Fulm_Lez1A

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Impianto di protezione da fulminePrincipio e funzionamento


Fulmine su un albero davanti al palazzo delleFerrovie Tedesche - Monaco di Baviera, 9 maggio 2003


I primi parafulmini


Prima prova che il fulmine è un fenomeno elettrico, fatta il 10 maggio 1752 da Dalibard a Marly vicino Parigi

Lit.: Feuer, Blitz und Funke; Technischen Hochschule, München, September 1965


Beniamino Franklin esegue la prova con un aquilone a Filadelfia nel giugno 1752


Il 6 agosto 1753, il professor Richmann dell'accademiareale di San Pietroburgo è stato ucciso da un fulmine durante degli esperimenti con elettricità da fulmine



Protezione da scariche atmosferiche di un edificio di G. Ch. Lichtenberg nell’anno 1778

S798


Le chapeau-paratonnerre des dames de Paris, 1778



Le parapluie-paratonnerre di Barbeu-Dubourgfine del 18. secolo



Linea guidaper la messa in opera di un parafulmine

1886


Metereologia del Fulmine


Nubi che annunciano un temporale

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Formazione del temporale

� Presenza di aria molto umida� Formazione di una corrente di aria

ascendente

determinano un movimento di una colonna di aria calda ascendente che può diventare tumultuoso

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Formazione delle nuvole temporalesche

Quando l�aria calda si solleva, si raffredda.

Ad una certa altezza,la temperatura è cosìbassa da rendere l�aria satura di vapore d�acqua; al diminuire ulteriore della temperatura, il vapore condensa e si forma la nuvola

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Formazione delle nuvole temporalesche

� Il calore che si libera dalla condensazione del vapore riscalda ulteriormente l�aria ascendente, imprimendole così una nuova spinta verso l�alto. Si formano correnti ascensionali aventi velocità fino a 100 km/h.

� Se l�aria contiene poco vapore acqueo, il fenomeno si esaurisce rapidamente con l�aumentare dell�altezza. Se invece l�aria è molto umida si formano cumuli stratificati, che possono raggiungere lospessore di 10-12 km, un diametro dell�ordine della decina di km e una altezza sul suolo di 2-3 km

� Se nell�ascesa, la temperatura dell�aria scende sotto gli 0°C, le goccioline d�acqua gelano.

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Tipi di temporale

� Temporale di calore� Temporale orografico� Temporale frontale

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Temporale di calore� Gli strati di aria calda più vicini al terreno sono scaldati dal calore

solare reirradiato dal suolo.

� Da un punto di vista termico, infatti, l�aria è trasparente alla radiazione solare diretta (spettro del visibile), ma non lo è per quella riflessa dal suolo (spettro dell�infrarosso).

� A seguito del riscaldamento, gli strati di aria inferiori si dilatano, assumono un peso specifico minore di quello degli strati sovrastanti e si innalzano. Si forma così un canale d�aria ascendente.

� Questo tipo di temporali è più frequente nelle zone tropicali. In Italia è molto raro, in quanto richiedono un forte riscaldamento del suolo e la contemporanea presenza di aria molto umida.

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Temporale orografico

� La corrente ascendente si forma perché l�aria calda vicina al suolo è spinta dal vento contro terreni in salita (p.es. fianchi di una montagna) ed è costretta ad innalzarsi.

� Questo tipo di temporali si verifica in corrispondenza di catene montuose a fianchi ripidi, affacciate su vaste zone pianeggianti (es. prealpi, valli alpine,costa ligure, Versilia, Abruzzi, coste calabre, ecc.)

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Temporale frontale

� Il temporale frontale si verifica quando, a causa di una perturbazione, un fronte di aria fredda arriva in una zona dove staziona aria calda.

� L�aria fredda della perturbazione, in quanto piùdensa e più pesante, si insinua sotto quella locale più calda, costringendola ad alzarsi.

� La maggior parte dei temporali in Italia inizia con l�arrivo di un fronte di aria fredda.

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Formazione delle cariche elettriche

� Le cariche elettriche si formano per strofinio tra le particelle di acqua e di ghiaccio e per la nebulizzazione dell�acqua, provocati dalle correnti di aria ascendenti.

� Nelle nuvole sono presenti sia cariche negative che cariche positive. Le cariche sono dell�ordine di centinaia-migliaia di coulomb.

� Di solito nella parte inferiore della nuvola la carica è negativa, in quanto le particelle a carica positiva sono normalmente più leggere di quelle a carica negativa, ovvero la loro superficie di contatto per la corrente ascensionale è relativamente grande con peso relativamente ridotto.


Scarica del Fulmine

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Dal punto di vista fisico, il temporale è un enorme generatore elettrostatico, dove:

� le goccioline di acqua e le particelle di acqua fungono da �portatori di carica�

� il vento funge da mezzo di trasporto della carica

� il sole fornisce l�energia


Sviluppo schematico di una scarica leader e dellacontroscarica di un fulmine negatico nube - terra

Centro di carica negativo

della cella temporalesca

Scarica libera

con nucleo

del plasma

controscarica

Carica positiva influenzata

Cariche positive(positive charges)

Cariche negative(negative charges)

(10-100 C)

Separazione di cariche all'interno della nube ed induzione di cariche nel terreno (t=0 ms)

Aspetti generali Aspetti generali –– Fenomenologia della fulminazione

Scariche preliminari (‘preliminary breakdown’)all'interno della nube (t=1 ms)

Il fenomeno della scarica atmosfericaIl fenomeno della scarica atmosferica

Sviluppo del canale ionizzato ('leader' ) (t=1,2 ms)


Sviluppo del canale ionizzato ('leader' ) (t=1,2 ms) Cont.


Inizio della fase di colpo di ritorno (‘return-stroke’) e scariche verso l'alto (‘upward leader’) (t=20 ms)


Propagazione del colpo di ritorno (‘return-stroke’) verso la nube (t=20.1 ms)


Propagazione del colpo di ritorno (‘return-stroke’) verso la nube (t=20.1 ms) Cont.


Termine della propagazione del colpo di ritorno (t=20,2 ms)


-Canale di Leader discendente--

- --

(Downward leader)

anche ‘Stepped’

RicapitolandoRicapitolando

+

++

-------

-

+

+

-----

- --

-

Leader ascendenti

+

- --

(Upward leader)


---Colpo di Ritorno

(Return stroke) -

+

----- - -

--- --

-


Dart Leader -----

-----

-

Tracciamento oscuro ('dart leader');

E E inoltreinoltre……

Colpo di ritorno Seguente(Subsequent Return-Stroke)

più di uno => molteplicità(multiplicity)

-----

-

Inizio - fine del colpo di ritorno seguente (t=62 ms - 65 ms);

E E inoltreinoltre……

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Classificazione dei fulmini secondo Classificazione dei fulmini secondo BergerBerger

Discendente negativo

Ascendente positivo

Discendente positivo

Ascendente negativo


Formazione della scarica atmosferica

S535-i k:\pm_01\folien\powerpnt\535-i-c.p

- -- - - -- - -- -

- - -- - -

+++++

+

+ ++ + +

++ +

++

Correnteimpulsiva


Presentazione schematica della crescita del fulmine leader, della controscarica e del fulmine principale

fotocamera con immagine ferma

fotocamera con immagine in movimentotempo

controscarica

ulteriori scariche del fulmine a luce debole

scarica principale ad alta luminosità


Fulmine negativo multiplo di un fulmine nube - terra

1. scarica parziale

2. scarica parziale

3. scarica parziale

4. scarica parziale

5. scarica parziale

correntecoda della corrente

tempo

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Struttura di una cellula temporalesca

� Le nubi di un temporale sono formate da numerose cellule temporalesche di alcuni chilometri di diametro, ognuna delle quali è attiva per circa 30 minuti e genera mediamente da 2 a 4 fulmini al minuto.

Tipica cellula di un temporale di calore

Densità di carica tipica:

- da alcuni nC/m3 ad alcune decine di nC/m3

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Andamento dell�intensità del campo elettriche del terreno in presenza di una

cellula temporalesca (modello)

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Livello ceraunico� Livello ceraunico Td =

indice della frequenza dei temporali in una determinata zona, inteso come numero di giorni temporaleschi all�anno in quella zona.

� Si considera temporalesco un giorno in cui sia stato udito almeno un tuono.

� Le curve che uniscono aree aventi la stessa frequenza di eventi temporaleschi si chiamano isoceraune(curve isocerauniche)

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Valori medi di Nt

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Correlazione tra livello ceraunico Tde numero Nt di fulmini a terra

25,104,0 dt TN

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Fotografie in rapida

sequenza di una scarica atmosferica

26Fulmini nube-terra discendente Fulmini terra-nube ascendente

27Fulmini nube-nube

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Tecniche di rilevazione dei fulmini:misura della corrente di fulmine

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Parametri della corrente di fulmineLe correnti di fulmine possono essere modellate come correnti impulsive.

Si definiscono:

�Valore di cresta (I): valore massimo della corrente

�Tempo alla cresta (Tc): tempo in cui la corrente raggiunge il valore massimo

�Tempo all�emivalore (Te): tempo in cui la corrente raggiunge metà del valore di cresta

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Andamenti della corrente di fulmini discendenti

La corrente dei fulmini a terra può essere costituita dalle seguenti componenti:

a) una corrente impulsiva positiva o negativa con imax di alcune decine di kA e una durata Ts<2ms

b) Una corrente impulsiva positiva o negativa con una corrente di lunga durata finale, avente una corrente �continua� tipica intorno ai 100 A e una durata Tl< 500 ms

c) Una sequenza di corrente impulsiva negativa composta da più scariche parziali (correnti impulsive multiple) con una prima corrente impulsiva seguita da correnti impulsive successive con valori tipici imax intorno ai 10 kA(inferiore in ogni caso al valore del primo impulso di corrente); la pausa tra le scariche parziali è Tp<100 ms

d) Una sequenza negativa di corrente di impulso nel quale è inserita una corrente di lunga durata

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Andamenti della corrente di fulmini ascendenti

La corrente dei fulmini terra-nube può essere costituita dalle seguenti componenti:

a) una corrente di lunga durata positiva o negativa con una corrente �continua� tipica intorno ai 100 A e una durata Tl < 500 ms

b) una corrente di lunga durata positiva o negativa alla quale può collegarsi una scarica nube �terra avente gli andamenti tipici dei fulmini discendenti.

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Parametri della corrente di fulmine

� Le correnti di fulmine sono costituite prevalentemente da correnti impulsive ed eventualmente anche da correnti di lunga durata.

� Le correnti di fulmine sono normalmente correnti impresse (come se fossero generate da generatori ideali di corrente) e difficilmente sono influenzate dagli oggetti colpiti.

� I parametri caratteristici sono i seguenti:

� Valore di picco (o di cresta) Imax: valore massimo raggiunto dalla corrente di fulmine in kA

� Carica della corrente di fulmine ( i dt), in A� Pendenza massima (di/dt)max della corrente di fulmine. Si raggiunge sul fronte

della scarica e si misura in kA/s� Energia specifica associata alla corrente di fulmine ( i2 dt). Rappresenta

l�energia sviluppata dalla corrente di fulmine su un resistenza di valore unitario. Si misura in A2s

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Distribuzione statistica della corrente di cresta

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Distribuzione statistica della pendenza massima di/dt

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Distribuzione statistica della carica elettrica i dt

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Distribuzione statistica della energia specifica i2 dt

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Valori massimi registrati

� Corrente di cresta: 350 kA

� Pendenza massima: 110 kA/s� Carica elettrica: 450 C� Energia specifica: 1,8x107 A2s

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Spettro di frequenza

Lo spettro della corrente di fulmine ha una banda compresa tipicamente tra 1 e 100 kHz.

Le armoniche possono arrivare fino a 2 MHz

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Corrente massima di fulmine

Se RE è la resistenza verso terra della struttura colpita dal fulmine, si avrà una tensione Vmax pari a

MAXEMAX IRV

N.B.: tenere conto anche degli effetti induttivi

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Carica della corrente di fulmine

La carica Q determina la fusione di metalli, secondo la seguente relazione

susw

KA

ccUQ

V

)(

1,

Dove:

-Q è la carica della corrente di fulmine (in As)

- UA,K è la tensione di scarica nel punto di impatto del fulmine (in V) (di solito si assume un valore pari a 30V)

- è la densità di massa (in kg/m3)

- cW è la capacità termica specifica (in J/kg °K)

- cs è il calore specifico di fusione (in J/kg)

s è la temperatura di fusione (in °C)

- u è la temperatura ambiente (in °C)

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Effetti della pendenza della corrente di fulmine

� La pendenza della corrente di fulmine i/t è responsabile dell�entità delle tensioni indotte sulle spire di induzione (sia aperte che chiuse) che si trovano nellarea dei conduttori attraversati da corrente

� Se M è la mutua induttanza delle spira di induzione (in henry), si determina una tensione indotta U (in volt) pari a

tiMU

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Fulminazione diretta e indiretta

� Per �fulminazione diretta� di una struttura, si intende quando il fulmine colpisce direttamente la struttura.

� Per �fulminazione indiretta� di una struttura, si intende il complesso dei fenomeni che interessa la struttura quando il fulmine cade nei pressi della struttura o colpisce linee elettriche o masse estranee entranti o uscenti nella/dalla struttura.

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Danni da fulminazione

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Danni da fulminazione diretta ed indiretta

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Tensione di contatto

cTc

cTc RZ

RiZiRdtdiLU

'1 )(

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Tensione di contatto per fulminazione indiretta

Le tensioni di contatto possono essere pericolose anche a notevoli distanza dal punto di impatto del fulmine, p.es. per effetto di strutture metalliche che possono determinare una spira chiusa con il corpo umano.

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