Fulmini e lampi....

[danielef]

A parte scrivere che sono completamente d'accordo con IanSolo e che prima o poi spiegherò perché isolare l'albero non serve a nulla, contribuisco con questo lungo e noioso testo che ho scritto quando ero ancora intelligente e che qualcuno potrebbe considerare utile.

Un fenomeno particolarmente interessante per la microfisica atmosferica è la generazione della carica elettrica all'interno di una nube temporalesca e lo sviluppo dei fulmini.
Tutte le nubi sono in qualche modo caricate elettricamente ma nelle nubi convettive particolarmente vigorose le cariche si separano in tale quantità da dare origine ai vistosi fenomeni dei lampi. Studi con particolari apparati sperimentali hanno permesso di quantificare la carica elettrica nelle nubi temporalesche nel seguente modo.
Una sacca di cariche positive di circa 24 C (coulomb da non confondere con i gradi celsius, °C) nella parte più alta, una sacca di cariche negative di circa 20 C nella parte bassa sopra l'isoterma a 0°C (chiamato spesso lo zero termico) ed un'altra sacca di carica minore, circa +4 C, subito sotto lo zero termico.
E' stato stimato che la densità di carica (carica per unità di volume) all'interno di una nube temporalesca venga generata alla velocità di circa 1 C/(km^3 min). Sebbene ci siano sporadiche osservazioni di fulmini in nubi calde, la grande maggioranza di temporali con fulmini viene osservata in nubi miste e dopo la precipitazione di grandine.
Poiché questo fatto sembra dare importanza al ruolo della precipitazione solida, le teorie attuali si basano su quest'ultima per spiegare la formazione delle cariche.

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[testo tagliato dove si descrivono i possibili meccanismi di separazione delle cariche all'interno di una nube]
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Fulmine e tuono

Man mano che le cariche elettriche si separano, il campo elettrico all'interno della nube cresce ma, in particolare, cresce quello tra la base della nuvola e la terra dove, per induzione, si localizza una carica positiva in risposta a quella negativa alla base della nube.
Il campo elettrico può arrivare a superare quello che viene chiamato il limite di rottura dielettrico dell'aria dando luogo ad una scarica violenta di corrente attraverso di esso: il fulmine. Il limite di rottura dielettrica dell'aria è compreso tra circa 1 e 3 MV/m (milioni di volt per metro ). Utilizzando una formula che dà il campo elettrico tra due conduttori piani infiniti, si può verificare che per una nube di estensione di circa 1 chilometro quadrato ed assumendo di poter effettivamente applicare la formula con un errore accettabile, la carica di 20 C produce un campo elettrico tra nube e terra di circa 2 MV/m: dello stesso ordine del limite di rottura dielettrico.
Lo sviluppo del fulmine che noi osserviamo consiste di una serie di diversi fenomeni che avvengono in sequenza nel giro di una frazione di secondo:
1) scarica locale all'interno della nube tra la sacca positiva alla base ed il centro di forte carica negativa poco sopra. Il risultato è di portare gran parte della carica negativa alla base della nube.
2) elettroni si muovono verso terra creando un canale conduttore invisibile e ramificato (in inglese stepped leader). La discesa non è continua ma avviene a scatti: per circa 1 us (microsecondo, un milionesimo di secondo) durante il quale il canale si propaga di circa 50m e ripetendolo ogni 50us.
3) quando il canale si trova a circa 100m dalla superficie, dal suolo si leva una scintilla (travelling spark) che incontra il canale.
4) una volta creato questo canale conduttore, una grande quantità di elettroni si riversano verso terra producendo il fenomeno del fulmine vero e proprio (lightning stroke), quello luminoso e spettacolare. La corrente tipica di un fulmine in questo stadio è di circa 10^4 A (ampere) che, nonostante sia formata da elettroni che giungono dalla nube, appare come una scintilla che parte dal basso (return stroke) e si propaga verso l'alto in circa 100 us. Verosimilmente la spiegazione è che gli elettroni, partendo dalla nube accelerano spinti dal campo elettrico e raggiungono una velocità sufficiente a ionizzare l'aria (la scintilla vera e propria) dopo un certo percorso. Il canale ionizzato è fortemente conduttore per cui la distanza tra le cariche opposte si avvicina e questo fa aumentare il campo elettrico che aumenta l'accelerazione imposta agli elettroni facendoli raggiungere la velocità di ionizzazione prima. Il risultato è che il canale ionizzato (l'unico fenomeno spettacolarmente visibile ad occhio nudo) appare partire da terra e propagarsi verso l'alto.
5) il fulmine non esaurisce la carica per cui la terra rimane carica positivamente in risposta alla forte carica negativa ancora presente alla base della nube.
6) dopo il primo fulmine, ne possono seguire altri lungo lo stesso canale purché vengano fornite le cariche al capo del canale.
7) le cariche sono fornite da scariche locali (streamers) che entrano man mano più profondamente nella regione della nube caricata negativamente
8) una nuova scarica (dart leader) si propaga lungo il canale seguita da un altro fulmine visibile e così via.
9) mentre il primo fulmine è ramificato, i successivi non lo sono poiché sono in grado di seguire una traccia fortemente conduttrice.
In genere il fulmine visibile è formato da 3-4 lampi a 50 ms (millisecondi) di distanza tra loro che eliminano quasi completamente i 20 C della parte inferiore della nube.
Nel caso di costruzioni alte, il fulmine è iniziato da uno stepper leader che parte dalla costruzione e si propaga verso l'alto. La caratteristica che si nota è che la struttura in questo caso si ramifica verso l'alto.
Fulmini si sviluppano anche tra le nuvole. In genere consistono in scariche più lente e meno luminose.
Le scariche del "return stroke" alzano la temperatura del canale di 3000 K in 100 us così che l'aria non ha il tempo di espandersi e produce un'onda d'urto che viene udita come tuono.

Buona lettura a chi si sente di farla!

Daniele