quale si propaga il successivo
return stroke.
Il leader della prima scarica è in realtà preceduto da una scarica pilota (“pilot
streamer’’),che costituisce
la propagazione della prima scarica attraverso l’aria a bassa
ionizzazione, generando condizioni favorevoli per il richiamo della carica spaziale lasciata
indietro, che in tal modo si propaga più velocemente.
Il pilot streamer è percorso da una corrente bassissima (solo pochi ampere) ed ha una
luminosità molto scarsa, tanto che la sua esistenza è solo dedotta più che osservata su
fotografie.
Esso si propaga con una velocità pari all' un per mille della velocità della luce.
Il canale poi procede a zig-zag a seconda delle condizioni che trova, seguendo il tracciato
della “pilot streamer”.
Risulterà quindi un tracciato luminoso che viaggia a salti dando vita ai cosiddetti “stepped
leader”.
Ciascuno “step” viaggia con un percorso approssimativamente rettilineo, e ciascuno di essi
ha una particolare direzione, dando così vita alla classica figura tortuosa del fulmine.
Quando il leader è in procinto di arrivare a terra, si radiano quasi sempre ramificazioni a
partire dal tronco principale che tendono verso terra.
Attraverso questo conduttore ramificato fluiranno le cariche presenti nel canale ionizzato.
In generale si potrà affermare che lo stepped leader porta verso terra una parte della carica
negativa della nube pari a circa 5 C in una decina di ms, con velocità dunque dell’ordine 2⋅105
m/s [1]. Esiste a tal proposito una precisa classificazione degli stepped leader, eseguita sulla
6
base della lunghezza degli step e sulla velocità media con cui viaggiano verso terra, in base
agli studi dello Schonland nel 1938 [3]. In essa compaiono due tipi di canali conduttori a
gradino: α e β.
Il tipo α ha velocità uniforme quando si muove verso la terra, dell’ordine dei 105 m/s, con
step molto più corti e meno luminosi di quelli appartenenti al tipo β, che viceversa inizia con
step lunghi e luminosi e con una velocità di discesa verso terra di 106 m/s, ma poi assume
caratteristiche simili a quelle del tipo α quando si avvicina alla terra.
1.2.3 La fase di attacco
Quando il canale ionizzato si avvicina alla terra oppure ad un oggetto conduttore, il campo
elettrico prodotto dalle cariche presenti sul leader può essere “amplificato” fino al punto in cui
è possibile che "partono" canali ("streamer") verso l’alto, a partire dalla terra o dall’oggetto
conduttore verso il canale leader discendente. Questo processo avviene solo quando la
distanza tra l’oggetto candidato a essere colpito dalla scarica e la parte inferiore del canale
ionizzato raggiungerà un valore minimo, detto “striking distance” (determinato in laboratorio
e variabile tra le decine e le centinaia di metri), al di sotto del quale il campo elettrico generato
dalle cariche sul leader crea le condizioni di scarica. In tal caso questi streamers, il cui punto
di origine sull’oggetto è detto punto di attacco, viaggiando verso l’alto tendono ad unirsi al
leader discendente in un punto che si può supporre a metà strada. L'amplificazione di cui
sopra è evidentemente correlata alla geometria ed ai valori della carica presente nel canale e
della carica immagine dovuta al suolo o all'oggetto conduttore.
1.2.4 Il colpo di ritorno
La fase del return stroke è quella maggiormente approfondita e conosciuta tra tutte le fasi
del fenomeno della fulminazione.
Ci è giustificato dal fatto che innanzitutto essa è la più facile da misurare e che inoltre
comporta gli "inconvenienti elettromagnetici" maggiori a causa delle grosse correnti e degli
elevati campi in gioco.
Sono molti i dati sperimentali a disposizione riguardo ai return strokes : sono stati infatti
più volte misurati campi, correnti, velocità e luminosità legati a questo fenomeno.
Il campo elettromagnetico generato dal return stroke è stato analizzato anche su scale al di
sotto del microsecondo ed in particolare si è giunti alla conclusione che il primo return stroke
in una scarica nube-terra genera un campo elettrico il cui fronte di salita è suddiviso in due
7
parti :vi è un iniziale aumento del campo fino a metà del valore di picco con un tempo di
salita che va dai 2 agli 8 µs ; in seguito si raggiunge il valore di picco del campo in maniera
più ripida in un tempo medio di 90 ns [5].
Per gli strokes successivi al primo la parte meno ripida dura circa 1µs ed inoltre termina
quando si raggiunge all'incirca il 20% del campo.
Infine nelle misurazioni del campo generato dal return stroke sono abbastanza distinguibili
dopo il picco principale, un picco secondario (picco α) ed altri picchi successivi di ampiezza
minore e meno ripidi del primo [5].
1.2.5 Il dart leader
Una volta terminato il return stroke si sarà realizzata la scarica a terra del primo centro di
cariche; il fenomeno della scarica nube-suolo può estinguersi oppure no; quella che ad occhio
nudo appare come una scarica singola può, infatti, essere costituita da più scariche in rapida
successione. Se infatti sulla nube è disponibile una carica maggiore di quella condotta a terra
dal primo colpo, può accadere che fra l’estremità superiore del precedente condotto e la zona
delle nubi ancora cariche si sviluppino delle scariche ramificate che drenano queste cariche
rendendole disponibili per un nuovo condotto discendente. Ci sarà allora una nuova scarica a
terra, il cosiddetto dart leader (così chiamato perché nelle foto ottenute con particolari
macchine dette “streak camera” appare come un dardo di luce che si propaga verso terra) non
ramificata, che percorre lo stesso percorso della prima scarica alla velocità dell’uno per cento
di quella della luce, portando con se una carica dell’ordine di 1 C in circa 2 ms, ed un valor
medio di corrente di 500 A [3].
Come nel caso precedente, anche qui si scaricheranno cariche negative, stavolta quelle del
secondo centro, quando la nuova scarica si avvicina a terra, generando un secondo “return
stroke” con un tempo di salita più veloce del primo. Se ci fosse stato un terzo, un quarto, ...,
centro di carica, si sarebbero avute altrettanti colpi di ritorno. Tra due scariche contigue
appartenenti allo stesso "fulmine" (cioè tali che le correnti fluiscano nello stesso canale) c'è un
intervallo di tempo nel quale non c'è flusso di carica (o per lo meno tale flusso è modesto
rispetto ai valori di picco) .
In tale intervallo il canale nel quale è fluita la carica associata alla prima scarica rimane un
"canale ionizzato" per alcune centinaia di ms, esso rappresenterà un percorso preferenziale per
la successiva scarica (sempre che quest'ultima si manifesti prima che il canale si deionizzi)
[3].
8
1.2.5 Le scariche ascendenti
Su strutture molto alte, specialmente se situate in punti dominanti, durante l’attività
temporalesca possono verificarsi dei gradienti talmente elevati da dare origine a scariche che
sotto la spinta dell’intenso campo elettrico degenerano in vere e proprie scariche ascendenti.
Tali scariche si sviluppano verso l’alto con estensione di centinaia e talvolta migliaia di metri,
procedendo a gradini, ramificandosi e depositando lungo il loro percorso delle cariche di
polarità opposta a quella della nube (Figura 2.5). Il fenomeno, generalmente della durata di
frazioni di secondo, è accompagnato da correnti modeste, mai superiori a qualche migliaio di
Ampere; può accadere però che il canale ascendente incontri dei canali di scarica tra nubi o
dei canali discendenti solo parzialmente sviluppatisi. In questo caso il canale ascendente
costituisce una via tra le nubi cariche e il terreno, lungo la quale può avvenire la scarica a terra
di correnti intense, dello stesso ordine di quelle che si hanno con le scariche discendenti.
Fig.5: fulmine ascendente con tipica ramificazione verso l’alto.
9
Sulla Terra si hanno 16 milioni di temporali all’anno ovvero circa 44 mila al giorno, con la
caduta di 100 fulmini al secondo. Mediamente, in Italia, il numero di fulmini per chilometro
quadrato in un anno (Ng) risulta pari a due. Ma non tutte le zone sono interessate allo stesso
modo dal fenomeno.
Una prima relazione tra il numero di fulmini caduti all’anno e per chilometro quadrato è in
funzione diretta del cosiddetto livello ceraunico Td, secondo la seguente relazione:
N g = 0.04 ⋅ Td
dove:
Il parametro Td o meglio livello ceraunico è un indice della frequenza dei temporali in una
determinata zona e rappresenta il numero dei giorni temporaleschi all’anno in una determinata
zona. È considerato temporalesco un giorno in cui è stato udito almeno un tuono.
Il parametro Ng costituisce il valore medio del numero di fulmini a terra all’anno al Km2
(densità di fulmini a terra).
Altri parametri che influenzano la densità dei fulmini sono la consistenza del terreno, la
presenza del mare o di laghi. Calcoli statistici hanno stabilito una distribuzione media di
questa densità, che viene utilizzata come riferimento per il dimensionamento dei sistemi di
protezione contro i fulmini, con una densità minima di 1,5 fulmini/anno per Km2, media di
2,5 fulmini/anno per Km2, fino ad una densità massima di 4 fulmini/anno per Km2. La norma
CEI 81-3 (2^ edizione) riporta per ogni comune il relativo valore medio del numero dei
fulmini a terra per km2 (Ng). Nella Fig.6 è riportata la mappa delle frequenze annuali di
fulmini a terra in Italia per chilometro quadrato.
ROSSO – 4 Fulmini/km2 anno
VERDE - 2.5 Fulmini/km2 anno
BLU - 1.5 Fulmini/km2 anno
Fig6 - Mappa dei valori medi del numero di fulmini a terra in un anno per chilometro quadrato
10
La caduta di un fulmine può provocare sulle strutture colpite diversi effetti, quali:
• Effetti termici: Il calore sviluppato da un fulmine può fondere metalli e provocare
l’incendio di materiali combustibili o infiammabili, etc. L’altissima temperatura può
sgretolare per esempio gli alberi, facendo evaporare la linfa e, a volte, riesce a fondere la
sabbia, trasformandola in schegge di vetro.
• Effetti meccanici: Le forti correnti elettriche indotte nelle strutture metalliche colpite
causano forze attrattive, di natura elettrodinamica, tali da produrre deformazioni o rotture. Nel
caso di linee elettriche, le forze attrattive possono produrre schiacciamento di cavi o contatto
fra conduttori con conseguenti cortocircuiti.
• Effetti chimici: Le forti scariche causano la formazione di ozono e di composti nitrici
tramite l’ossidazione dell’azoto. In questo ultimo caso è come se nel suolo fossero iniettate
gigantesche quantità di materie azotate.
• Effetti elettromagnetici: Le scariche sono accompagnate da forti emissioni di onde
elettromagnetiche che producono disturbi nelle trasmissioni radio, in particolare nel campo
delle onde lunghe e medie. Le sovratensioni nelle linee elettriche possono causare
danneggiamenti nelle apparecchiature collegate.
Gli effetti su una persona colpita da un fulmine sono generalmente letali, a causa
dell'arresto cardiaco e respiratorio, come in qualsiasi altro caso di folgorazione. Nei casi più
gravi si possono avere carbonizzazione dei tessuti dove la corrente entra ed esce dal corpo.
Tuttavia sono molti i casi di persone rimaste indenni o salvate in seguito ad un pronto
intervento mediante massaggio cardiaco e respirazione bocca a bocca.
Oltre alla perdita di vite umane, a cause dei suoi effetti, il fulmine può portare alla perdita
inaccettabile del servizio pubblico essenziale (interruzione dell’erogazione di acqua, del
servizio telefonico o televisivo, dell’energia elettrica, del gas, ecc.), alla perdita di patrimonio
culturale insostituibile, con conseguenti danni economici di notevole entità.
11
