Massimo Sperini - LiUM

I fenomeni elettrici
atmosferici
Prof. Massimo Scalia
e
Dott. Massimo Sperini

Considerando il suolo come confine
inferiore dell’atmosfera, è possibile
esaminare le conseguenze della
presenza di una carica elettrica sulla
superficie della terra.

Assumendo come valore
medio per la superficie della
terra la seguente densità di
carica s:
◦ s = 10,67·10 -10 (C/cm 2 )

Tale valore, assimilando la terra ad
una sfera di raggio r = 6378 km,
fornisce per il suolo una carica totale
Q = 54,4·10 4 C.

La citata densità di carica media, in
realtà, può subire delle apprezzabili
variazioni e, in condizioni particolari,
rappresentare una carica di segno
opposto

quest’ultima osservazione rivela
che una carica totale negativa
della terra non esiste

È quindi necessario assumere che la
carica superficiale negativa di estese
aree della superficie terrestre sia
bilanciata dalla carica positiva di
altre zone

tutto ciò induce a considerare la
superficie della terra e le sue
estensioni, sia come lo strato più
basso di un condensatore, sia la
parte conduttrice di un circuito
elettrico.

L’esistenza di uno strato di atmosfera
fortemente conduttivo permette di
immaginare la terra e la bassa
ionosfera come un gigantesco
condensatore a facce sferiche, il cui
dielettrico è l’aria e le armature sono
rispettivamente, quella negativa la
superficie del globo, quella positiva
la bassa ionosfera.

La Terra e la bassa ionosfera
possono essere assimilate ad un
condensatore a facce sferiche

L’elettrodo spaziale inizia a circa 65
km di altezza; spesso in letteratura
questo elettrodo è indicato come
strato atmosferico
elettricamente equalizzato
(AEEL) o elettrosfera.

L’AEEL è considerato una regione
dotata di potenziale elettrico
uniforme (dell’ordine dei 10 4 V)

Generalmente, vicino alla superficie
della terra e in atmosfera non
inquinata, il valore dell’intensità del
campo elettrico è compreso
nell’intervallo 80-150V/m;

nonostante le diverse ipotesi
formulate nel corso degli anni
passati, l’origine della densità di
carica superficiale e quindi di un
campo di questa intensità
nell’atmosfera terrestre è ancora
sostanzialmente incognita o poco
conosciuta

L’intensità del campo elettrico, come
è noto, diminuisce all’aumentare
della distanza dal corpo carico

teoricamente sarebbe previsto un
andamento inversamente
proporzionale al quadrato della
distanza, mentre le misure
forniscono un andamento di tipo
esponenziale che tende
asintoticamente a zero per grandi
altezze.

Tale diversificazione è dovuta alla
presenza di una carica
nell’atmosfera; i portatori della
carica spaziale sono: i piccoli ioni,
ovvero i componenti della miscela
gassosa stessa, e gli ioni intermedi
e grandi, ovvero le particelle
cariche sospese nell’atmosfera.

Gli ioni, a causa del campo elettrico,
si spostano, in base alla polarità,
verso o in direzione opposta alla
superficie della terra e ciò produce
una corrente di conduzione ionica;

il flusso di corrente è tale che in
meno di trenta minuti si avrebbe la
scomparsa del campo elettrico
atmosferico.

Nella realtà ciò non si verifica,
poiché esistono dei fenomeni
nell’atmosfera in grado di rigenerare
tale campo.

I meccanismi riguardanti il processo di
neutralizzazione e rigenerazione del
campo sono:

un normale debole flusso di corrente
aria-terra J di lunga durata; la
densità di corrente di scarica è
dell’ordine di 3·10 -12 A/m 2 ;

evi occasionali periodi di
inversione del campo con flusso di
corrente terra-aria molto intenso.
Fra le nuvole temporalesche e il
suolo si possono avere campi
elettrici da 200 a 2000 V/m

In questo contesto le precipitazioni
atmosferiche (pioggia, temporali)
rivestono un ruolo importante nella
conservazione del campo elettrico e
della carica elettrica atmosferica.

La pioggia è l’equivalente di una
corrente elettrica verticale;

se le gocce sono cariche
positivamente la corrente è
considerata con verso dall’atmosfera
alla terra, mentre se sono cariche
negativamente, sono paragonate ad
una corrente con verso dalla terra
all’atmosfera.

Durante la pioggia la corrente terraaria
può giungere al valore di
4·10 -9 A/m 2

L’attività temporalesca è il processo
più importante per la conservazione
del campo elettrico atmosferico

in ogni secondo su tutto il pianeta
sono in corso tra i 2000 e i 5000
temporali, i quali producono
centinaia di fulmini che colpiscono il
suolo

ognuno di essi trasporta circa 20 C,
determinando una corrente di
ricarica aria-terra compresa tra 1000
e 2000 A

Tale corrente è più intensa rispetto
alla normale corrente aria-terra che
si ha in condizioni di bel tempo

la conducibilità, in prossimità del
suolo e in condizioni atmosferiche
non perturbate, ha come valore
medio 3·10 -14 m -1 , ovvero una
resistività di = 0,33·10 14 .

Questo valore di resistività permette
di affermare che gli isolanti non sono
isolanti “reali” ma conduttori che
possiedono una piccola conducibilità

a causa della ridottissima
conducibilità dell’atmosfera, infatti,
anche il legno stagionato è un buon
conduttore e solamente alcuni
materiali particolari, quali teflon,
polietilene ed altri, presentano
conducibilità minore dell’aria o con
essa comparabile.

Da tale osservazione risulta che il
campo elettrico è facilmente
schermabile

è sufficiente un semplice foglio di
carta tenuto sulla testa oppure una
tettoia per deviare verso il suolo la
corrente dovuta agli ioni ,
schermando la persona dall’azione
del campo elettrico atmosferico.

Il campo elettrico naturale non può
essere rilevato sotto la fronda di un
albero oppure in una tenda o
all'interno di abitazioni.

In termini pratici, qualsiasi sistema
biologico che intercetti il movimento
degli ioni atmosferici riceverà una
corrente dall’atmosfera.

Condizioni Concentrazione coppie di
piccoli ioni/cm 3
Aria pura e secca a pressione normale 10 2 -10 3
Ambienti rurali in condizioni di bel tempo 500
Ambienti urbani in condizioni di bel tempo 100
Ambienti confinati poco aerati 20-50
Caratteristiche ioniche dell’aria in vari
ambienti

Gli agenti ionizzanti possono essere
naturali o artificiali. Gli agenti
ionizzanti naturali possono a loro
volta essere raggruppati in due
classi, agenti principali (o normali) e
secondari (o locali)

come agenti principali si hanno:
la radioattività naturale, emanata dal
suolo e dall’aria, sotto forma di
radiazione elettromagnetica (raggi x)
ed emissioni corpuscolari
(α,β,protoni);
i raggi cosmici;
l’irraggiamento UV del sole a corta
lunghezza d’onda;

mentre sono agenti secondari:
le reazioni chimiche, quali la
fotosintesi vegetale e marina
(plancton);
il campo elettrico prodotto da
formazioni nuvolose e da tempeste
elettromagnetiche dovute all’attività
delle macchie solari;
il calore, le eruzioni vulcaniche, le
fonti di calore industriale, i corpi
incandescenti;
le scariche elettriche atmosferiche
dovute ai fulmini;

le turbolenze atmosferiche dovute a
interazione tra particelle solide
(triboelettricità);
interazione tra particelle solide e
l’aria
(es. caricamento per frizione dovuto
al vento);

effetto Lenard, dal fisico che nel
1892 mostrò che esiste una
produzione di carica per rottura di
goccioline d’acqua, ad esempio
nell’acqua delle cascate che cadendo
su un solido lo caricano e producono
degli ioni atmosferici negativi,
oppure negli spruzzi di acqua dovuti
alle onde sul litorale marino. Questo
fenomeno, noto anche come
balloelettricità, è responsabile della
ionizzazione del litorale marino

azione superficiale gas-liquido.
l’accumulazione di cariche su oggetti
puntiformi.

La sorgente principale di
ionizzazione dell’aria in prossimità
della superficie terrestre è dovuta
alla radioattività naturale, scoperta
da J. Elster e H. Geitel nel 1902.

AGENTI IONIZZANTI COPPIE DI IONI GENERATE NELL’UNITA’ DI
TEMPO E DI VOLUME (ioni/cm 3 s)
Irraggiamento cosmico 2
Materiali radioattivi in aria 5
Materiali radioattivi del suolo 4
da cui consegue un totale di 11 ioni/cm 3 s

La produzione artificiale di ioni
(aeroionizzazione) si ottiene con
tre diversi metodi, cioè utilizzando
degli isotopi radioattivi, sfruttando
l’effetto corona o mediante
generatori di aereosol: attraverso
l’aeroionizzazione si possono
produrre artificialmente ioni identici
a quelli naturali

IONI POSITIVI IONI NEGATIVI
O + , O 2 + , O3 +
(H + )
(N + ), N 2 + , N3 + , N4 +
NO + , N 2O +
H 2O +
A 2 + , (CO2 + )
O - , (O 2 - )
NO 2 - , NO3 -
(OH) -
Risultato di misure di aria ionizzata effettuate
con spettrofotometro di massa. Tra parentesi
sono riportati gli ioni più frequenti.

Il campo elettrico atmosferico, oltre alle
brevi e intense variazioni prodotte dai
fenomeni temporaleschi, presenta quattro
tipi di fluttuazione:
diurna o quotidiana;
con periodo di 27 giorni;
annuale;
con periodo di 11 anni.

Parametri meteorologici Elementi dell'elettricità atmosferica (conducibilità, numero di piccoli ioni)
Intensità del vento Variazione parallela
Direzione del vento Variazione locale (dipendente dalla produzione di fumi e
di polveri)
Condizione degli aereosol:
visibilità normale
foschia
Föhn
contenente polveri
Nebbia
Nuvolosità:
nuvole alte
nuvole basse
Pioggia:
pioggia ordinaria
pioggia temporalesca
Temperatura, umidità Non chiaro, ampie variazioni locali
Situazione meteorologicagenerale Diminuzione con areedi alta pressione
Variazione parallela
Diminuzione
Incremento
Variazione parallela
Diminuzione
Nessuna influenza apprezzabile
Incremento (non chiaro)
Incremento su - e n - , nessuna influenza apprezzabile
su + e n +
Forti fluttuazioni, frequenti incrementi
Relazione tra fattori meteorologici, conducibilità e piccoli ioni

Dall’analisi finora esposta, si evince
che attualmente non esistono
modelli matematici in grado di
fornire una visione d’insieme dei
fenomeni elettrici atmosferici che si
verificano nella biosfera

infatti non sono state ancora
formulate delle leggi che descrivono
efficacemente processi quali il
temporale, la ricarica del campo
elettrico atmosferico, l’origine della
carica superficiale del suolo, il
comportamento degli ioni aerei

e che nello stesso tempo spieghino
le interconnessioni esistenti fra
grandezze quali la mobilità, la
conducibilità, il campo elettrico, ed
altre ancora

sono proprio le manifestazioni
temporalesche che permettono il
mantenimento della carica spaziale
presente nell’aria e del campo
elettrico atmosferico

si arriva così al paradosso per cui lo
stato di equilibrio o bel tempo non
sussisterebbero senza l’esistenza
degli elementi che lo perturbano.

In genere, la fisica dell’atmosfera
viene studiata mediante la
meteorologia, che si occupa dello
studio del comportamento delle
masse d’aria e della previsione e
formazione dei venti, della pioggia,
della neve

e la climatologia, che può essere
definita come lo studio degli scambi
energetici tra superficie della terra e
atmosfera, in funzione della
frequenza statistica degli eventi
meteorologici,

e dell’influenza di tali eventi sulle
condizioni degli esseri viventi
(bioclimatologia)

L’esistenza di una carica elettrica
spaziale nell’atmosfera è
strettamente legata alla
meteorologia, alla climatologia e alla
bioclimatologia

la presenza delle cariche elettriche
nell’aria gioca un ruolo importante
nella formazione e nello sviluppo dei
temporali

Si possono inoltre citare gli effetti
psicofisiologici rilevati sugli esseri
viventi in concomitanza alle
inversioni del campo elettrico
atmosferico prima della pioggia,

o come conseguenza del tipo di
carica elettrica che le goccioline
d’acqua cadendo trasportano al
suolo.

e la rilevanza che ha il numero di
coppie di piccoli ioni sugli effetti
benefici dei microclimi salutari

L’esistenza nell’atmosfera degli
aereosol solidi e liquidi e dei
componenti gassosi normalmente
estranei al gas aria rientra nel
campo di studio dell’inquinamento

gli aereosol causano la scomparsa
degli ioni primari e la formazione di
quelli secondari, con conseguente
abbassamento della conducibilità
dell’aria;

il rapporto tra densità di carica
spaziale netta e inquinanti è perciò
molto stretto.

il processo di ricarica del campo
elettrico atmosferico, l’effetto
elettrodo e il processo di
ricombinazione non sono stati ancora
spiegati in modo esatto

modello descrittivo dell’interazione
esistente fra i vari elementi che
compongono l’elettricità atmosferica

È possibile, mediante la teoria dei controlli
automatici svolgere una analisi qualitativa
dei fenomeni elettrici atmosferici con un
modello matematico di un circuito di
regolazione

si può immaginare un sistema dotato di
retroazione la cui finalità è mantenere
costante, entro un intervallo di valori, il
campo elettrico atmosferico.

Schema a blocchi del sistema di
controllo che, basato sulla retroazione
negativa, mantiene costante il campo
elettrico atmosferico.

Scarica e carica del condensatore simulante il sistema
terra-ionosfera.

Rappresentazione con schema a blocchi del mantenimento del campo
elettrico locale.