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La formazione dei fulmini nube-terra

Nelle nuvole possono crearsi regioni con accumulazione di carica positiva e altre con accumulazioni di carica negativa. Questo fenomeno è alla base della formazione dei fulmini. Ci sono diverse teorie per spiegare il motivo per cui le regioni di una nuvola temporalesca acquistano carica elettrica (positiva alla sua sommità, negativa alla base).

Riportiamo di seguito due delle teorie più accreditate:



La teoria convettiva
Secondo questa teoria gli ioni liberi presenti nell'atmosfera vengono catturati dalle goccioline d'acqua che assumono la carica e, trasportate dalle correnti convettive, determinano le concentrazioni di carica.

La teoria gravitazionale
All'interno della nuvola le particelle che la risalgono e quelle che la discendono si urtano in continuazione. In questo modo le particelle più grandi strappano alle particelle più piccole una variabile quantità di elettroni.
Si crea così, all'interno della nuvola, una differenza di potenziale in quanto le particelle caricate positivamente risalgono la nuvola, mentre quelle caricate negativamente la discendono.
Una possibile spiegazione di questo fenomeno si può dare considerando le proprietà termoelettriche dell'acqua.
2 atomi di Idrogeno e un atomo di Ossigeno sono fortemente legati fra di loro a formare la molecola d'acqua; le molecole d'acqua sono poi debolmente attratte tra loro; chimicamente alcune di queste molecole si dissociano perdendo un atomo di idrogeno, mentre altre acquistano un atomo di idrogeno. Questo fenomeno è chiamato autoprotolisi dell'acqua, cioè la spontanea formazione di ioni (OH3)+ e (OH)-.
La quantità di ioni (OH3)+ e (OH)- non è casuale ma regolata dalla seguente regola: il prodotto delle due concentrazioni è costante. In chimica l'unità di misura della concentrazione di ioni (OH3)+ è il PH: al diminuire della concentrazione di ioni (OH3)+ cresce il valore del PH.
Alla temperatura di 25 gradi centigradi il PH dell'acqua è uguale 7,00, ma al diminuire della temperatura il valore cresce (Alla temperatura di 0 gradi centigradi il PH è uguale a 7,47).
Spesso all'interno delle nuvole la temperatura scende al di sotto di zero gradi centigradi e le particelle di ghiaccio che si formano hanno un difetto di ioni (OH3)+ maggiore al diminuire della temperatura. Quando delle particelle di ghiaccio calde e fredde entrano in contatto, le particelle più fredde (cristalli di ghiaccio) si caricano di segno più, mentre le più calde (grandine, nevischio) di segno meno.

Entrambe le teorie non spiegano soddisfacentemente il fenomeno. La teoria gravitazionale è la più quotata ma non spiega, ad esempio, i fulmini osservati nelle nuvole con assenza di ghiaccio.
Probabilmente il meccanismo reale si spiega con una combinazione delle due teorie.

Quel che è certo è la distribuzione delle cariche nelle nuvole: è stato dimostrato teoricamente e provato con indagini sperimentali che nella parte più bassa della nuvola si accumulano le cariche negative con un piccolo nucleo nel quale si addensano invece le cariche positive. La zona centrale della nuvola è ancora carica negativamente, mentre la parte superiore è tutta positiva.
Le nuvole che più facilmente danno luogo ai fulmini sono i cumuli ed i cumulo-nembi. Le nuvole generalmente osservabili si estendono dai 500-1000 metri di quota ai 9-10 Km con una base sensibilmente piana occupante un'area dai 5 ai 30 Km quadrati.

Disposizione delle cariche elettriche nella nuvola

 

 

La distribuzione delle cariche così come è stata descritta sopra è la più frequente in base alle indagini statistiche effettuate. Tuttavia non mancano casi con diversa disposizione o addirittura casi con una disposizione delle cariche contraria, cioè con le cariche negative concentrate nella parte più alta. Da accertamenti eseguiti, il numero di questi casi supera di poco il 10% del totale. Le conseguenze pratiche di ciò sono, del resto, assolutamente trascurabili.
Una nuvola si può pertanto considerare come un unico grande generatore di cariche elettrostatiche oppure come un insieme di numerosi generatori più piccoli detti celle.
Da misurazioni effettuate si può affermare che la vita media di una cella generatrice è di circa un'ora, mentre il massimo delle cariche elettrostatiche viene formato in circa 15-20 minuti, tempo entro il quale, se la carica è sufficiente, si manifesta il fulmine.

 



La presenza di cariche negative nella parte inferiore della nuvola induce sul terreno sottostante delle cariche positive. La situazione è analoga ad un condensatore, in cui cariche positive e negative sono separate da uno strato d'aria che rappresenta il dielettrico. Si crea così un campo elettrico con una differenza di potenziale che è la causa principale della formazione della scarica.
Quando la differenza di potenziale è sufficiente, dalla regione della nuvola in cui è maggiore la concentrazione di cariche negative partono una o più cariche con percorsi tortuosi e ramificati; spesso anche da più punti della nuvola possono partire diverse decine di rami. Queste sono dette scariche pilota (scariche leader).
La propagazione avviene dall'alto verso il basso, con scatti ad intervalli di 10-12 microsecondi. La velocità di propagazione durante questi scatti è dell'ordine dei 10.000 Km/s, mentre l'effettiva velocità di propagazione della scarica si mantiene in genere sull'ordine dei 100 Km/s e raramente supera i 300 Km/s.
Questa fase di propagazione delle cariche negative verso il terreno è silenziosa e debolmente luminosa.
Quando le propaggini della scarica si avvicinano al terreno, sul quale intanto si sono indotte forti concentrazioni di cariche positive, da un punto del terreno con concentrazione di carica particolarmente elevata, partono analoghe schiere di cariche positive verso l'alto.
Le cariche positive che salgono e quelle negative che scendono si incontrano ad una quota di circa 15-50 metri dal suolo. A questo punto si genera la scarica vera e propria che è detta scarica di ritorno: un intensissimo flusso di cariche positive dal terreno raggiunge la nuvola lungo il percorso precedentemente preparato dalle scariche pilota che si sono staccate dalla nuvola.
E' questa la fase durante la quale si generano il lampo ed il tuono, che sono la manifestazione ottica ed acustica della enorme quantità di energia che si sprigiona (La velocità media della scarica di ritorno è di 20.000Km/s mentre la corrente può raggiungere valori di centinaia di migliaia di Ampere); ed è in base a questa scarica che vanno dimensionate le protezioni per gli edifici.
Va sottolineato che, benché le cariche negative procedano verso il suolo con diverse ramificazioni, solo una di queste incontra le cariche positive che partono dal terreno e dà luogo alla scarica di ritorno.
Quando la scarica di ritorno raggiunge la nuvola una vasta zona di quest'ultima viene neutralizzata e si generano degli squilibri con conseguenti scariche interne alla nuvola. In breve la nuvola raggiunge di nuovo l'equilibrio, con concentrazione di cariche negative nella sua parte inferiore; ciò può generare un'altra migrazione di cariche negative dalla nuvola verso il terreno che questa volta segue il percorso di gas fortemente ionizzati lasciati precedentemente dalla scarica di ritorno.
Misurazioni effettuate hanno mostrato che circa il 50% dei fulmini hanno almeno due scariche, mentre in alcuni fulmini sono state registrate anche 40 scariche successive.

 

MeteoLand Staff

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