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LA LEZIONE<br />
Il campo elettrico dell’atmosfera<br />
L’altezza dello strato di gas che circonda la Terra è <strong>in</strong>feriore al diametro del globo<br />
terrestre (due ord<strong>in</strong>i di grandezza differenti se ci si limita alla bassa ionosfera, un<br />
ord<strong>in</strong>e di grandezza se si considera tutta la ionosfera). In questo spazio limitato, tra la<br />
bassa ionosfera (a circa 55 km dal suolo) e la superficie terrestre, vi è un campo<br />
elettrico che ha delle analogie con quello generato da un condensatore a facce sferiche.<br />
La superficie della sfera terrestre, una delle armature del condensatore, ha una carica<br />
complessiva negativa –Q, mentre lo strato sferico di bassa ionosfera conduttivo può<br />
essere pensato come elettricamente equalizzato con carica +Q. L’aria rappresenta il<br />
dielettrico (l’isolante) <strong>in</strong>terposto tra le due armature.<br />
Fig.1 (a s<strong>in</strong>istra) La Terra vista come un enorme condensatore (le dimensioni del globo terrestre sono ovviamente non <strong>in</strong><br />
scala con l’atmosfera. Fig.2 Il campo elettrico nelle vic<strong>in</strong>anze della superficie terrestre<br />
Se si prende <strong>in</strong> esame una vasta zona pianeggiante, il campo è rappresentato con una<br />
serie di l<strong>in</strong>ee verticali. Queste co<strong>in</strong>cidono con la traiettoria di piccole particelle cariche q<br />
positive che viaggiano perpendicolari alla superficie terrestre attratte dalla sua carica<br />
negativa. In un’atmosfera non <strong>in</strong>qu<strong>in</strong>ata, nelle vic<strong>in</strong>anze della superficie il rapporto tra<br />
la forza misurata <strong>in</strong> newton e la carica misurata <strong>in</strong> coulomb (carica di prova q) ha un<br />
valore generalmente compreso tra 80N/C e 150 N/C (le variazioni temporali giornaliere<br />
segue lo stesso andamento <strong>in</strong> tutte le parti del globo). Se si esprime l’unità di misura<br />
Fig.3 Deformazione delle l<strong>in</strong>ee equipotenziali del campo elettrico terrestre <strong>in</strong><br />
prossimità di una casa e di irregolarità del terreno.<br />
del campo <strong>in</strong> una equivalente (1N/C=1V/m) si ha che, a causa del campo, tra due punti<br />
distanti 1 m (<strong>in</strong> altezza) vi è una differenza di potenziale di circa 100 V. Le montagne,<br />
le abitazioni, provocano una distorsione locale del campo elettrico. In particolare i<br />
nostri corpi non sono cont<strong>in</strong>uamente sollecitati da scariche per le loro proprietà<br />
conduttrici. Ci troviamo sempre allo stesso potenziale della superficie.<br />
Se l’aria fosse priva di particelle cariche, si avrebbe una situazione statica con la Terra<br />
e la ionosfera assimilabile a un gigantesco condensatore. L’atmosfera, anche se priva di
<strong>in</strong>qu<strong>in</strong>anti e gocce di acqua, <strong>in</strong> condizioni normali presenta, <strong>in</strong> un centimetro cubo, tra<br />
le 100 e 1000 coppie di piccoli ioni della miscela gassosa che compone l’aria. A questi si<br />
aggiungono grandi ioni: gocciol<strong>in</strong>e, granelli di sale, cariche rilasciate nell’atmosfera a<br />
causa dell’<strong>in</strong>qu<strong>in</strong>amento, ecc.<br />
L’elevato numero complessivo degli ioni sarebbe sufficiente per neutralizzare,<br />
attraverso la conduzione ionica, le armature del condensatore <strong>in</strong> un tempo <strong>in</strong>feriore a<br />
un’ora (si calcola un tempo di dimezzamento pari a 15 m<strong>in</strong>uti), annullando la carica<br />
terrestre. Eppure il campo elettrico della Terra è una caratteristica stabile della nostra<br />
atmosfera. Qual è il meccanismo che permette la quasi stazionarietà del campo? La<br />
risposta alla domanda precedente si lega a un’immag<strong>in</strong>e: la distribuzione della caduta<br />
dei fulm<strong>in</strong>i nelle varie regioni del globo realizzata a partire da immag<strong>in</strong>i satellitari e da<br />
reti locali di rilevazione.<br />
Fig.4 Distribuzione globale della densità annuale dei fulm<strong>in</strong>i caduti sulla superficie terrestre.<br />
L’attività dei temporali è la più importante ragione per la rigenerazione del campo con<br />
un afflusso di carica negativa dalle nubi alla Terra attraverso cent<strong>in</strong>aia di fulm<strong>in</strong>i,<br />
ognuno dei quali capace di trasportare cariche dell’ord<strong>in</strong>e della dec<strong>in</strong>a di coulomb.<br />
Nuvole e fulm<strong>in</strong>i<br />
La rete di localizzazione dei fulm<strong>in</strong>i <strong>in</strong> Italia è composta da sedici punti di misurazione<br />
SIRF che aggiornano la mappa relativa del nostro territorio (www.fulm<strong>in</strong>i.it).<br />
Fig.5 Densità dei fulm<strong>in</strong>i nube-terra <strong>in</strong> Italia
I due fulm<strong>in</strong>i che colpiscono ogni kilometro quadrato del nostro territorio <strong>in</strong> un anno<br />
contribuiscono al mantenimento del campo elettrico.<br />
Nonostante i decenni di studi sistematici il meccanismo di formazione dei fulm<strong>in</strong>i<br />
presenta ancora numerose questioni irrisolte. Com<strong>in</strong>ciamo a fissare dei punti fermi, il<br />
fulm<strong>in</strong>e può avere ramificazioni rivolte verso l’alto (fulm<strong>in</strong>e ascendente), ma nella<br />
maggior parte dei casi è discendente (le ramificazioni raggiungono la Terra).<br />
Fig.6 Esempi di fulm<strong>in</strong>i: di tipo ascendente (a s<strong>in</strong>istra) e discendente (a destra).<br />
I fulm<strong>in</strong>i nube-terra discendenti per il 90% trasmettono cariche negative al terreno e<br />
solo nel 10% il trasporto riguarda cariche positive.<br />
Fig.7 Percentuale dei fulm<strong>in</strong>i nube-terra discendenti e ascendenti.<br />
Come mostrato schematicamente nelle figure seguenti, la causa prima della scarica nei<br />
fulm<strong>in</strong>i discendenti è la presenza nella maggior parte dei cumuli di una concentrazione<br />
di cariche positive sulla sommità della nube e di cariche negative sulla base. Ovvero di<br />
un campo elettrico locale che può raggiungere cent<strong>in</strong>aia di kN/C (100 kV/m).<br />
Fig.8 (a s<strong>in</strong>istra) Schematizzazione di una cella temporalesca. Fig.9 (a destra) Campo elettrico tra la terra e una cella temporalesca<br />
matura.
La formazione di una nube è descritta dall’escursione di masse d’aria calda con una<br />
notevole presenza di acqua. Le m<strong>in</strong>uscole gocciol<strong>in</strong>e possono formare cumuli di una<br />
dec<strong>in</strong>a di kilometri di altezza e di diametro, nello stato liquido e <strong>in</strong> quello solido, con la<br />
presenza di ioni formati dal movimento turbolento delle masse d’aria. Le celle<br />
temporalesche, studiate con palloni sonda e aerei, mostrano un andamento più<br />
complesso della distribuzione di cariche descritte <strong>in</strong> precedenza. Sulla base della cella è<br />
presente, nel mare di cariche negative, un’isola di cariche positive. Inoltre il terreno,<br />
convenzionalmente contrassegnato con il segno positivo nei fulm<strong>in</strong>i discendenti, ha solo<br />
un potenziale molto diverso rispetto a quello della base della nube (una differenza di<br />
potenziale si può generare anche con due elettrodi negativi). Prima della scarica vera e<br />
propria, la cella matura genera nell’aria (che normalmente si comporta da ottimo<br />
isolante) una scarica guida (leader), composta da elettroni accelerati che sembrano<br />
saggiare e preparare il percorso. La scarica guida si muove a scatti con un processo a<br />
valanga, con passi dell’ord<strong>in</strong>e di 10 m e pause di alcune dec<strong>in</strong>e di microsecondi,<br />
ionizzando l’aria circostante e rendendola conduttrice. Nelle vic<strong>in</strong>anze del terreno<br />
(alcune dec<strong>in</strong>e di metri), da punti dove la densità di carica è maggiore (alberi, tetti,<br />
ecc.), alcune cariche di segno opposto si preparano a muoversi verso la scarica guida<br />
ormai giunta quasi a dest<strong>in</strong>azione. I canali sono ormai pronti e i sottili fili conduttori<br />
tracciati nell’aria sono percorsi da un numero impressionante di cariche negative<br />
mentre il lampo (scarica di ritorno) si muove dal suolo verso l’alto producendo un<br />
riscaldamento locale dell’aria che raggiunge una temperatura di 30000 °C e una scarica<br />
lum<strong>in</strong>osissima, accompagnata dal tuono che può viaggiare per 15-20 km.<br />
Fig.10 Fasi della formazione di un fulm<strong>in</strong>e a sc<strong>in</strong>tilla fra la nube e la superficie terrestre.<br />
La corrente impulsiva di un fulm<strong>in</strong>e ha un andamento con un picco superiore al<br />
cent<strong>in</strong>aio di kiloampere e durata <strong>in</strong>feriore ai due millesimi di secondo.<br />
Fig.11 Corrente impulsiva generata da un fulm<strong>in</strong>e e misura della<br />
carica trasportata.
A questa seguono correnti di <strong>in</strong>tensità m<strong>in</strong>ori, ma di più lunga durata. Dall’area sottesa<br />
dalla curva descritta dalla corrente e dall’asse del tempo è possibile calcolare la carica<br />
complessiva trasportata sul terreno. Il meccanismo di ricarica delle nubi, che impiega<br />
pochi secondi per ritornare alle condizioni <strong>in</strong>iziali, non ha un modello di descrizione<br />
valido. Osservando i canali attraverso le tecniche dello slow motion per la radiazione<br />
lum<strong>in</strong>osa, e con sensori sensibili ai raggi X e alla radiazione gamma, negli ultimi anni si<br />
è capito che elettroni accelerati a velocità prossime a quelle della luce possono dar<br />
luogo a radiazione di alta energia aprendo un nuovo campo di ricerca.<br />
Lampi X e gamma atmosferici<br />
Lo studio dei fenomeni elettrici atmosferici ha subito negli ultimi trenta anni una<br />
rivoluzione e allo stesso tempo una restaurazione. Le nuvole e i fulm<strong>in</strong>i che parevano<br />
essere messi <strong>in</strong> discussione come temi esclusivi dell’elettricità atmosferica, sono tornati<br />
alla ribalta grazie alla scoperta di fenomeni <strong>in</strong>aspettati e nuove tecniche di misure,<br />
accanto a modelli <strong>in</strong> cui elettroni fuggitivi (runaway) producono fotoni di energia<br />
prossima a quella di acceleratori di particelle.<br />
Negli anni ’80 palloni sonda lanciati all’<strong>in</strong>terno di nubi attive hanno <strong>in</strong>dicato la presenza<br />
di scariche estremamente energetiche (raggi X). Agli <strong>in</strong>izi degli anni Novanta il<br />
Compton Gamma-Ray Observatory (CGRO), lanciato per analizzare i fotoni emessi da<br />
elettroni accelerati nello spazio, osservava i primi lampi gamma terrestri della durata di<br />
pochi millisecondi (Terrestrial Gamma-ray Flashes, TGF). Da allora altri tre telescopi<br />
spaziali (RHESSI, Fermi e l’italiano AGILE) hanno accumulato dati sui TGF.<br />
Fig.12 (a s<strong>in</strong>istra) Rappresentazione dell’emissione di un raggio gamma terrestre e relativa energia. Fig.13 Rappresentazione artistica<br />
delle emissioni di raggi gamma dalle nubi.<br />
Oggi si ritiene che la cella temporalesca con i suoi <strong>in</strong>tensi campi elettrici possa<br />
rappresentare un acceleratore ideale di elettroni. Gli elettroni <strong>in</strong> fuga raggiungono<br />
velocità relativistiche con emissione di fotoni X e gamma energetici, capaci a loro volta<br />
di ionizzare altri atomi e produrre coppie di elettroni (e - ) e positroni (e + ).<br />
Non è chiaro se l’<strong>in</strong>nesco del processo abbia bisogno di un seme, particelle veloci (raggi<br />
cosmici), che trasferiscono parte della loro energia ad alcuni elettroni che producono<br />
poi l’effetto a valanga.<br />
Dal 2001 è stata verificata la connessione diretta tra fulm<strong>in</strong>i e raggi X da misure<br />
effettuate a Terra. La ricerca sistematica (che ha co<strong>in</strong>volto tra gli altri, l’astrofisico<br />
Joseph R. Dwyer <strong>in</strong> Florida) ha fatto uso dal 2002 di piccoli razzi <strong>in</strong> grado di <strong>in</strong>nescare<br />
artificialmente i fulm<strong>in</strong>i. In prossimità di un temporale, <strong>in</strong> una versione aggiornata<br />
dell’aquilone di Frankl<strong>in</strong>, i ricercatori lanciano il razzo da un cil<strong>in</strong>dro metallico posto su<br />
una torre. Il razzo è collegato a un filo di rame rivestito da un materiale isolante.<br />
All’altezza di circa 700 metri, il campo creato dalla punta fa risalire, <strong>in</strong> molti casi, una<br />
scarica dal suolo lungo il filo, provocando (nel caso di fulm<strong>in</strong>e) la sua immediata<br />
vaporizzazione. L’emissione osservata dei raggi X non è cont<strong>in</strong>ua. La scarica guida che<br />
procede a scatti verso il basso, dà luogo a brevi lampi di fotoni X (su <strong>in</strong>tervalli<br />
dell’ord<strong>in</strong>e di un microsecondo) provenienti dalla punta del canale del fulm<strong>in</strong>e. La loro
<strong>in</strong>tensità cresce con l’avvic<strong>in</strong>arsi del terreno, e crea un grande bagliore <strong>in</strong><br />
corrispondenza della scarica di ritorno.<br />
Fig.14 (a s<strong>in</strong>istra) Visualizzazione dei raggi X <strong>in</strong> un fulm<strong>in</strong>e <strong>in</strong>dotto nel progetto TERA <strong>in</strong> Florida.<br />
Fig.15 Registrazione di un positrone nel Fermi Gamma ray space telescope proveniente da un TGF<br />
generato da un temporale a 5000 km di distanza che ha seguito la l<strong>in</strong>ea di forza del campo magnetico<br />
terrestre verso il polo nord.<br />
L’analisi da terra ha <strong>in</strong>dividuato talvolta la presenza di fotoni gamma. Per quanto<br />
riguarda le misure dai telescopi spaziali, il satellite italiano AGILE, ha elevato l’energia<br />
ammessa per i TGF, dell’ord<strong>in</strong>e del cent<strong>in</strong>aio di MeV. Mentre il Fermi Gamma-ray space<br />
telescope ha misurato positroni generati dai raggi gamma terrestri che hanno raggiunto<br />
la strumentazione di bordo dopo aver percorso traiettorie lungo le l<strong>in</strong>ee del campo<br />
magnetico terrestre (una traiettoria possibile per una particella carica <strong>in</strong> un campo<br />
magnetico è a forma di spirale con asse il campo stesso, se il percorso dei positroni è<br />
orientato verso il polo nord, gli elettroni si dirigono verso il polo sud). Le nubi sono<br />
così diventate un oggetto “astronomico” che merita (anche per le valutazioni di<br />
eventuali effetti della radiazione sul personale dei voli di l<strong>in</strong>ea) ricerche sistematiche.