Caratteristiche dei fulmini

Dipartimento federale dell‘interno DFI
Ufficio federale di meteorologia e climatologia MeteoSvizzera
Il fenomeno dei fulmini
dal punto di vista
meteorologico
M. Gaia
Responsabile Centro regionale sud
Lodrino – 3.5.2014
Fonte: http://www.crh.noaa.gov/pub/ltg/plane_japan.php
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
2
Ticino: terra di fulmini?
Prof. K. Berger
(ETH Zurigo)
sul S. Salvatore
dal 1943 al 1982
No fulmini CG /
km2 e anno
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
http://www.montesansalvatore.ch/it/cultura/museo/
3
Foto: Gerhard Riedl, 23.7.2013
Densità fulmini nube / suolo
Densità dei fulmini nube – suolo in Svizzera, per km2 e all’anno
(Dati: Meteorage / Elaborazione: MeteoSvizzera)
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
4
Ticino, terra di fulmini !
Berna
S. Gallo
Jungfraujoch
Pully
Sion
Neuchâtel
Basilea
Lugano
Piz Corvatsch
Lucerna
Locarno-Monti
Gütsch
32
64
62
41
18
49
64
92
54
81
100
39
Numero medio all’anno di scariche «vicine» (fra 0 e 3 km)
Media sul periodo 2005- 2013
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
5
Climatologia dei fulmini
•
Distribuzione della
frequenza dei fulmini:
•
•
massimo nelle Prealpi
minimo sulla Pianura
padana
minimo nelle Alpi
•
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
6
Ticino, «terra di fulmini»
Berna
S. Gallo
Jungfraujoch
Pully
Sion
Neuchâtel
Basilea
Lugano
Piz Corvatsch
Lucerna
Locarno-Monti
Gütsch
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
32
64
62
41
18
49
64
92
54
81
100
39
Numero medio all’anno
di scariche «vicine»
(fra 0 e 3 km)
Media sul periodo 2005- 2013
7
Climatologia dei fulmini in Ticino
Numero di giorni
Giorni con temporali a Lugano
16
14
12
10
8
6
4
2
0
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
1
2
3
4
5
6
7
Mese
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
8
9
10
11
12
2001
2002
8
Cosa è un fulmine?
•
I fulmini sono scariche elettriche
transitorie con alta intensità di
corrente e sono rese visibili dalla
ionizzazione temporanea dell’aria.
•
Esse si originano quando esiste
una differenziazione di potenziale
sufficiente tra diverse regioni
dell’atmosfera e/o della superficie
terrestre.
•
Esistono diversi tipi di fulmine che si
possono classificare secondo la loro
dinamica e le loro caratteristiche
elettriche.
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
9
Tipi di fulmini
Fulmine intranube
Fulmine nube-nube
Fulmine nube-suolo
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
10
Come si formano?
•
Fenomeno complesso che abbraccia
decine di ordini di grandezza
(micro <-> macro).
•
Molte teorie, poche certezze
sul dettaglio.
•
Separazione delle cariche elettriche
per sfregamento, favorito dalle intense
correnti d’aria interne alla nube che
spostano gocce di pioggia e chicchi di
ghiaccio.
•
Diversi meccanismi in atto
 ripartizione complessa delle cariche
elettriche all’interno delle nuvole
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
11
Uno sguardo più da vicino …
Grandine / graupel
Gocce sopraffuse
Fiocchi di neve
(cristallini di ghiaccio)
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
12
Distribuzione delle cariche
+
-20 °C
-10 °C
Grandine
Pioggia
Neve/ghiaccio
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
+
13
Fasi di formazione di un fulmine
1
3
1
canale precursore
(stepped leader)
2
Precursore verso l’alto
(positive leader)
3
Colpo di ritorno
(Return stroke)
Fulmine ben visibile
2
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
14
(Foto: S. Zanini)
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
15
Colpi di ritorno successivi
L‘immagine mostra una
sequenza di colpi di
ritorno di un “apparente”
unico fulmine.
L‘apparecchio
fotografico è stato
velocemente mosso per
visualizzare i diversi
colpi che seguono lo
stesso canale.
(Foto: G. Kappenberger)
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
16
incendi da fulmini | M. Gaia
Non Seminario
sempre
il fulmine cade laddove vi sono le precipitazioni (più intense) !
17
Le nuvole temporalesche
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
18
Quando si forma un temporale?
•
Instabilità atmosferica
•
Sufficiente umidità atmosferica
•
Meccanismo di innesco (triggering)
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
19
Dipartimento federale dell‘interno DFI
Ufficio federale di meteorologia e climatologia MeteoSvizzera
Fasi di sviluppo
di un temporale
gocce acqua T> 0°C
-40 °C
0 °C
LC
Cu humilis
21
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
Fasi di sviluppo
gocce acqua T> 0°C
gocce acqua T< 0°C (sopraffuse)
-30 °C
0 °C
LC
Cu humilis
Cu mediocris
22
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
Fasi di sviluppo
gocce acqua T> 0°C
gocce acqua T< 0°C (sopraffuse)
-40 °C
0 °C
LC
Cu humilis
Cu mediocris
Cu congestus
23
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
Fasi di sviluppo
gocce acqua T> 0°C
gocce acqua T< 0°C (sopraffuse)
cristalli di ghiaccio / graupel / grandine
-40 °C
0 °C
LC
Cu congestus
Cb calvus
24
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
Fasi di sviluppo
Fase matura
Fase di dissipazione
cristalli di ghiaccio
/ graupel / grandine
Cu nimbus
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
25
Temporale stazionario
Temporale da calore
Deboli venti in quota
Durata tipica: ca. 30 min – 1 h
gocce acqua T> 0°C
gocce acqua T< 0°C (sopraffuse)
cristalli di ghiaccio / graupel / grandine
Raffiche di vento
(windgust) e turbolenze
nella zona di contatto
fra aria fredda e calda
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
Outflow
Raffiche di vento
(windgust) e turbolenze
nella zona di contatto
fra aria fredda e calda
T = 15 °C
Outflow
T = 25 °C
26
Temporale (frontale) in movimento
Venti in quota moderati
Durata: anche diverse ore
Direzione di movimento
Vento
T = 15 °C
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
T = 25 °C
27
Temporale
in movimento
Venti in quota
moderati
Durata: anche diverse ore
Vento
Mammatus
Hail - tower
T = 15 °C
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
T = 25 °C
28
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
Foto: M. Stoll
29
Temporali termici
•
forte riscaldamento in prossimità del
suolo
•
seguono il ciclo diurno ma possono
estendersi anche nella notte
•
solo nel semestre estivo
(aprile / ottobre)
•
localizzati (convergenze al suolo)
•
limitato spostamento spaziale
•
zone di precipitazioni circoscritte
Somma precipitazioni su 10 min,
(10 - 24 UTC (circa) )
22.07.2013
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
30
Isorno, 22.07.2013
Somma precipitazioni
Probabilità di grandine
( stima intensità temporale)
 Pressione livellata
 Sviluppo di temporali a ciclo diurno
 Molto caldo (canicola)
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
Distribuzione fulmini
31
Temporali termici
•
forte riscaldamento in prossimità del
suolo
•
seguono il ciclo diurno ma possono
estendersi anche nella notte
•
solo nel semestre estivo
(aprile / ottobre)
•
localizzati (convergenze al suolo)
•
limitato spostamento spaziale
•
zone di precipitazioni circoscritte
Somma precipitazioni su 10 min,
(10 - 24 UTC (circa) )
20.07.2013
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
32
Arbedo, 20.07.2013
Somma precipitazioni
Probabilità di grandine
( stima intensità temporale)
Distribuzione fulmini
 Sviluppo diurno dei temporali
 Sviluppo di cumuli ben sviluppati, ma con poche precipitazioni.
 In serata passaggio di due linee temporalesche poco attive.
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
 Arbedo molto sul margine delle precipitazioni (anzi praticamente asciutto).
33
Temporali frontali / disturbi in quota
•
arrivo di aria fredda
(fronte freddo / goccia fredda)
•
solitamente organizzati
•
non seguono il ciclo diurno
Somma precipitazioni su 10 min,
(12 - 18 UTC (circa) )
03.08.2013
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
34
Malvaglia, 3.08.2013
Somma precipitazioni
Probabilità di grandine
( stima intensità temporale)
Distribuzione fulmini
 Temporali isolati sulla bassa Valle di Blenio, dovuti a piccolo disturbo in quota
 All’interno della zona del temporale
 Quantitativi poco significativi (sui 10 – 15 l/m2)
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
35
Situazione «mista»
•
ciclo diurno per rafforzare
l’instabilità termica
•
arrivo di aria fredda
(fronte freddo / goccia fredda)
Somma precipitazioni su 10 min,
(12 - 24 UTC (circa) )
23.07.2013
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
36
Personico, 23.07.2013
Somma precipitazioni
Probabilità di grandine
( stima intensità temporale)
Pixel verdino: Bodio
Pixel circostanti: Personico
Distribuzione fulmini
 Situazione generale: ciclo diurno dei temporali, disturbo in quota
 molto caldo (situazione di canicola)
 Temporali isolati sull’Alto Ticino
37
Seminario incendi da
fulmini
| M. Gaiadella zona maggiormente interessata dai temporali.
 Tendenzialmente
sul
bordo
 Quantitativi poco significativi (sui 10 l/m2)
E terminiamo con un quiz …
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
38
Moleno, 10.08.2013
Somma precipitazioni
Probabilità di grandine
( stima intensità temporale)
 Cuneo di alta pressione
 Cieli sereni, con tendenza favonica
 Fulmine a ciel sereno?
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
Anche 09.08.2013 nessuna attività temporalesca.
Distribuzione fulmini
39
La soluzione dell’enigma …
Somma precipitazioni su 10 min,
(18 - 24 UTC (circa) )
07.08.2013
Somma precipitazioni su 10 min,
(02 - 18 UTC (circa) )
08.08.2013
 Situazione di sbarramento sul versante sudalpino
 Zona frontale o saccatura stazionaria
più o meno sulla Svizzera (a ovest del Ticino).
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
40
Riassumendo
• Il Ticino è una «terra dei fulmini»
• Tipico fenomeno della stagione estiva.
• Improvviso, è impossibile prevedere dove colpisce.
• I fulmini possono colpire anche zone «asciutte» o ai margini
di quelle con le maggiori precipitazioni.
• Tendenzialmente fenomeno pomeridiano / serale, ma con
passaggio dei fronti può avvenire in ogni momento della
giornata.
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
41
Grazie per l’attenzione !
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
Foto: M. Stoll
42
Caratteristiche dei fulmini
(es. nube –suolo)
•
•
•
velocità del colpo di ritorno
circa 1/3 di quella della luce
diametro del canale ionizzato:
pochi centimetri
temperatura all’interno del
canale 30’000 K
http://www.oklahomalightning.com/
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
43
Caratteristiche dei fulmini
(es. nube –suolo)
•
•
•
•
•
•
•
differenza potenziale nube –suolo:
100’000 V/m su circa 1 km d’altezza
corrente 30 kA ( range 2-200 kA)
carica totale depositata:
ca. 5-10 Coulomb
potenza di punta 1012 W
salita della cresta di corrente primo colpo:
~ 30 microsecondi
per i colpi successivi
~ 1 microsecondi
decadimento dell’emivalore:
50-100 microsecondi
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
44
Caratteristiche dei fulmini
(es. nube –suolo)
•
Il 90% dei fulmini si scarica in un raggio di
8 km dalla cella temporalesca principale.
•
Il 9% a una distanza fra 8 e 16 km dalla
cella temporalesca principale.
•
L’1% di scarica a una distanza superiore ai
16 km dalla cella temporalesca principale.
Fino a 30 min dopo la fine delle
precipitazioni vi possono ancora essere
delle attività elettriche.
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
45
Climatologia dei fulmini
Densità dei fulmini per km2 e anno
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
46
La Terra, un grande condensatore
Ionosfera (200 – 500 km)
+ +
105 V
• Campo elettrico vicino al suolo: 100 – 150 V/m
• Campo elettrico in quota: 10 V/m
1500 A
--
Seminario incendi da fulmini | M. Gaia
• La Terra si “scaricherebbe” in 300 s
• Ma ci sono i circa 2000 temporali che in ogni
istante sono presenti sulla Terra, continuano
a mantenere la differenza di potenziale
fra suolo e alta atmosfera
47