e
Fulmini
fra la Terra e lo spazio
/
STELLE
Al di sopra dei temporali si è scoperta
una bizzarra varietà
di fenomeni elettrici
di Stephen B. Mende, Davis D. Sentman ed Eugene M. Wescott
FOLLETTI (FRA 50 E 90 CHILOMETRI
DI QUOTA)
STRATO DI NUBI
(FRA 5 E 10 CHILOMETRI
DI QUOTA)
LUCI AL SUOLO
«folletti» sono lampi luminosi di alta quota che compaiono al
di sopra delle nubi temporalesche. nella regione atmosferica
detta mesoskra. Benché questi fenomeni siano generalmente
rari. in alcuni temporali si verificano con una certa frequenza.
Di solito le regioni superiori delle nubi sono cariche positis amente e quelle inferiori sono cariche negatiNamente. Nella
maggior parte dei casi è la base negativa di tma nube a produr-
52
\/I IL 350. Ottobre 109-
re un lampo diretto al suolo; ma a volte la parte superiore, poi-tiva. può scaricare direttamente a terra, dando origine a un
fulmine di eccezionale intensità. Circa uno su 20 di questi lampi che provengono dalle regioni positive delle nubi ha energia
sufficiente a produrre un folletto. Questi esempi, registrati da
terra con una videocamera monocromatica, sono stati colorati
conformemente a un'immagine a colori ottenuta da un aereo.
nche dopo che la scienza moderna ha spiegato la natura elettriA ca del fulmine, questo fenomeno, che fin dall'antichità ha affascinato
e terrorizzato l'uomo con il suo splendore e la sua violenza, ha conservato un
certo alone di mistero. Molti osservatori hanno descritto strane luci che balenavano ad alta quota nel cielo notturno;
alcune di queste curiose osservazioni
potevano essere interpretate come aurore o nubi bizzarramente illuminate, ma
altre lasciavano perplessi. In particolare, durante voli notturni, alcuni piloti
avevano occasionalmente osservato strani lampi al di sopra di nubi temporalesette. La maggior parte degli scienziati considerò questi resoconti i i o affidabili fino al 1990, allorché John R.
Winckler e colleghi dell'Università del
Minnesota catturarono per la prima
volta con una videocamera uno di questi enigmatici «fantasmi».- Le loro immagini rivelarono l'esistenza di fulmini
di configurazione in precedenza ignota.
Il risultato di Winckler ha ispirato
una frenetica attività di documentazione dei fenomeni elettrici di alta quota, e
da allora sono stati riferiti centinaia di
avvistamenti analoghi, effettuati dagli
space shuttle, da aerei e da osservatori
a terra. Si è così a poco a poco compreso che i fenomeni simili al fulmine non
sono affatto limitati agli strati più bassi
dell'atmosfera, quelli compresi fra le
nubi temporalesche e il suolo. In effetti,
oggi gli scienziati sanno che scariche
elettriche si verificano regolarmente nell'atmosfera rarefatta tino a 90 chilometri al di sopra delle nubi.
È notevole che questi eventi, molti
dei quali sono visibili anche a occhio
nudo, siano stati scoperti solo in epoca
così recente. In retrospettiva, l'esistenza di un qualche tipo di fulmine nell'alta atmosfera non avrebbe dovuto essere
una sorpresa per gli scienziati. Si sa da
molto tempo che, ben al di sopra delle
regioni turbolente dell'atmosfera, la radiazione ultravioletta solare sottrae elettroni alle ruglecole di gas con cui
«lor .
viene a contatto. Questo processo dà
origine alla ionosfera, uno strato elettricamente conduttore che circonda come
un scio tutta la Terra. Fra le nubi
temporalesche e la ionosfera può esistere una differenza di potenziale rilevante, proprio come accade fra le nubi
e il suolo. Alimentato da queste tensioni elevatissime., fulmine può invadere ciascuna delle due zone quando l'atia - che normalmente è un isolante elettrico - si ionizza e forma un canale
conduttore che la corrente elettrica è in
grado di seguire.
Dato che la densità dell'atmosfera
diminuisce con la quota, i fulmini che
si producono negli strati più elevati dell'atmosfera coinvolgono un numero
minore di molecole di gas e danno origine a colori che non si osservano nelle
scariche più usuali. Questi fulmini di
solito appaiono rossi e sono solo debolmente visibili. È quindi necessario im-
11.
piegare videocamere molto sensibili
per registrare tali eventi sullo sfondo
del cielo notturno. La scarsità della luce prodotta dal fenomeno e la natura
istantanea dell'emissione si combinano
nell'opporre gravi difficoltà tecniche ai
ricercatori impegnati nello studio di
questi spettrali eventi atmosferici. Tuttavia, nel giro di pochi anni. le conoscenze in proposito hanno fatto registrare notevoli progressi.
Due di noi (Sentman e Wescott)
hanno organizzato campagne di ricerca
impiegando aerei a reazione appositamente equipaggiati. Tutti e tre (e come
noi molti altri) abbiamo studiato l'attività elettrica ad alta quota anche da
terra: er esem io ci riuniamo o ni
anno su invito di Walter A. Lyons. uno
scienziato dell'ASTeR di Fort Collins
(in Colorado), e sistemiamo la nostra
strumentazione nel suo laboratorio in
giardino, un sito che offre una -vista indisturbata del cielo notturno sopra le
perturbazioni temporalesche che percorrono le Great Plains. (Le immagini
alle pagine 52 e 54 sono state realizzate in questo osservatorio informale.)
Anche Umran S. Inan e colleghi della
Stanford University hanno registrato
onde radio a bassa frequenza dal giardino di Lyons, e le loro misurazioni
sono state molto utili per costruire modelli teorici.
Gli eventi elettrici di recente scoperta che si verificano nell'alta atmosfera
possono essere suddivisi in quattro categorie. Due tipi di fulmini
di alta quota, chiamati folletti ed citi, sembrano (a
dispetto dei loro nomi fanPqn1111/1~11111~~~1
tasiosi) essere manifestazioni di fenomeni ben noti
FULMINE EMESSO
della fisica dell'atmosfera.
DALLA REGIONE
I meccanismi che stanno
POSITIVA
DELLA NUBE
alla base delle altre due varietà (chiamate getti blu ed
eventi a raggi gamma) sono più ipotetici. Ma il nostro gruppo di ricerca e
molti altri in tutto il mondo
stanno raccogliendo ulteriori osservazioni nella speIl fulmine di solito trasporta carica negativa dalla base di una nube al suolo (a sinistra).
ranza di decifrare anche i
Talvolta però un lampo particolarmente potente (al centro) fa sì che la carica positiva
meccanismi fisici che detrico (sfumatura di colore) che si crea fra la sommità della nube e la ionosfera spinge gli
elettroni verso l'alto e li fa collidere con molecole di gas. Se il campo elettrico è abbastanza forte e l'atmosfera abbastanza rarefatta, gli elettroni accelerano senza impedimenti e raggiungono la velocità necessaria per trasferire la loro energia cinetica alla
struttura elettronica delle molecole con cui collidono, portando queste ultime in uno stato eccitato. Le molecole eccitate cedono l'energia acquisita in questo modo, emettendo
luce a cui è dovuta la comparsa dei folletti (a destra); il fenomeno si manifesta tipicamen-
te a quote comprese fra 50 e 90 chilometri.
stazioni bizzarre. Nel frattempo, dobbiamo ammettere di provare ancora un poco dell'antico senso di timore e meraviglia quando
contempliamo queste curiose esplosioni di energia che
danzano nella regione eterea fra la Terra e lo spazio.
LE SCIENZE n. 350, ottobre 1997
53
Gli elfi, come i folletti, sono manifestazioni di alta quota dei
campi elettrici creati da fulmini convenzionali di estrema intensità. Essi si presentano come strati luminosi e di forma
appiattita (qui sotto a destra, colorati in modo da riprodurre al
meglio il loro probabile aspetto). Gli elfi possono apparire in
congiunzione con i folletti, ma si formano prima e la loro durata è inferiore. La sequenza di immagini video qui sopra
mostra i tempi relativi: appena prima di un fulmine convenzionale, il cielo è uniformemente buio (a). Il lampo illumina
lo strato di nubi e immediatamente genera la luminosità appiattita tipica degli elfi nella mesosfera (b). In un istante, alcuni folletti erompono in questa regione dell'atmosfera, aggiungendo la loro luminosità al debole bagliore dello strato
luminoso (e). Alla fine permangono solo i folletti (d).
100 CHILOMETRI
STRATO
CON ELFI
I getti blu, limitati alla parte dell'atmosfera sotto i 40 chilometri di quota, sono relativamente difficili da dssen are.
L'immagine a destra mostra come i getti emettano una luminosità blu intenso che non attraversa facilmente l'annosfera, al contrario del bagliore rossastro dei folletti e degli
elfi. Per osservarli, bisognapértarsi al di sopra della bassa
atmosfera. Sentman e Wescott registrarono per la prima
volta questi coni di luce nel 1994, mentre volavano al di sopra di un violento temporale nell'Arkansas. La sequenza
di immagini video ottenute con una sensibile videocamera
monocromatica (a-d) rivela come queste emissioni luminose sfreccino verso l'alto a partire dalla sommità delle nubi
a una velocità di circa 120 chilometri al secondo. Si sta ancora cercando di conciliare teorie contrastanti per spiegare esattamente in che modo si manifestino i getti blu.
TEMPESTA
• O CHILOMETRI
Gli impulsi elettromagnetici emessi da fulmini particolarmente intensi sono
rapolisabili della comparsa degli elfi. Uno di questi impulsi - essenzialmente
un violento «scpppio» di statica radio - si propaga alla velocità délla luce in
tutte le direzioni a partire dal fulmine. Quando la parte dell'impulso che si
muove verso l'alto (gusci sferici) raggiunge un'altezza critica nell'atmosfera
(da 75 a 100 chilometri circa), il campo elettrico che essa veicola accelera gli
elettroni con grande efficienza. Questi elettroni eollidond con le molecole dell'aria e le portano in uno stato eccitato che permette l'emissione di luce. Un
simile meccanismo genera anelli luminosi all'intersezione fra l'impulso' sferico e lo strato critico. Questa intersezione si allarga così velocemente che
anelli in espinsione appaiono come 'dischi appiattiti.
.
.
Gli eventi a raggi gamma e a raggi X al di sopra delle nubi temporalesche
sono i più strani fra i fenomeni elettrici di alta quota. La loro esistenza è
stata scoperta solo recentemente da uno degli strumenti del satellite Compton Gamma Ray Observatmy (a sinistra), Che ha rilevato raggi gamma provenienti dalla direzione della Terra. I raggi gamma sono generalmente considerati «firme» di sorgenti nucleari o cosmiche di alta energia e quindi
non si prevedeva che potessero venire prodotti nell'atmosfera terrestre. Nei
follettieper esempio, gli elettroni raggiungono raramente energie superiori
a circa 20 elettronvolt (l'energia che un singolo elettrone acquisirebbe venendo accelerato da una differenza di potenziale di 20 volt), mentre i raggi
gamma sona emessi a energie di circa un milione di elettronvolt. La discrepanza di energia è paragonabile a quella fra un'esplosione chimica e una
bomba atomica. Come accade per i getti blu, gli eventi a raggi gamma cominciano solnora a essere studiati scientificamente; future osservazioni da
satellite dovrebbero chiarirne il meccanismo.
STEPHEN B. MENDE: DAVIS D. SENTMAN ed EUGENE M. WESCOTT si sono dedicati, negli uftimi anni, allo studio dell'attività elettrica dell'alta atmosfera. Laureatosi in fisica nel *1965 presso l'Imperihl College dell'Università di Londra, Mende ha lavorato dal 1967 al 1996 per il Lockheed Palo
Alto Research
Lalboratory. Attualmente è ricercatore al labora.
keley. Sentrnan ha studiato fisica dello spazio all'Università
lowa, dove si è laureato nel 1976. Dopo aver lavorato per
14,anni presso l'Università della California a Los Angeles, si è
trasferito all'Università dell'Alaska a Fairbanks, dove e docente presso il Dipartimento di -fisica. Vilescott si è laureato in geofisica nel 1964, presso l'Università dell'Alaska: a Fairbanks.
Ha' lavoratici per te anni al Goddard Space Flight Center della
NASA prima di tornare a Fairbanks come docente di geofisica.
54
LE
diENzE n. 350, ottobre 1997
FISHMAN G. J., BHAT P. br, MALLOZZI R. et ai., DiscoVery of
Intense Gamma-Ray Flashes of AtmOspheric Origin in
«Science», 264, 27 maggio 1994.
SENTMAN D. D.. WESCOTT E. M., OSBORNE D. L; HAMPTON
L. e HEAVNER M. L, Preliminirry Results from .the Sprites94
Aircraft Campale, I: Rgd Sprites in «Geophysical Research
WESCOTT E. M.. SENTMAN D., OSBORNE D.. HAMPTON D. e
HEAVNER M., Preliminaty Resultsfrom the Sprites94 Aircroli
Campaign, 2: Blue Jets in «úeophysical Reseàrch Letters», •
22, n. 10, 15 maggio 1995.
FJUKUNISHIFL. TAKAHASHI y., KUBOTA M., SAKANOI K., 1NAN
U. S:.e LYONS W. A., Elves: Lightning-Induced Transient Lumi'nous EVents in the Lowet lanosphere in «Geophysical
search Letters», 23, n. 16, 1 agosto 1996.
LE SCIENZE
i. 350, ottobre 1997
55
