Il campo elettrico
Lezioni d'Autore
Introduzione: Lampi X e gamma atmosferici
VIDEO
Il campo elettrico dell’atmosfera (I)
L’altezza dello strato di gas che circonda la
Terra è inferiore al diametro del globo
terrestre. In questo spazio limitato, tra la
bassa ionosfera (a circa 55 km dal suolo) e la
superficie terrestre, vi è un campo elettrico
che ha delle analogie con quello generato da
un condensatore a facce sferiche.
La superficie della sfera terrestre, una delle
armature del condensatore, ha una carica
complessiva negativa –Q, mentre lo strato
sferico di bassa ionosfera conduttivo può
essere pensato come elettricamente
equalizzato con carica +Q. L’aria rappresenta
il dielettrico (l’isolante) interposto tra le due
armature.
Il campo elettrico dell’atmosfera (II)
A sinistra, La Terra vista come un enorme condensatore (le dimensioni del globo
terrestre sono ovviamente non in
scala con l'atmosfera.
A destra, Il campo elettrico nelle vicinanze della superficie terrestre: se si prende in
esame una vasta zona pianeggiante, il campo è rappresentato con una serie di linee
verticali. Queste coincidono con la traiettoria di piccole particelle cariche q positive che
viaggiano perpendicolari alla superficie terrestre attratte dalla sua carica negativa.
Il campo elettrico dell’atmosfera (III)
In un’atmosfera non inquinata, nelle vicinanze
della superficie il rapporto tra la forza
misurata in newton e la carica misurata in
coulomb (carica di prova q) ha un valore
generalmente compreso tra 80N/C e 150 N/C.
Se si esprime l’unità di misura del campo in
una equivalente (1N/C=1V/m) si ha che, a
causa del campo, tra due punti distanti 1 m
(in altezza) vi è una differenza di potenziale di
circa 100 V.
Il campo elettrico dell’atmosfera (IV)
Le montagne, le abitazioni, provocano una
distorsione locale del campo elettrico.
Il campo elettrico dell’atmosfera (V)
Se l’aria fosse priva di particelle cariche, si
avrebbe una situazione statica con la Terra e
la ionosfera assimilabile a un gigantesco
condensatore. L’atmosfera, anche se priva di
inquinanti e gocce di acqua, in condizioni
normali presenta, in un centimetro cubo, tra le
100 e 1000 coppie di piccoli ioni della miscela
gassosa che compone l’aria. A questi si
aggiungono grandi ioni: goccioline, granelli di
sale, cariche rilasciate nell’atmosfera a causa
dell’inquinamento, ecc.
Il campo elettrico dell’atmosfera (VI)
L’elevato numero complessivo degli ioni
sarebbe sufficiente per neutralizzare,
attraverso la conduzione ionica, le armature
del condensatore in un tempo inferiore a
un’ora (si calcola un tempo di dimezzamento
pari a 15 minuti), annullando la carica
terrestre. Eppure il campo elettrico della Terra
è una caratteristica stabile della nostra
atmosfera.
Qual è il meccanismo che permette la quasi
stazionarietà del campo?
Il campo elettrico dell’atmosfera (VII)
La risposta alla domanda precedente si lega a un’immagine: la distribuzione della
caduta dei fulmini nelle varie regioni del globo realizzata a partire da immagini
satellitari e da reti locali di rilevazione.
L’attività dei
temporali è la più
importante ragione
per la rigenerazione
del campo con un
afflusso di carica
negativa dalle nubi
alla Terra attraverso
centinaia di fulmini,
ognuno dei quali
capace di trasportare
cariche dell’ordine
della decina di
coulomb.
Nuvole e fulmini (I)
I due fulmini che, in media,
colpiscono ogni kilometro
quadrato del nostro
territorio in un anno
contribuiscono al
mantenimento del campo
elettrico.
Nuvole e fulmini (II)
Nonostante i decenni di studi sistematici il
meccanismo di formazione dei fulmini
presenta ancora numerose questioni
irrisolte.
Cominciamo a fissare dei punti fermi, il
fulmine può avere ramificazioni rivolte
verso l’alto (fulmine ascendente), ma nella
maggior parte dei casi è discendente (le
ramificazioni raggiungono la Terra).
Nuvole e fulmini (III)
Esempi di fulmini: di tipo ascendente (a sinistra) e
discendente (a destra).
Nuvole e fulmini (IV)
I fulmini nube-terra discendenti per il 90%
trasmettono cariche negative al terreno e solo nel
10% il trasporto riguarda cariche positive.
Nuvole e fulmini (V)
La causa prima della scarica nei fulmini
discendenti è la presenza nella maggior
parte dei cumuli di una concentrazione di
cariche positive sulla sommità della nube e
di cariche negative sulla base.
Ovvero di un campo elettrico locale che può
raggiungere centinaia di kN/C (100 kV/m).
Nuvole e fulmini (VI)
(a sinistra) Schematizzazione di una cella temporalesca.
(a destra) Campo elettrico tra la terra e una cella
temporalesca matura.
Nuvole e fulmini (VII)
Sulla base della cella temporalesca è
presente, nel mare di cariche negative,
un’isola di cariche positive.
Prima della scarica vera e propria, la cella
matura genera nell’aria (che normalmente si
comporta da ottimo isolante) una scarica
guida (leader), composta da elettroni
accelerati che sembrano saggiare e preparare
il percorso. La scarica guida si muove a scatti
con un processo a valanga, con passi
dell’ordine di 10 m e pause di alcune decine di
microsecondi, ionizzando l’aria circostante e
rendendola conduttrice.
Nuvole e fulmini (VIII)
Nelle vicinanze del terreno (alcune decine di
metri), da punti dove la densità di carica è
maggiore (alberi, tetti, ecc.), alcune cariche di
segno opposto si preparano a muoversi verso la
scarica guida ormai giunta quasi a destinazione.
I canali sono ormai pronti e i sottili fili
conduttori tracciati nell’aria sono percorsi da un
numero impressionante di cariche negative
mentre il lampo (scarica di ritorno) si muove dal
suolo verso l’alto producendo un riscaldamento
locale dell’aria che raggiunge una temperatura
di 30000 °C e una scarica luminosissima,
accompagnata dal tuono che può viaggiare per
15-20 km.
Nuvole e fulmini (IX)
Fasi della formazione di un fulmine fra la nube e la superficie terrestre
Nuvole e fulmini (X)
La corrente impulsiva di un fulmine ha un
andamento con un picco superiore al centinaio di
kiloampere e durata inferiore ai due millesimi di
secondo.
Lampi X e gamma atmosferici (I)
Lo studio dei fenomeni elettrici atmosferici ha
subito negli ultimi trenta anni una rivoluzione
e allo stesso tempo una restaurazione.
Le nuvole e i fulmini che parevano essere
messi in discussione come temi esclusivi
dell’elettricità atmosferica, sono tornati alla
ribalta grazie alla scoperta di fenomeni
inaspettati e nuove tecniche di misure,
accanto a modelli in cui elettroni fuggitivi
(runaway) producono fotoni di energia
prossima a quella di acceleratori di particelle.
Lampi X e gamma atmosferici (II)
Oggi si ritiene che la cella temporalesca con i
suoi intensi campi elettrici possa rappresentare
un acceleratore ideale di elettroni. Gli elettroni
in fuga raggiungono velocità relativistiche con
emissione di fotoni X e gamma energetici,
capaci a loro volta di ionizzare altri atomi e
produrre coppie di elettroni (e-) e positroni
(e+).
Lampi X e gamma atmosferici (III)
(a sinistra) Rappresentazione dell’emissione di un raggio gamma terrestre
e relativa energia.
(a destra) Rappresentazione artistica delle emissioni di raggi gamma
dalle nubi.
Lampi X e gamma atmosferici (IV)
Dal 2001 è stata verificata la connessione diretta
tra fulmini e raggi X da misure effettuate a
Terra. La ricerca sistematica ha fatto uso dal
2002 di piccoli razzi in grado di innescare
artificialmente i fulmini. In prossimità di un
temporale, in una versione aggiornata
dell’aquilone di Franklin, i ricercatori lanciano il
razzo da un cilindro metallico posto su una torre.
Il razzo è collegato a un filo di rame rivestito da
un materiale isolante. All’altezza di circa 700
metri, il campo creato dalla punta fa risalire, in
molti casi, una scarica dal suolo lungo il filo,
provocando (nel caso di fulmine) la sua
immediata vaporizzazione.
Lampi X e gamma atmosferici (V)
L’emissione osservata
dei raggi X non è
continua. La scarica
guida che procede a
scatti verso il basso,
dà luogo a brevi lampi
di fotoni X (su
intervalli dell’ordine di
un microsecondo)
provenienti dalla punta
del canale del fulmine.
La loro intensità cresce
con l’avvicinarsi del
terreno, e crea un
grande bagliore in
corrispondenza della
scarica di ritorno.
Lampi X e gamma atmosferici (VI)
L’analisi da terra ha individuato talvolta la
presenza di fotoni gamma. Il Fermi
Gamma-ray space telescope ha misurato
positroni generati dai raggi gamma
terrestri che hanno raggiunto la
strumentazione di bordo dopo aver
percorso traiettorie lungo le linee del
campo magnetico terrestre (una traiettoria
possibile per una particella carica in un
campo magnetico è a forma di spirale con
asse il campo stesso, se il percorso dei
positroni è orientato verso il polo nord, gli
elettroni si dirigono verso il polo sud).
Lampi X e gamma atmosferici (VII)
Registrazione di un
positrone nel Fermi
Gamma ray space
telescope
proveniente da un
TGF
generato da un
temporale a 5000
km di distanza che
ha seguito la linea
di forza del campo
magnetico
terrestre verso il
polo nord.
Lampi X e gamma atmosferici (VIII)
Le nubi sono così diventate un oggetto
“astronomico” che merita (anche per le
valutazioni di eventuali effetti della
radiazione sul personale dei voli di linea)
ricerche sistematiche.
Altri video
VIDEO 1 Benjamin Franklin e il campo elettrico
VIDEO 2 Tuoni e fulmini
VIDEO 3 Storia dell’elettricità
VIDEO 4 Fulmine al rallentatore
VIDEO 5 Amazing upward lightning (fulmini
ascendenti)
VIDEO 6 Amazing lightining seen from space
VIDEO 7 NASA animazione osservazione dal
satellite RHESSI
VIDEO 8 Lampi gamma terrestri
FINE
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