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I fulmine è uno dei fenomeni naturalipiù comuni e spettacolari. Fulminie temporali sono oggetto di nume-

rose indagini scientifiche da circa due se-coli, cioè da quando Benjamin Franklindimostrò che un fulmine è una gigante-sca scarica elettrica. Tuttavia, nonostan-te il dispiegamento di nuovi strumenti etecniche d'indagine, ancora ci sfuggonole esatte origini del fulmine e i meccani-smi attraverso i quali le nubi temporale-sche si caricano di elettricità.

L'estrema difficoltà di risolvere il pro-blema deriva dal fatto che la fisica deifulmini e dei temporali abbraccia un in-tervallo di 15 ordini di grandezza. Aun'estremità vi sono i fenomeni atomiciche avviano l'elettrizzazione della nubetemporalesca, fenomeni la cui scala è di10' chilometri; all'altra estremità vi èil movimento dell'aria all'interno dellanube temporalesca che completa il pro-cesso di carica; questo movimento sisvolge su una scala di decine o centinaiadi chilometri.

Franklin stesso, forse inconsapevol-mente, individuò una delle difficoltàfondamentali quando nel 1752 osservòche «le nubi di un fortunale sono moltodi frequente in uno stato di elettricitànegativa, talvolta di elettricità positiva.»Solo da poco è stato chiarito se questaambiguità derivi da osservazioni errate osia nella natura delle cose. Comunque,da quando Franklin scrisse queste paro-le, è stato accertato che il fulmine è iltrasferimento di una carica elettrica (po-sitiva o negativa) da una regione dellanube a un'altra o dalla nube al suolo.Affinché questo trasferimento possa a-ver luogo, è necessario che la nube siacaricata di elettricità, cioè che le carichepositive e negative siano separate. Comeavviene questa separazione di carica?

Come si vedrà meglio in seguito, aquesta domanda si può dare solo unarisposta parziale. Gli oggetti con cui ab-biamo solitamente a che fare, come peresempio le tazzine o i telefoni, conten-gono lo stesso numero di cariche positive

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e negative; inoltre queste cariche sonodistribuite uniformemente nell'oggetto,che è quindi elettricamente neutro, cioèscarico. Molti processi microfisici, tutta-via, possono far sì che le cariche si sepa-rino, con il risultato che una regione ac-cumula più cariche positive o negative diun'altra, benché l'oggetto rimanga neu-tro nel suo complesso. Si dice allora chel'oggetto è carico o elettrizzato. Il gradodi separazione delle cariche prende il no-me di tensione, o differenza di potenzia-le, e viene misurato in volt. Quando unapersona attraversa una stanza, l'ambien-te rimane neutro nel complesso, ma l'a-zione delle scarpe sul tappeto può far sìche quest'ultimo si carichi con una pola-rità, mentre le scarpe e il corpo dellapersona si caricano con la polarità oppo-sta. Si possono così generare differenzedi potenziale di 100 000 volt su distanzedi qualche centimetro, che si manifesta-no quando, per esempio, si afferra lamaniglia della porta.

La tipica scarica di un fulmine è deter-minata da una differenza di potenzialedi centinaia di milioni di volt e può tra-sferire al suolo una carica di 10 o piùcoulomb; si tratta della carica portata da1020 elettroni. Il trasferimento della ca-rica di un coulomb al secondo produceper definizione una corrente elettrica diun ampere. Perciò la scarica di un fulmi-ne corrisponde a una corrente di ben piùdi 10 ampere, poiché la sua durata è mol-

Un fulmine colpisce Seattle il 31 luglio 1984,durante un temporale di intensità eccezio-nale. Un fulmine scarica normalmente unadifferenza di potenziale di parecchie centi-naia di milioni di volt e trasporta una caricadi circa 1020 elettroni in una frazione disecondo, con una corrente di picco fino a10 000 ampere. Un temporale di media in-tensità produce una potenza elettrica dialcune centinaia di megawatt, equivalentea quella di una piccola centrale nucleare.

biettivo principale della fisica dei tempo-rali è quello di scoprire quale distribu-zione di carica e quali meccanismi fisicistiano dietro a queste tensioni e a questepotenze. In passato le indagini si sonoconcentrate sulla distribuzione delle ca-riche elettriche nelle nubi.

Dopo l'osservazione fatta da Franklinera naturale supporre che la distribuzio-ne delle cariche in una nube temporale-sca avesse l'andamento più semplice im-maginabile: le cariche positive in una re-gione della nube e le cariche negative inun'altra regione. Una struttura del gene-re si chiama dipolo. Nel tentativo di spie-gare la presunta struttura a dipolo dellenubi temporalesche, i ricercatori hannofatto appello a due modelli diversissimi:l'ipotesi della precipitazione e quelladella convezione.

Due modelli a confronto

L'ipotesi della precipitazione. avanza-ta nel 1885 dai fisici tedeschi Julius Elstere Hans F. Geitel, è basata su un feno-meno che si osserva usando una comunecanna da giardino: le gocce d'acqua più

grandi cadono rapidamente staccandosidal getto, mentre la nebbiolina di parti-celle più piccole resta sospesa nell'aria eviene portata via dal vento. Allo stessomodo, nell'ipotesi della precipitazione sipresume che in una nube temporalescale gocce di pioggia, i chicchi di grandinee i graupel (sferette di grandine «tenera»con diametro variabile da un millimetroa un centimetro) siano trascinati verso ilbasso dalla gravità, mentre le gocciolined'acqua e i cristalli di ghiaccio più piccolirestano sospesi nell'aria. Si suppone chele collisioni fra le particelle più grandiche precipitano e quelle più piccole cherimangono in sospensione trasferiscanocariche negative alle prime (così come lecariche si trasferiscono dal tappeto allescarpe) e, per il principio di conservazio-ne della carica, cariche positive alle se-conde. Se le particelle che precipitanosono cariche negativamente, allora nellaparte inferiore della nube si accumulacarica negativa e in quella superiore ca-rica positiva (si veda l'illustrazione a pa-gina 51 in alto). Una distribuzione dellecariche in cui la regione positiva sta inalto si chiama dipolo positivo.

L'ipotesi della convezione, formulataindipendentemente da Gaston Grenetdell'Università di Parigi nel 1947 e daBernard Vonnegut della State Univer-sity of New York ad Albany nel 1953, èun tantino più complicata. Qui l'analo-gia è fornita dal noto generatore di Vande Graaff. In questo dispositivo una ca-rica elettrica positiva o negativa vienediretta su una cinghia di gomma in mo-vimento, la quale trasporta le cariche,cioè gli ioni, a un terminale ad alta ten-sione. Nel modello della convezione sisuppone che all'inizio le cariche elettri-che della nube siano fornite da due sor-genti esterne. La prima è costituita dairaggi cosmici che, entrando in collisionecon le molecole d'aria sopra la nube, leionizzano (cioè separano le cariche po-sitive da quelle negative). La secondasorgente è il forte campo elettrico intor-no agli oggetti acuminati che si trovanosulla superficie della Terra, il quale pro-duce una scarica di ioni positivi per «ef-fetto corona». Questi ioni positivi sonotrasportati verso l'alto dall'aria caldache, salendo per convezione, si compor-ta come la cinghia nel generatore di Van

L'elettricità dei temporali

Benché si sappia già da due secoli che il fulmine è un fenomeno elettrico,rimangono tuttora controversi gli esatti processi microfisici attraverso iquali le nubi temporalesche riescono ad accumulare la loro ingente carica

di Earle R. Williams

to inferiore al secondo. Nubi temporale-sche di dimensioni modeste produconoalcuni lampi al minuto e sviluppano unapotenza di alcune centinaia di megawatt,come una piccola centrale nucleare. L'o-

ARCHITETTURAE ARTE

LE SCIENZE edizione italiana di

SCIENTIFIC AMERICAN

ha dedicato all'argomentodiversi articoli:

Pieter Bruegel il Vecchioe la tecnica del Cinquecento

di H. A. Klein (n. 117)

La conservazione della pietradi K. L. Gauri (n. 120)

Norme architettonichenella Cina del XII secolo

di E. Glahn (n. 155)

L'architettura di Christopher Wrendi H. Dorn e R. Mark (n. 157)

Intarsi rinascimentali:l'arte della geometria

di A. Tormey e J. Farr Tormey(n. 169)

Le volte a ventagliodi W. C. Leedy, Jr. (n 176)

Le chiese di legno della Norvegiadi P. Aune, R.L. Sack e A. Selberg

(n. 182)

Il Crystal Palacedi F. T. Kihlstedt (n. 196)

Sperimentazione strutturalenell'architettura gotica

di R. Mark e W. W. Clark (n. 197)

Il restauro delle vetratemedioevali

di G. Frenzel (n. 203)

Il segreto della cupola diSanta Maria del Fiore

di M. Ricci (n. 227)

Due sono i modelli proposti per spiegare la struttura elettrica dellenubi temporalesche. Il modello della precipitazione (a sinistra) ipo-tizza che la gravità faccia cadere le gocce di pioggia più pesanti, ichicchi di grandine e i graupel (sferette di grandine «tenera» deldiametro di un millimetro o più), mentre le gocce d'acqua piùpiccole e i cristalli di ghiaccio restano in sospensione. Si ritiene chele collisioni fra le particelle che cadono e quelle che restano insospensione trasferiscano carica positiva alle seconde e carica ne-gativa alle prime. Quando queste ultime cadono, la parte inferio-re della nube assume una carica negativa e la parte superiore una

carica positiva: questa struttura viene chiamata dipolo positivo.Nell'ipotesi della convezione (a destra) si suppone che correnti d'a-ria calda trasportino alla sommità della nube le cariche positive chesi liberano al suolo. Cariche negative prodotte dai raggi cosmicisopra la nube vengono attirate verso la sua superficie dalle carichepositive contenute nella nube. Le cariche negative aderiscono alleparticelle della nube formando uno «strato schermante» negativo.Si suppone che le correnti aeree discendenti trasportino verso ilbasso le cariche negative; anche questo processo dà luogo a un di-polo positivo. Si noti che i due modelli si escludono reciprocamente.

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La vera struttura di una nube temporalesca non è dipolare matripolare, con una regione principale di carica negativa compresatra due regioni di carica positiva. In una nube temporalesca matura(a sinistra) la regione principale di carica negativa è a una quotadi circa sei chilometri e ha una temperatura di circa —15 gradiCelsius. Tale regione ha una forma schiacciata con uno spessoredi poche centinaia di metri soltanto. La regione positiva superioresi estende spesso fino alla tropopausa, a una quota di circa 13chilometri. Alla sommità della nube vi è un sottile strato di cari-che negative, lo strato schermante, forse generato dai raggi cosmiciche ionizzano le molecole dell'aria. Alla base della nube c'è un'altra

regione positiva, più piccola della prima. In una nube temporalescamatura dominano le correnti ascendenti (frecce), mentre in una nu-be temporalesca in dissolvimento (a destra) la regione inferiore dicarica positiva libera precipitazioni con forti correnti aeree discen-denti. Il modello della precipitazione non spiega la struttura tripo-lare delle nubi temporalesche. L'ipotesi della convezione ne forni-sce una spiegazione supponendo che la regione positiva inferioresia generata dal cosiddetto effetto corona degli oggetti acuminatiche si trovano a Terra. Dati recenti, tuttavia, indicano che la spie-gazione corretta della struttura tripolare sta in fenomeni microfi-sici di trasferimento di carica tra i graupel e i cristalli di ghiaccio.

de Graaff. Raggiunte le regioni superioridella nube, questi ioni positivi attraggo-no gli ioni negativi generati dai raggi co-smici sopra la nube. Gli ioni negativi en-trano nella nube e subito aderiscono allegoccioline d'acqua e ai cristalli di ghiac-cio, formando uno «strato schermante»negativo. Secondo l'ipotesi le correntidiscendenti alla periferia della nube por-tano poi in basso le particelle cariche ne-gativamente dello strato schermante;anche in questo caso si forma dunqueuna struttura di dipolo positivo.

Benché in tutte le nubi che produconofulmini si osservino sia precipitazione,sia convezione (nelle nubi più grandiquesti fenomeni sono anzi inseparabili),le due ipotesi sembrano essere mutua-mente esclusive. La cospicua differenzafra i due modelli ha avuto una funzioneimportante nell'orientare i ricercatoriverso la comprensione dei ruoli rispettividella precipitazione e della convezionenell'elettrizzazione delle nubi.

Questi modelli furono elaborati perspiegare la struttura a dipolo delle nubitemporalesche. Ma, come si è detto, laprima osservazione di Franklin del 1752accenna a un'ambiguità: è la carica po-sitiva o quella negativa che sta sopra?Questo problema portò a una controver-sia tra C. T. R. Wilson e George C.Simpson sulla distribuzione delle carichenelle nubi temporalesche. La disputa èistruttiva, perché mette in luce alcunedelle difficoltà connesse alla raccolta didati significativi sui temporali.

Dipolo positivo o negativo?

Negli anni venti Wilson, che già avevainventato la camera a nebbia, fece osser-vazioni a distanza su numerosi temporalie concluse che la struttura fondamentaledi una nube temporalesca era quella diun dipolo positivo. Più o meno nellostesso periodo, Simpson misurò la caricadella pioggia che cadeva durante i tem-porali e concluse, al contrario, che la re-gione inferiore della nube aveva caricapositiva e quella superiore negativa: eracioè un dipolo negativo.

Solo negli ultimi vent'anni i ricercatorisono stati in grado di spiegare l'apparen-te incompatibilità di questi risultati. Aposteriori, si può dire che questa discre-panza ha potuto perpetuarsi perché ra-ramente viene misurata la carica di unanube temporalesca: essa viene ricavatadi solito da misure del campo elettricodella nube. Il campo elettrico che circon-da un oggetto carico è, sotto quasi tuttigli aspetti, analogo al campo gravitazio-nale che circonda un corpo dotato dimassa. Entrambi i campi fanno muoveregli oggetti su cui agiscono; un campo gra-vitazionale attira i corpi dotati di massa,mentre un campo elettrico attira o re-spinge le particelle cariche. La forza gra-vitazionale o elettrica che agisce su que-sti oggetti varia con il quadrato della di-stanza. Pertanto entrambi i campi sonocaratterizzati da un'intensità (determi-

nata dalla distanza dal corpo centrale),da una direzione e da un verso (attrattivoo repulsivo). I campi caratterizzati daun'intensità, da una direzione e da unverso si chiamano campi vettoriali.

Quando sono presenti più oggetti do-tati di carica, il campo elettrico può es-sere molto complicato. Inoltre molti tipidi distribuzione di carica possono pro-durre in un dato punto un campo con lastessa intensità e orientazione. Di con-seguenza per determinare univocamentela distribuzione delle cariche occorronomolte misurazioni del campo elettrico;anzi, in linea di principio, per ricavare lavera distribuzione delle cariche si do-vrebbe misurare il campo elettrico effet-tivo in ogni punto. Wilson e Simpsoneffettuarono misurazioni da una sola po-sizione e ciò non basta per ricavare lacorretta distribuzione delle cariche.

Dai tempi della controversia tra Wil-son e Simpson, 50 anni di ulteriori osser-vazioni hanno permesso di stabilire chela struttura fondamentale delle nubitemporalesche non è dipolare ma tripo-lare: vi è una regione principale di caricanegativa al centro, una regione di caricapositiva sopra di essa e, sotto, un'altraregione più piccola, sempre di carica po-sitiva (si veda l'illustrazione nella paginaa fronte in basso). La caratteristica piùcospicua dello strato principale negativoè la sua forma schiacciata: il suo spessoreverticale è meno di un chilometro, mal'estensione orizzontale può raggiungerealcuni chilometri o più. E situato a un'al-tezza di circa sei chilometri, dove la tem-peratura è di circa —15 gradi Celsius.Nelle condizioni presenti in questa re-gione possono coesistere i tre stati del-l'acqua, solido, liquido e di vapore. Icampi elettrici più intensi nella nube sitrovano ai confini superiore e inferioredello strato principale negativo.

La regione positiva superiore è più dif-fusa dello strato negativo, e può esten-dersi in verticale per alcuni chilometri,tanto quanto l'altezza della nube stessa.La regione positiva inferiore, viceversa,è così ristretta che il campo elettrico alsuolo è spesso dominato dalla carica ne-gativa principale. In molte nubi si osser-va un altra caratteristica: uno strato dicariche negative dello spessore di uncentinaio di metri, sopra la regione po-sitiva superiore. Questo strato è forsegenerato dagli ioni negativi prodotti so-pra la nube e fuori di essa e catturati dal-le goccioline o dalle particelle di ghiacciodella nube; è lo strato schermante previ-sto dall'ipotesi della convezione. A pre-scindere dalla sua origine, però, questostrato sembra essere un particolare se-condario che non altera in misura signi-ficativa la struttura tripolare della nube.

La struttura di tripolo ci consente dicomprendere le conclusioni di Wilson edi Simpson. Wilson fece le sue osserva-zioni da notevole distanza; l'effetto elet-trico della piccola regione positiva allabase della nube era mascherato dalla re-gione principale negativa. Pertanto egli

50 51

CAVO SOSPESO SOSTEGNOISOLANTE

ALIMENTATOREAD ALTA

TENSIONE

L'ipotesi della convezione è stata messa alla prova in esperimenti condotti da Charles B.Moore e Bernard Vonnegut. L'aria sottostante a un cumulo viene caricata positivamentemediante un cavo collegato a un alimentatore ad alta tensione. Misurazioni eseguite da unaereo indicano che le cariche salgono attraverso la nube per convezione. Invertendo la po-larità dell'alimentatore, la polarità della nube si inverte a sua volta. Gli esperimenti dimo-strano che le cariche salgono per convezione; il campo elettrico prodotto però è circa 1000volte più piccolo di quello necessario per scatenare i fulmini in nubi elettricamente attive.quindi non e certo che questi risultati spieghino ciò che avviene nelle nubi temporalesche.

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I fenomeni di trasferimento di carica comprendono collisioni fra graupel e cristalli dighiaccio. I graupel, più pesanti, precipitano attraverso una sospensione di piccoli cristallidi ghiaccio (esagoni) e di goccioline d'acqua sovraraffreddate (puntini). Si è dimostratoche a temperature inferiori a un valore critico, detto temperatura di inversione di carica(Ti), i graupel che precipitano acquistano una carica negativa nelle collisioni con i cristallidi ghiaccio, mentre a temperature superiori a T I acquistano una carica positiva. Si ritieneche T I sia pari a circa — 15 gradi Celsius, che è la temperatura misurata nella regionenegativa principale delle nubi temporalesche; perciò quando i graupel scendono più inbasso, in regioni a temperatura superiore, assumono una carica positiva. Graupel concarica positiva formano probabilmente la regione positiva inferiore di una nube tripolare.

vide soltanto la carica positiva in alto ela carica negativa sotto di essa, cioè undipolo positivo. Le osservazioni di Sim-pson, invece, furono condotte standoproprio sotto la nube. I suoi strumentirilevarono la regione positiva inferioresituata subito sopra di lui. Poiché lasoprastante regione centrale negativaschermava la regione positiva superiore,Simpson concluse che la carica negativaera quella più in alto e che quindi la nubeaveva una struttura di dipolo negativo.

I fenomeni microfisici

La struttura tripolare delle nubi tem-poralesche impone qualche modifica al

semplicistico modello della precipitazio-ne, che è valido solo per una nube dipo-lare e che non spiega la microfisica deltrasferimento delle cariche. D'altro can-to sembra che il modello della convezio-ne porti in modo più naturale a una strut-tura di tripolo, poiché prevede che lascarica per effetto corona degli oggettiacuminati al suolo produca un flusso dicariche positive verso la base della nube.In passato molti ritenevano che questoflusso potesse spiegare la regione positi-va inferiore del tripolo. Misure recentidell'entità del flusso, tuttavia, indicanoche esso potrebbe essere troppo piccolodi un ordine di grandezza per spiegare lavelocità con cui si è visto che la nube si

carica. In parte anche per questa ragioneil modello della convezione è caduto indiscredito. Si cerca quindi di modificareil modello della precipitazione.

Per spiegare sia l'esistenza della regio-ne inferiore di carica positiva, sia il fattoche la pioggia trasporta di solito una ca-rica positiva, sono state avanzate parec-chie proposte. I primi tentativi per spie-gare le osservazioni furono compiuti daSimpson. E noto da studi empirici sullecascate che le goccioline più grandi,frammentandosi, acquistano selettiva-mente una carica positiva. Simpson for-mulò l'ipotesi che anche le gocciolined'acqua che precipitano in una nubetemporalesca si frammentino presso labase della nube, spiegando così la pre-senza della regione positiva inferiore.Misurazioni eseguite sotto la regioneprincipale di carica negativa delle nubidimostrano però che le particelle cheprecipitano trasportano cariche moltomaggiori di quelle prodotte dal processodi frammentazione nelle cascate; ciò sol-leva seri dubbi sulla possibilità di spiega-re con questo meccanismo la formazionedella regione positiva inferiore del tripo-lo. Inoltre è ormai chiarito che la mag-gior parte delle particelle di carica posi-tiva che precipitano sotto la regioneprincipale negativa non sono gocciolined'acqua ma cristalli di ghiaccio.

Il ghiaccio viene preso in considera-zione anche negli altri modelli che ten-tano di spiegare la struttura tripolaredelle nubi temporalesche. Studi di labo-ratorio effettuati negli anni quaranta di-mostrarono che le particelle di ghiaccioassumono, fondendosi, una forte caricapositiva. Questa osservazione è ancoraoggi spesso richiamata per spiegare lapresenza della regione positiva inferioredella nube. Tuttavia, sebbene la fusionepossa forse spiegare l'esistenza di parti-celle di carica positiva a quote inferioria 4000 metri, dove nei temporali alle me-die latitudini il ghiaccio comincia a fon-dere, essa non può comunque spiegarel'esistenza di queste particelle a quotesuperiori, dove pure vengono osservate.

La fusione del ghiaccio non sembradunque giustificare la struttura a tripoloosservata, ma ora disponiamo di valideprove che inducono a pensare che le col-lisioni fra cristalli di ghiaccio e graupelabbiano un ruolo fondamentale. Negliultimi vent'anni molti ricercatori, in par-ticolare Stephen E. Reynolds, MarxBrook e collaboratori del New MexicoInstitute of Mining and Technology,Tsutomu Takahashi dell'Università diHawaii a Manoa e Clive P. R. Saunders,John Latham e Anthony J. Illingworthdella Victoria University di Manchesterhanno dimostrato mediante ricerche dilaboratorio che quando i graupel urtanoi cristalli di ghiaccio, il segno della caricatrasferita ai primi dipende molto dallatemperatura. Sotto una temperatura cri-tica, detta temperatura d'inversione dicarica (Ti), viene trasferita una caricanegativa; a temperature superiori (cor-

rispondenti a basse quote della nube)viene trasferita una carica positiva. Il va-lore esatto della temperatura d'inversio-ne di carica è ancora controverso, ma lamaggior parte degli sperimentatori lacolloca tra i —20 e i —10 gradi Celsius.

Osservando con svariati metodi le nu-bi temporalesche si è visto che lo stratoprincipale di carica negativa si trova auna quota alla quale la temperatura è dicirca —15 gradi Celsius. L'ipotesi dell'in-versione di carica spiega quindi perchésotto questa quota le cariche negative sitrovano più raramente: i graupel, preci-pitando e urtando i cristalli di ghiacciosospesi, acquistano una carica positiva.Queste cariche positive che precipitanodanno origine alla regione positiva infe-riore del tripolo. Inoltre, la quantità dicarica che viene trasferita in una collisio-ne eseguita in laboratorio è abbastanzagrande da giustificare la carica trasferitadai fulmini in nubi aventi un'attività elet-trica modesta. La determinazione di unatemperatura di inversione di carica coe-rente sia con gli esperimenti di laborato-rio, sia con le osservazioni sui temporalidev'essere considerata il progresso piùimportante degli ultimi vent'anni nellostudio dell'elettricità dei temporali.

E pur vero tuttavia che gli esatti pro-cessi microfisici che dovrebbero spiegareil trasferimento sistematico di cariche diun determinato segno ai graupel,restanoquasi del tutto sconosciuti, come pure ilvalore della temperatura di inversione dicarica. Il meccanismo fisico soggiacentepotrebbe essere correlato con quello chefa caricare le scarpe quando si camminasu un tappeto o che elettrizza una bac-chetta di vetro quando la si strofina conun panno di lana. Benché questi feno-meni fossero già noti nell'antichità, i fe-nomeni microfisici di base restano ancoroggi un problema trascurato e irrisolto.La mancanza di una descrizione micro-fisica dei fenomeni di elettricità statica èla lacuna più seria nella comprensionedei fenomeni elettrici atmosferici.

La convezione

Sebbene il modello della convezionepossa essere inadeguato per spiegarel'ampiezza della regione inferiore di ca-rica positiva, vi sono valide prove checonfermano come nei temporali vi sianoforti correnti d'aria ascendenti e discen-denti; non c'è dubbio che la convezionesia presente. È stato anche osservato chele più elevate frequenze di lampi sonoassociate con il moto ascendente di grau-pel e grandine vera e propria soprala regione principale di carica negati-va. Questo quadro contraddice l'ipotesisemplicistica della precipitazione, in cuil'elettrizzazione è causata solo dai grau-pel in moto discendente. Probabilmenteè il moto relativo tra i cristalli di ghiaccioe i graupel a causare una massiccia sepa-razione di cariche. La condizione impor-tante è che i cristalli di ghiaccio s'innal-zino rispetto al suolo più rapidamente

dei graupel (perciò è come se questi ul-timi cadessero). Inoltre anche forti cor-renti d'aria ascendenti risultano essen-ziali per la produzione di elettricità dalmomento che provvedono a rifornire digoccioline d'acqua sottoraffreddata lazona che si trova sopra la quota dellatemperatura di inversione. Queste goc-cioline consentono lo sviluppo dei grau-pel necessari per l'accumulo di elettricitàstatica e, come indicano gli esperimentidi laboratorio citati in precedenza, inmancanza di goccioline il trasferimentodi carica che si instaura tra i graupel e icristalli di ghiaccio è trascurabile.

Nell'ultimo decennio le correnti tem-poralesche discendenti hanno costituitouna minaccia crescente per la sicurezzadella navigazione aerea. Si ritiene chealcuni gravi incidenti ad aerei di lineasiano stati causati da correnti discenden-ti di intensità eccezionale, chiamate mi-croraffiche da Tetsuya T. Fujita dell'U-niversità di Chicago. Recenti studi suitemporali stazionari hanno dimostratoche queste correnti discendenti si pre-

sentano cinque o 10 minuti dopo che lecorrenti d'aria ascendenti e i fulmini in-terni alla nube hanno raggiunto la mas-sima intensità; le correnti discendenti so-no inoltre associate alle intense precipi-tazioni che avvengono quando la corren-te d'aria ascendente comincia a ricadere.

Le misurazioni dimostrano anche chein quell'istante il verso del campo elet-trico al suolo s'inverte: da orientato ver-so l'alto diviene orientato verso il basso.La precipitazione ha carica positiva e ciòindica che durante la fase di microrafficadella corrente discendente, la regione in-feriore di carica positiva della nube siestende fino al suolo. La frequenza deifulmini interni alle nubi e le inversionidel campo elettrico potrebbero indicareai controllori del traffico aereo che lasituazione è pericolosa.

Poiché queste forti correnti convettivesono caratteristiche dei temporali, si puòritenere che il modello della convezionepossa spiegare certi aspetti dell'accumu-lo di elettricità nelle nubi. Come si è det-to, esso prevede la presenza di uno strato

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L'esperimento IVY-MIKE del 1952, in cui fu fatta esplodere una bom-ba H da 10 megaton generò fulmini entro 10 millisecondi dalla de-tonazione (in alto). L'intensa emissione di raggi gamma dovuta al-l'esplosione strappa gli elettroni dalle molecole dell'aria (questo fe-nomeno si chiama diffusione Compton); gli elettroni, più leggeri,sono rapidamente allontanati dalle molecole cariche positivamente,il che provoca la separazione delle cariche. La simmetria emisfericadell'esplosione consente di simulare la distribuzione di carica in la-boratorio. I tre esperimenti fotografati in basso sono stati effettuati

presso lo High Voltage Research Laboratory del Massachusetts In-stitute of Technology iniettando cariche elettriche in zone partico-lari di un blocco di plastica isolante. I modelli hanno un campo e-lettrico simile presso il suolo, ma una diversa distribuzione di ca-rica. Solo il modello a destra riproduce l'andamento dei fulmininell'esperimento IVY-MIKE e questo indica che è la distribuzione dicarica e non il campo elettrico a determinare il percorso del fulmi-ne. Esso si innesca dove il campo elettrico al suolo è più elevato, eviaggia all'insù attraverso la regione di massima carica negativa.

Le scariche interne alle nubi sono molto più frequenti dei lampi dalle nubi al suolo, masono mascherate dalla diffusione della luce visibile da parte della nube. Gli studi su que-sto fenomeno vengono condotti con l'ausilio di radar, di radiogoniometri e di microfoni.

Questo «giro della morte» dimostra che i percorsi dei fulmini non seguono direzioni ovvie.Sulla natura di questi percorsi si sono pubblicate teorie disparate: secondo alcune essi so-no casuali, secondo altre sono determinati dalla configurazione del campo elettrico oppuredalla distribuzione spaziale della carica elettrica. La terza ipotesi sembra la più verosimile.

schermante. È per questa ragione chealcuni ricercatori, in particolare CharlesB. Moore del New Mexico Institute ofMining and Technology e Bernard Von-negut, hanno continuato a sottoporre averifiche il modello. Nei loro esperimen-ti hanno generato cariche elettriche, incondizioni di bel tempo, nell'aria sotto-stante un cumulo mediante un cavo col-legato a un terminale ad alta tensione.Osservazioni condotte da un aereo han-no dimostrato che la carica liberata dalcavo per effetto corona veniva portataverso l'alto attraverso la nube da corren-ti aeree convettive. Ciò che risulta mag-giormente interessante è che quando ve-niva liberata una carica positiva, la som-mità della nube si caricava positivamen-te e la base negativamente, dando luogoa un dipolo positivo. Viceversa, se la ca-rica liberata era negativa, la nube assu-meva la struttura di un dipolo negativo.Questi risultati indicavano che la conve-zione portava le cariche nella parte su-periore della nube.

Tuttavia la carica interna che la nubeacquisiva nel corso di questi esperimentiera circa 100 volte minore di quella chesi rileva nei temporali attivi e il campoelettrico era oltre 1000 volte meno inten-so di quello che si ritiene necessario perinnescare un fulmine. Questi esperimen-ti non hanno verificato direttamente ilruolo della convezione nei temporalielettricamente attivi e accompagnati daprecipitazione: non si può quindi direche i risultati costituiscano una solidaconferma dell'ipotesi della convezione.

Di recente sono stati effettuati esperi-menti analoghi con nubi più grandi e inpresenza di precipitazione. In alcuni casila liberazione artificiale di cariche nega-tive ha dato luogo a una distribuzione incui predominavano cariche negative nel-la parte superiore e cariche positive inquella inferiore. Ciò è in accordo con irisultati precedenti e con l'ipotesi dellaconvezione. L'interpretazione dei risul-tati, tuttavia, non è univoca: poiché inquesti casi si ha precipitazione, la caricapositiva in basso potrebbe anche esseredovuta ai fenomeni microfisici già de-scritti di trasferimento di carica tra leparticelle di ghiaccio e i graupel.

Un'altra osservazione riguardante l'i-potesi della convezione è meno ambi-gua: il fatto che la regione principale dicarica negativa si trovi a una quota e auna temperatura più o meno costanti.Nel modello della convezione le correntid'aria trasportano per alcuni chilometriverso il basso le particelle di carica ne-gativa dello strato schermante. Non sicapisce allora perché la carica negativadebba essere concentrata in una regionedello spessore di poche centinaia di me-tri. Come abbiamo detto, la migliorespiegazione di questo fenomeno è forni-ta dall'inversione di carica ed è forse l'ar-gomentazione principale in contrastocon il modello della convezione.

Nel complesso, il modello della preci-pitazione riesce a spiegare meglio l'accu-

mulo di elettricità nelle nubi che nonquello della convezione, ma ignora ne-cessariamente una delle caratteristichepiù vistose dei temporali: la convezione.E presumibile che in futuro gli aspettipiù validi di entrambi i modelli sarannocombinati in un'unica esauriente teoria.

Il fulmine

Una volta che una nube temporalescasi sia caricata fino al punto che l'intensitàdel campo elettrico superi la rigidità die-lettrica locale dell'atmosfera - cioè la ca-pacità dell'atmosfera di mantenere sepa-rate le cariche elettriche - si ha un lampo.In quest'istante l'intensità del campoelettrico è dell'ordine di un milione divolt al metro e in meno di un secondo lascarica del fulmine trasferisce una caricapari a quella di 1020 elettroni e sviluppauna potenza pari a circa 100 milioni dilampadine elettriche. Durante questafrazione di secondo l'energia elettrosta-

tica della carica accumulata è trasforma-ta in energia elettromagnetica (sotto for-ma di lampo visibile e d'interferenza ra-dio), in energia acustica (il tuono) e daultimo in calore.

Quasi tutti i fulmini in natura hannoinizio dentro la nube e formano «alberi»a due rami, uno dei quali invade le re-gioni di carica negativa mentre l'altro in-vade quelle di carica positiva. Nel casodi una scarica che avvenga dalla nube alsuolo, l'estremità negativa dell'alberodiventa una «scarica iniziale» che tra-sporta verso il basso una corrente nega-tiva di poche centinaia di ampere. Quan-do la scarica iniziale è a circa 100 metridal suolo, ha inizio una scarica di ritor-no, che trasporta verso l'alto una corren-te di 10 000 ampere, cioè una carica po-sitiva di 10 000 coulomb al secondo. E lascarica luminosa di ritorno quella chel'occhio avverte: perciò quando si parladi fulmine dalla nube al suolo, si devericordare che il fulmine viaggia, in en-

trambi i sensi, anche decine di volte (siveda l'articolo II tuono di Arthur A. Fewin «Le Scienze» n. 87, novembre 1975).

I primi studi sul fulmine si concentra-rono sui lampi dalla nube al suolo perchéerano i più accessibili all'osservazione vi-siva e fotografica. In realtà i fulmini sonomolto più frequenti ed estesi all'internodelle nubi, dove sono celati alla vista dal-l'opacità della nube. Di recente si è ten-tato di indagare sui fulmini interni allenubi mediante radar, radiogoniometri emicrofoni, concentrandosi soprattuttosui percorsi seguiti dai fulmini e sul lororapporto con la struttura della nube.

I fulmini si osservano sia in zone conprecipitazioni sia in zone che ne sonoprive, dentro le nubi e fuori e i loro per-corsi appaiono spesso caotici: da più par-ti si è anzi sostenuto che essi siano deltutto casuali. In passato, i modelli teoricidei percorsi del fulmine si sono occupatisoprattutto del ruolo del campo elettri-co. In altre parole, si pensava che l'in-

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CORRENTEDI CONDUZIONE

DI WILSONDA 1 AMPERE

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TERRA

CORRENTEDELLA PIOGGIA CORRENTE

DEI FULMINI

Il circuito globale viene caricato dalle «batterie» costituite dai temporali. Fra la Terra, chepossiede una carica negativa, e l'alta atmosfera vi è una differenza di potenziale quasi co-stante pari a 300 000 volt. A livello delle nubi, correnti di circa un ampere che escono dallasommità delle zone temporalesche contribuiscono a mantenere tale differenza di potenziale;ciò comporta che una corrente di analoga grandezza fluisca dal suolo alle regioni inferioridelle nubi. Su grande scala, una corrente di dispersione di circa 2000 ampere, che nelle zo-ne di bel tempo trasferisce cariche positive dall'alta at.nosfera alla Terra. annullerebbe ladifferenza di potenziale di 300 000 volt se non vi fossero i temporali a ricaricare il circui-to. Si ritiene che i temporali tropicali, che trasportano al suolo grandi quantità di carichenegative, siano il principale agente equilibratore della corrente delle zone di bel tempo.

-------IONOSFERA /7\-

CORRENTEDI BEL TEMPO

La simmetria emisferica dell'esplosio-ne consente di costruire semplici modelliteorici e sperimentali della distribuzionedi carica e di studiare l'effetto che essaha sul percorso dei fulmini. Chathan M.Cooke, Kenneth A. Wright e io abbia-mo condotto queste simulazioni pressolo High Voltage Research Laboratorydel Massachusetts Institute of Techno-logy. Si introduce una configurazioneanulare di carica in blocchi di plasticafortemente isolante tali da imprigionarele cariche in maniera coerente con il mo-dello teorico. Il campo elettrico risultan-te è abbastanza forte da innescare scari-che simili a fulmini.

Abbiamo scoperto che il fulmine si in-nesca vicino al punto zero simulato, do-ve il campo elettrico è più intenso; il lam-po poi si sposta verso l'alto attraversan-do la regione di massima carica negativa.Il fulmine ha una forma molto simile aquelle osservate nelle fotografie di e-splosioni sperimentali. Inoltre si posso-no allestire esperimenti con le distribu-zioni di carica previste da altri modelliteorici. Benché alcuni di questi modelliproducano la stessa configurazione delcampo elettrico al suolo, la distribuzionedi carica può essere molto diversa. Inquesto caso i fulmini non hanno formesimili a quelle delle esplosioni nucleari eciò dimostra che è soprattutto la caricache determina il percorso dei fulmini.

tensità e la direzione del campo elettricolocale determinassero il cammino delfulmine. Fino a poco tempo fa si era in-vece trascurato il ruolo della carica elet-trica. Benché sia la carica a generare ilcampo e si possa quindi credere che co-noscere l'una equivalga a conoscere l'al-tro, si deve anche ricordare che un cam-po elettrico può essere generato local-mente da un gran numero di distribuzio-ni di carica diverse. Pertanto la distribu-zione delle cariche elettriche è un'infor-mazione distinta dalla configurazione lo-cale del campo. Un'ulteriore complica-zione sta nel fatto che la distribuzione dicarica e il campo elettrico non sono sta-tici ma dinamici: via via che il fulmine siforma e cresce, il campo ne viene trasfor-mato radicalmente e ciò rende molto piùdifficile la messa a punto di un modello.

Oggi vi sono prove che le due estremi-tà dell'«albero» del fulmine tendono aseguire i cammini corrispondenti allamassima concentrazione di carica. Per

esempio, molte osservazioni rivelanoche i fulmini si trovano soprattutto all'in-terno della regione negativa principale.

La prova più chiara che il percorso delfulmine è determinato dalla distribuzio-ne spaziale di carica è probabilmentefornita dagli studi sull'andamento deifulmini prodotti dalle esplosioni nuclea-ri. Le fotografie eseguite durante le e-splosioni sperimentali di bombe H neglianni cinquanta mostrano che la sfera difuoco è spesso circondata da fulmini. Alcontrario del quadro teorico delle nubitemporalesche, qui il meccanismo fon-damentale della separazione di carica èchiaro. Il flusso radiale dei fotoni di altaenergia emessi dalla sfera di fuoco strap-pa gli elettroni alle molecole d'aria cir-costanti con un processo chiamato diffu-sione Compton. Gli elettroni, che hannocarica negativa, vengono così concentra-ti in un guscio emisferico con centro nelpunto zero, mentre nella sfera di fuocosi forma una regione di carica positiva.

Energia e circuito globale

Si ritiene che l'energia elettrica di untemporale venga liberata in gran partesotto forma di fulmini. Come ho già det-to, un temporale modesto produce pochilampi al minuto e genera una potenzacirca equivalente a quella di una centralenucleare. Basandosi sulle equazioni del-l'elettromagnetismo si può dimostrarefacilmente che la potenza generata cre-sce più o meno come la quinta potenzadella grandezza della nube: se le dimen-sioni di quest'ultima raddoppiano, la po-tenza generata aumenta all'incirca ditrenta volte. Un grande temporale puòprodurre oltre 100 lampi al minuto.

È noto che in natura non si ha mainiente per niente. L'energia elettrica li-berata dai fulmini deriva in ultima analisidal calore che fa espandere il vapore ac-

t• queo, rendendolo meno denso dell'ariacircostante e quindi facendolo sollevare.Innalzandosi, il vapore condensa o con-gela; viene liberato il calore latente e co-mincia a cadere acqua allo stato liquidoo solido. Secondo il modello della preci-pitazione, l'energia potenziale gravita-zionale liberata da queste precipitazioniè l'energia disponibile per caricare dielettricità la nube: la si considera pari alprodotto della forza di gravità agentesulla precipitazione per l'altezza di cadu-ta della precipitazione stessa.

Misurazioni radar della pioggia e deigraupel che precipitano dimostrano chenei temporali modesti l'energia gravita-zionale è in realtà molto più grande del-

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Il 30 agosto 1983, presso il John F. Kennedy Space Center, in Florida, la navetta spazialepronta al lancio venne quasi colpita da un fulmine. Il temporale passò e la navetta fu lan-ciata alle due e 32 del mattino, in perfetto orario rispetto al programma. Ogni giorno nelmondo scoppiano circa 44 000 temporali, con otto milioni di lampi. Nei soli Stati Uniti i ful-mini causano in media ogni anno 150 morti e 20 milioni di dollari di danni materiali e pro-vocano 10 000 incendi boschivi, distruggendo legname per un valore di 30 milioni di dollari.

l'energia elettrica liberata dai fulmini. Intempeste estremamente attive, in cui l'e-nergia elettrica può essere di alcuni or-dini di grandezza più grande, si stima chel'energia gravitazionale e l'energia elet-trica siano circa uguali. Per il principiodella conservazione dell'energia ci si do-vrebbe aspettare quindi che nell'istantedella scarica di un fulmine, quando cioèle forze elettriche subiscono una bruscadiminuzione, la velocità di caduta dellaprecipitazione aumenti notevolmente.Si è tentato di valutare questo fenomenocon il radar a effetto Doppler, che misu-ra la velocità di un oggetto in movimen-

to, ma finora senza esito. L'assenza dibrusche variazioni di velocità non haavuto ancora una spiegazione soddisfa-cente, ma piccole variazioni possono es-sere mascherate dai moti turbolenti deitemporali.

Vi è un ultimo bilancio energetico chedev'essere soddisfatto: quello del circui-to elettrico globale. L'atmosfera terre-stre è un ottimo isolante inserito fra duebuoni conduttori: la superficie terrestresotto e l'alta atmosfera e la ionosfera so-pra. Questi strati sono i componenti pas-sivi del circuito elettrico globale.

Tra la superficie terrestre, che ha ca-

rica negativa, e l'atmosfera, che ha cari-ca positiva, c'è una differenza di poten-ziale costante di circa 300 000 volt. Se-condo un'ipotesi fatta più di settant'annifa da Wilson, e oggi generalmente accet-tata, questo «potenziale ionosferico» di300 000 volt è il risultato della «carica»effettuata dai temporali, che costituisco-no le «batterie» del circuito globale.Correnti elettriche di circa un ampereper temporale fluiscono verso la ionosfe-ra a partire dalla sommità positiva dellenubi temporalesche e ritornano al suolonelle zone di bel tempo dell'atmosfera.

Perché non vi sia un accumulo indefi-nito di cariche nelle nubi, è necessarioche una corrente di un ampere fluiscadalla superficie terrestre alla base dellenubi. Correnti portate dalla pioggia, sca-riche per effetto corona e fulmini contri-buiscono tutti a questo trasferimento dicarica, ma alle latitudini intermedie nonbastano a bilanciare la corrente di ritor-no di bel tempo. Dove avviene la com-pensazione? Ulteriori «batterie» si tro-vano ai tropici, dove temporali di variordini di grandezza più forti di quelli del-le zone temperate producono fulminicon frequenze sufficienti a caricare il cir-cuito globale.

Naturalmente ci si può chiedere per-ché il nostro pianeta abbia carica nega-tiva. L'ipotesi oggi più plausibile è chela carica negativa della Terra derivi dallasua vicinanza al polo negativo della bat-teria costituita dai temporali. Occorrequindi chiedersi perché la base di unanube temporalesca sia prevalentementenegativa: e la risposta a questa domandasembra dipendere, ancora una volta, dalcomportamento microfisico dei cristallidi ghiaccio, che è ancora poco noto.

Nonostante i molti problemi senza ri-sposta, inizia a emergere un quadro uni-ficato del processo di accumulo di elet-tricità nelle nubi. Di questo quadro fan-no parte la separazione di cariche cheavviene su scala atomica, i fulmini cheviaggiano per chilometri e il circuito co-stituito da tutta la Terra.

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