Fulmine - Lightning

Colpi di fulmine nuvola-terra durante un temporale
Video lampo ad alta velocità al rallentatore catturato a 6.200 fotogrammi al secondo

Il fulmine è una scarica elettrostatica naturale durante la quale due regioni caricate elettricamente , entrambe nell'atmosfera o con una a terra, si equalizzano temporaneamente, provocando il rilascio istantaneo di ben un gigajoule di energia . Questa scarica può produrre un'ampia gamma di radiazioni elettromagnetiche , dal calore creato dal rapido movimento degli elettroni , ai brillanti lampi di luce visibile sotto forma di radiazione del corpo nero . Il fulmine provoca il tuono , un suono dell'onda d'urto che si sviluppa quando i gas in prossimità della scarica subiscono un improvviso aumento di pressione. I fulmini si verificano comunemente durante i temporali e altri tipi di sistemi meteorologici energetici , ma i fulmini vulcanici possono verificarsi anche durante le eruzioni vulcaniche.

I tre principali tipi di fulmini si distinguono in base al luogo in cui si verificano: all'interno di una singola nuvola temporalesca , tra due nuvole diverse o tra una nuvola e il suolo. Si riconoscono molte altre varianti osservative, tra cui il " fulmine termico ", che si vede da grande distanza ma non si sente; fulmini secchi , che possono provocare incendi boschivi ; e fulmini globulari , che è raramente osservato scientificamente.

Gli umani hanno divinizzato i fulmini per millenni. Le espressioni idiomatiche derivate dal fulmine, come l'espressione inglese "bolt from the blue", sono comuni in tutte le lingue. La paura del fulmine si chiama astrafobia .

Elettrificazione

(Figura 1) L'area di carica principale in un temporale si verifica nella parte centrale della tempesta, dove l'aria si muove rapidamente verso l'alto (corrente ascensionale) e le temperature variano da -15 a -25 °C (da 5 a -13 °F).

I dettagli del processo di ricarica sono ancora allo studio da parte degli scienziati, ma c'è un accordo generale su alcuni dei concetti di base dell'elettrificazione dei temporali. L'elettrificazione può avvenire per effetto triboelettrico come risultato del trasferimento di ioni tra corpi in collisione. Le gocce d'acqua non caricate che si scontrano possono caricarsi a causa del trasferimento di carica tra di loro (come ioni acquosi) in un campo elettrico come esisterebbe in una nuvola temporalesca. L'area di ricarica principale in un temporale si verifica nella parte centrale della tempesta dove l'aria si muove rapidamente verso l'alto (corrente ascensionale) e le temperature variano da -15 a -25 ° C (da 5 a -13 ° F); vedere la Figura 1. In quell'area, la combinazione della temperatura e del rapido movimento dell'aria verso l'alto produce una miscela di goccioline di nuvole super-raffreddate (piccole gocce d'acqua sotto lo zero), piccoli cristalli di ghiaccio e graupel (grandine soffice). La corrente ascensionale porta verso l'alto le goccioline di nuvole super-raffreddate e i piccolissimi cristalli di ghiaccio. Allo stesso tempo, il graupel, che è notevolmente più grande e più denso, tende a cadere o ad essere sospeso nell'aria che sale.

(Figura 2) Quando i cristalli di ghiaccio in aumento si scontrano con il graupel, i cristalli di ghiaccio si caricano positivamente e il graupel si carica negativamente.

Le differenze nel movimento delle precipitazioni causano collisioni. Quando i cristalli di ghiaccio in aumento si scontrano con il graupel, i cristalli di ghiaccio si caricano positivamente e il graupel si carica negativamente; vedere la Figura 2. La corrente ascensionale porta i cristalli di ghiaccio carichi positivamente verso l'alto verso la parte superiore della nube temporalesca. Il graupel più grande e più denso è sospeso nel mezzo della nuvola temporalesca o cade verso la parte inferiore della tempesta.

La parte superiore della nuvola temporalesca si carica positivamente mentre la parte centrale e inferiore della nuvola temporalesca si carica negativamente.

Il risultato è che la parte superiore della nuvola temporalesca si carica positivamente mentre la parte medio-bassa della nuvola temporalesca si carica negativamente.

I movimenti verso l'alto all'interno della tempesta e i venti a livelli più alti nell'atmosfera tendono a far sì che i piccoli cristalli di ghiaccio (e la carica positiva) nella parte superiore della nube temporalesca si diffondano orizzontalmente a una certa distanza dalla base della nube temporalesca. Questa parte della nuvola temporalesca è chiamata incudine. Sebbene questo sia il principale processo di carica per la nube temporalesca, alcune di queste cariche possono essere ridistribuite dai movimenti dell'aria all'interno della tempesta (ascendenze e correnti discendenti). Inoltre, c'è un piccolo ma importante accumulo di carica positiva vicino al fondo della nube temporalesca a causa delle precipitazioni e delle temperature più calde.

La separazione di carica indotta nell'acqua liquida pura è nota fin dal 1840, così come l'elettrificazione dell'acqua liquida pura per effetto triboelettrico.

William Thomson (Lord Kelvin) ha dimostrato che la separazione di carica nell'acqua avviene nei normali campi elettrici sulla superficie terrestre e ha sviluppato un dispositivo di misurazione del campo elettrico continuo utilizzando tale conoscenza.

La separazione fisica della carica in diverse regioni utilizzando acqua liquida è stata dimostrata da William Thompson (Lord Kelvin) con il contagocce d'acqua Kelvin . Le specie portatrici di carica più probabili sono state considerate lo ione idrogeno acquoso e lo ione idrossido acquoso.

È stata presa in considerazione anche la ricarica elettrica del ghiaccio d'acqua solido. Le specie cariche sono state nuovamente considerate lo ione idrogeno e lo ione idrossido.

Un elettrone non è stabile in acqua liquida rispetto a uno ione idrossido più idrogeno disciolto per le scale temporali coinvolte nei temporali.

Il portatore di carica nei fulmini sono principalmente gli elettroni in un plasma. Il processo per passare dalla carica come ioni (ione idrogeno positivo e ione idrossido negativo) associati all'acqua liquida o all'acqua solida per caricarsi come elettroni associati ai fulmini deve comportare una qualche forma di elettrochimica, cioè l'ossidazione e/o la riduzione di specie chimiche. Poiché l' idrossido funziona come una base e l' anidride carbonica è un gas acido, è possibile che le nuvole di acqua carica in cui la carica negativa è sotto forma di ione idrossido acquoso, interagiscano con l'anidride carbonica atmosferica per formare ioni carbonato acquoso e bicarbonato acquoso ioni.

Considerazioni generali

Video di quattro secondi di un fulmine, Island in the Sky, Canyonlands National Park , Utah , Stati Uniti.

Il tipico lampo nuvola-terra culmina nella formazione di un canale di plasma elettricamente conduttore attraverso l'aria alto più di 5 km (3,1 mi), dall'interno della nuvola alla superficie del suolo. Lo scarico vero e proprio è la fase finale di un processo molto complesso. Al suo apice, un tipico temporale produce tre o più colpi sulla Terra al minuto. I fulmini si verificano principalmente quando l'aria calda viene mescolata con masse d'aria più fredde, provocando i disturbi atmosferici necessari per polarizzare l'atmosfera. Tuttavia, può verificarsi anche durante tempeste di polvere , incendi boschivi , tornado , eruzioni vulcaniche e persino nel freddo dell'inverno, dove il fulmine è noto come tuono . Gli uragani in genere generano alcuni fulmini, principalmente nelle fasce di pioggia fino a 160 km (99 mi) dal centro.

Distribuzione e frequenza

Mappa mondiale che mostra la frequenza dei fulmini, in lampi per km² all'anno (proiezione di area uguale), dai dati combinati del 1995-2003 del rivelatore ottico di transitori e dei dati 1998-2003 del sensore di immagini dei fulmini.

I fulmini non sono distribuiti uniformemente intorno alla Terra, come mostrato nella mappa.

Sulla Terra, la frequenza dei fulmini è di circa 44 (± 5) volte al secondo, ovvero quasi 1,4 miliardi di lampi all'anno e la durata media è di 0,2 secondi costituita da un numero di lampi (corse) molto più brevi di circa 60-70 microsecondi .

Molti fattori influenzano la frequenza, la distribuzione, la forza e le proprietà fisiche di un tipico lampo in una particolare regione del mondo. Questi fattori includono l'altezza del suolo, la latitudine , le correnti di vento prevalenti , l'umidità relativa e la vicinanza a corpi idrici caldi e freddi. In una certa misura, anche le proporzioni dei fulmini intra-nuvola, nuvola-nuvola e nuvola-terra possono variare a seconda della stagione alle medie latitudini .

Poiché gli esseri umani sono terrestri e la maggior parte dei loro beni sono sulla Terra, dove i fulmini possono danneggiarli o distruggerli, il fulmine nuvola-terra (CG) è il più studiato e meglio compreso dei tre tipi, anche se in-cloud (IC ) e cloud-to-cloud (CC) sono i tipi più comuni di fulmini. La relativa imprevedibilità del fulmine limita una spiegazione completa di come o perché si verifica, anche dopo centinaia di anni di ricerche scientifiche. Circa il 70% dei fulmini si verifica sulla terraferma ai tropici, dove la convezione atmosferica è maggiore.

Ciò si verifica sia dalla miscela di masse d'aria più calde e più fredde , sia dalle differenze nelle concentrazioni di umidità, e generalmente avviene ai confini tra di esse . Il flusso di correnti oceaniche calde oltre masse di terra più aride, come la Corrente del Golfo , spiega in parte l'elevata frequenza dei fulmini nel sud - est degli Stati Uniti . Poiché i grandi corpi d'acqua mancano della variazione topografica che comporterebbe la miscelazione atmosferica, i fulmini sono notevolmente meno frequenti sugli oceani del mondo che sulla terraferma. I poli nord e sud sono limitati nella loro copertura dei temporali e quindi si traducono in aree con la minor quantità di fulmini.

In generale, i lampi CG rappresentano solo il 25% di tutti i lampi totali in tutto il mondo. Poiché la base di un temporale è solitamente caricata negativamente, è qui che ha origine la maggior parte dei fulmini CG. Questa regione si trova in genere all'elevazione in cui si verifica il congelamento all'interno della nuvola. Il congelamento, combinato con le collisioni tra ghiaccio e acqua, sembra essere una parte critica dello sviluppo iniziale della carica e del processo di separazione. Durante le collisioni provocate dal vento, i cristalli di ghiaccio tendono a sviluppare una carica positiva, mentre una miscela più pesante e fangosa di ghiaccio e acqua (chiamata graupel ) sviluppa una carica negativa. Le correnti ascensionali all'interno di una nuvola temporalesca separano i cristalli di ghiaccio più leggeri dal graupel più pesante, facendo sì che la regione superiore della nuvola accumuli una carica spaziale positiva mentre il livello inferiore accumula una carica spaziale negativa.

Fulmine a Belfort , Francia

Poiché la carica concentrata all'interno della nube deve superare le proprietà isolanti dell'aria, e questa aumenta proporzionalmente alla distanza tra la nube e il suolo, la proporzione di colpi di CG (rispetto alle scariche di CC o IC) diventa maggiore quando la nube è più vicina al terreno. Ai tropici, dove il livello di congelamento è generalmente più alto nell'atmosfera, solo il 10% dei fulmini è CG. Alla latitudine della Norvegia (circa 60° di latitudine nord), dove l'altitudine di congelamento è inferiore, il 50% dei fulmini è CG.

Il fulmine è solitamente prodotto da cumulonembi , che hanno basi che sono tipicamente 1-2 km (0,62-1,24 mi) dal suolo e cime fino a 15 km (9,3 mi) di altezza.

Il luogo sulla Terra in cui si verificano più spesso i fulmini è vicino al piccolo villaggio di Kifuka nelle montagne della Repubblica Democratica del Congo orientale , dove l' altitudine è di circa 975 m (3.200 piedi). In media, questa regione riceve 158 fulmini per chilometro quadrato all'anno (410/miglia quadrati/anno). Il lago Maracaibo in Venezuela ha una media di 297 giorni all'anno con attività di fulmini, un effetto riconosciuto come fulmine Catatumbo . Altri punti caldi di fulmini includono Singapore e Lightning Alley nella Florida centrale .

Condizioni necessarie

Suono di un temporale

Affinché si verifichi una scarica elettrostatica , sono necessarie due precondizioni: in primo luogo, deve esistere una differenza di potenziale sufficientemente elevata tra due regioni dello spazio e, in secondo luogo, un mezzo ad alta resistenza deve ostacolare l'equalizzazione libera e senza impedimenti delle cariche opposte. L'atmosfera fornisce l'isolamento elettrico, o barriera, che impedisce l'equalizzazione libera tra regioni cariche di polarità opposta.

È ben noto che durante un temporale vi è separazione e aggregazione di carica in alcune regioni della nube; tuttavia, i processi esatti con cui ciò si verifica non sono completamente compresi.

Generazione di campi elettrici

Vista di un fulmine da un aereo che vola sopra un sistema.

Quando una nuvola temporalesca si muove sulla superficie della Terra, una carica elettrica uguale , ma di polarità opposta, viene indotta sulla superficie terrestre al di sotto della nuvola. Questo è noto come carica di immagine . La carica superficiale positiva indotta, misurata rispetto a un punto fisso, sarà piccola con l'avvicinarsi della nuvola temporalesca, aumentando all'arrivo del centro della tempesta e calando al passaggio della nuvola temporalesca. Il valore di riferimento della carica superficiale indotta potrebbe essere approssimativamente rappresentato come una curva a campana.

Le regioni di carica opposta creano un campo elettrico nell'aria tra di loro. Questo campo elettrico varia in relazione alla forza della carica superficiale alla base della nuvola temporalesca: maggiore è la carica accumulata, maggiore è il campo elettrico.

Lampeggia e colpisce

Alcune strutture prominenti spesso attirano frequenti fulmini. La CN Tower di Toronto viene colpita molte volte ogni estate.

La forma di fulmine più studiata e compresa è il fulmine nuvola-terra (CG). Sebbene siano più comuni, i flash intra-cloud (IC) e cloud-to-cloud (CC) sono molto difficili da studiare dato che non ci sono punti "fisici" da monitorare all'interno delle nuvole. Inoltre, data la bassissima probabilità che un fulmine colpisca ripetutamente e costantemente lo stesso punto, l'indagine scientifica è difficile anche in aree ad alta frequenza CG.

Un fulmine da nuvola a terra nel deserto del Mojave , California
Un lampo tra le nuvole. Un lampo all'interno della nuvola illumina l'intera nuvola.

Leader fulminei

Un leader discendente viaggia verso la terra, ramificandosi mentre va.
Colpo di fulmine causato dalla connessione di due leader, positivo mostrato in blu e negativo in rosso

In un processo non ben compreso, un canale bidirezionale di aria ionizzata , chiamato " leader ", viene avviato tra regioni di carica opposta in una nuvola temporalesca. I leader sono canali elettricamente conduttivi di gas ionizzato che si propagano attraverso, o sono altrimenti attratti da, regioni con una carica opposta a quella della punta del leader. L'estremità negativa del leader bidirezionale riempie una regione di carica positiva, chiamata anche pozzo, all'interno della nuvola, mentre l'estremità positiva riempie un pozzo di carica negativa. I capi spesso si dividono, formando rami in uno schema simile ad un albero. Inoltre, i leader negativi e alcuni positivi viaggiano in modo discontinuo, in un processo chiamato "stepping". Il movimento a scatti risultante dei capi può essere facilmente osservato nei video al rallentatore dei lampi.

È possibile che un'estremità del leader riempia interamente il pozzo caricato in modo opposto mentre l'altra estremità è ancora attiva. Quando ciò accade, l'estremità principale che ha riempito il pozzo può propagarsi al di fuori della nuvola temporalesca e provocare un lampo nuvola-aria o un lampo nuvola-terra. In un tipico lampo nuvola-terra, un leader bidirezionale inizia tra le principali regioni di carica negativa e inferiore positiva in una nuvola temporalesca. La regione di carica positiva più debole viene riempita rapidamente dal leader negativo che si propaga poi verso la massa caricata induttivamente.

I leader caricati positivamente e negativamente procedono in direzioni opposte, positive verso l'alto all'interno della nuvola e negative verso la terra. Entrambi i canali ionici procedono, nelle rispettive direzioni, in una serie di scatti successivi. Ogni leader "raggruppa" ioni nelle punte principali, sparando a uno o più nuovi leader, raggruppando momentaneamente di nuovo per concentrare gli ioni caricati, quindi sparando a un altro leader. Il leader negativo continua a propagarsi ea dividersi mentre si dirige verso il basso, spesso accelerando man mano che si avvicina alla superficie terrestre.

Circa il 90% delle lunghezze dei canali ionici tra "pozzetti" è di circa 45 m (148 piedi) di lunghezza. L'instaurazione del canale ionico richiede un tempo relativamente lungo (centinaia di millisecondi ) rispetto alla scarica risultante, che avviene entro poche decine di microsecondi. La corrente elettrica necessaria per stabilire il canale, misurata nelle decine o centinaia di ampere , viene sminuita dalle correnti successive durante la scarica vera e propria.

L'iniziazione del leader del fulmine non è ben compresa. L'intensità del campo elettrico all'interno della nuvola temporalesca non è in genere abbastanza grande per avviare questo processo da sola. Molte ipotesi sono state proposte. Un'ipotesi postula che gli sciami di elettroni relativistici siano creati dai raggi cosmici e siano poi accelerati a velocità più elevate attraverso un processo chiamato rottura incontrollata . Quando questi elettroni relativistici si scontrano e ionizzano molecole d'aria neutre, iniziano la formazione del leader. Un'altra ipotesi riguarda la formazione di campi elettrici localmente potenziati vicino a goccioline d'acqua allungate o cristalli di ghiaccio. La teoria della percolazione , in particolare per il caso della percolazione distorta, descrive fenomeni di connettività casuale, che producono un'evoluzione delle strutture connesse simile a quella dei fulmini.

Stelle filanti verso l'alto

Quando un leader a gradini si avvicina al suolo, la presenza di cariche opposte al suolo aumenta la forza del campo elettrico . Il campo elettrico è più forte sugli oggetti a terra le cui sommità sono più vicine alla base della nuvola temporalesca, come alberi ed edifici alti. Se il campo elettrico è abbastanza forte, da questi punti può svilupparsi un canale ionico caricato positivamente, chiamato streamer positivo o ascendente . Questo è stato teorizzato per la prima volta da Heinz Kasemir.

Man mano che i leader caricati negativamente si avvicinano, aumentando l'intensità del campo elettrico localizzato, gli oggetti messi a terra che già subiscono la scarica corona superano una soglia e formano stelle filanti verso l'alto.

allegato

Una volta che un leader discendente si connette a un leader disponibile ascendente, si forma un processo chiamato attaccamento, un percorso a bassa resistenza e può verificarsi una scarica. Sono state scattate fotografie in cui sono chiaramente visibili stelle filanti staccate. I leader discendenti non attaccati sono visibili anche nei fulmini ramificati, nessuno dei quali è collegato alla terra, anche se può sembrare che lo siano. I video ad alta velocità possono mostrare il processo di allegato in corso.

Scarico

Corsa di ritorno

Fotografia ad alta velocità che mostra diverse parti di un lampo durante il processo di scarica come si vede a Tolosa , Francia.

Una volta che un canale conduttivo colma il traferro tra l'eccesso di carica negativa nella nuvola e l'eccesso di carica superficiale positiva sottostante, si verifica un grande calo di resistenza attraverso il canale del fulmine. Di conseguenza, gli elettroni accelerano rapidamente in una zona che inizia nel punto di attacco, che si espande attraverso l'intera rete leader fino a un terzo della velocità della luce. Questo è il "colpo di ritorno" ed è la parte più luminosa e evidente della scarica del fulmine.

Una grande carica elettrica scorre lungo il canale del plasma, dalla nuvola al suolo, neutralizzando la carica positiva del suolo mentre gli elettroni si allontanano dal punto di impatto verso l'area circostante. Questo enorme aumento di corrente crea grandi differenze di tensione radiale lungo la superficie del terreno. Chiamati potenziali di passo, sono responsabili di più lesioni e morti in gruppi di persone o di altri animali rispetto allo sciopero stesso. L'elettricità prende ogni strada a sua disposizione. Tali potenziali di passo spesso fluiranno attraverso una gamba e fuori dall'altra, fulminando uno sfortunato essere umano o animale in piedi vicino al punto in cui il fulmine colpisce.

La corrente elettrica della corsa di ritorno è in media di 30 kiloampere per un tipico lampo CG negativo, spesso indicato come fulmine "CG negativo". In alcuni casi, un lampo da terra a nuvola (GC) può provenire da una regione carica positivamente sul terreno al di sotto di una tempesta. Queste scariche normalmente originano dalla sommità di strutture molto alte, come le antenne di comunicazione. La velocità con cui viaggia la corrente di ritorno è risultata essere di circa 100.000 km/s (un terzo della velocità della luce).

Il massiccio flusso di corrente elettrica che si verifica durante la corsa di ritorno combinato con la velocità con cui si verifica (misurata in microsecondi) surriscalda rapidamente il canale leader completato, formando un canale plasma altamente conduttivo. La temperatura interna del plasma durante la corsa di ritorno può superare i 50.000 K, facendolo irradiare con un brillante colore blu-bianco. Una volta che la corrente elettrica smette di fluire, il canale si raffredda e si dissipa in decine o centinaia di millisecondi, spesso scomparendo come chiazze frammentate di gas incandescente. Il riscaldamento quasi istantaneo durante la corsa di ritorno fa sì che l'aria si espanda in modo esplosivo, producendo una potente onda d'urto che si sente come un tuono .

Riattaccare

I video ad alta velocità (esaminati fotogramma per fotogramma) mostrano che la maggior parte dei fulmini negativi in ​​CG sono costituiti da 3 o 4 tratti singoli, sebbene possano essercene fino a 30.

Ogni riaccensione è separata da una quantità di tempo relativamente grande, tipicamente da 40 a 50 millisecondi, poiché altre regioni cariche nella nuvola vengono scaricate in colpi successivi. I re-colpi spesso causano un notevole effetto " luce stroboscopica ".

Per capire perché più colpi di ritorno utilizzano lo stesso canale del fulmine, è necessario comprendere il comportamento dei leader positivi, che un tipico lampo a terra diventa effettivamente in seguito alla connessione del leader negativo con il suolo. I leader positivi decadono più rapidamente dei leader negativi. Per ragioni non ben comprese, i leader bidirezionali tendono a iniziare sulle punte dei leader positivi decaduti in cui l'estremità negativa tenta di re-ionizzare la rete di leader. Questi capi, chiamati anche capi di rinculo , di solito decadono poco dopo la loro formazione. Quando riescono a entrare in contatto con una porzione conduttiva della rete del leader principale, si verifica un processo simile a un colpo di ritorno e un leader di freccette percorre tutta o una parte della lunghezza del leader originale. I leader delle freccette che creano connessioni con il terreno sono ciò che causa la maggior parte dei successivi colpi di ritorno.

Ogni colpo successivo è preceduto da colpi intermedi del dardo principale che hanno un tempo di salita più rapido ma un'ampiezza inferiore rispetto al colpo di ritorno iniziale. Ogni corsa successiva riutilizza solitamente il canale di scarico preso dal precedente, ma il canale può essere sfalsato dalla sua posizione precedente poiché il vento sposta il canale caldo.

Poiché i processi di rinculo e dardo non si verificano su guide negative, i successivi colpi di ritorno utilizzano molto raramente lo stesso canale su lampi di terra positivi che sono spiegati più avanti nell'articolo.

Correnti transitorie durante il flash

La corrente elettrica all'interno di una tipica scarica di fulmine CG negativa sale molto rapidamente al suo valore di picco in 1-10 microsecondi, quindi decade più lentamente in 50-200 microsecondi. La natura transitoria della corrente all'interno di un fulmine provoca diversi fenomeni che devono essere affrontati nell'efficace protezione delle strutture a terra. Le correnti che cambiano rapidamente tendono a viaggiare sulla superficie di un conduttore, in quello che viene chiamato effetto pelle , a differenza delle correnti continue, che "attraversano" l'intero conduttore come l'acqua attraverso un tubo. Quindi, i conduttori utilizzati nella protezione delle strutture tendono ad essere multi-trefoli, con piccoli fili intrecciati insieme. Ciò aumenta la superficie totale del fascio in proporzione inversa al raggio del singolo trefolo, per un'area della sezione trasversale totale fissa .

Le correnti che cambiano rapidamente creano anche impulsi elettromagnetici (EMP) che si irradiano verso l'esterno dal canale ionico. Questa è una caratteristica di tutte le scariche elettriche. Gli impulsi irradiati si indeboliscono rapidamente all'aumentare della loro distanza dall'origine. Tuttavia, se passano sopra elementi conduttivi come linee elettriche, linee di comunicazione o tubi metallici, possono indurre una corrente che viaggia verso l'esterno fino alla sua terminazione. La corrente di picco è inversamente proporzionale all'impedenza di picco: maggiore è l'impedenza, minore è la corrente. Questa è l' ondata che, il più delle volte, provoca la distruzione di delicati componenti elettronici , elettrodomestici o motori elettrici . I dispositivi noti come protettori di sovratensione (SPD) o soppressori di sovratensioni transitorie (TVSS) collegati in parallelo a queste linee possono rilevare la corrente irregolare transitoria del fulmine e, attraverso l'alterazione delle sue proprietà fisiche, indirizzare il picco a una messa a terra collegata , quindi proteggere l'apparecchiatura da eventuali danni.

tipi

Tre tipi principali di fulmini sono definiti dai punti di "inizio" e "fine" di un canale flash.

  • Intra-cloud (IC) o fulmini all'interno di una nuvola si verifica all'interno di una singola unità temporalesca.
  • Il fulmine da nuvola a nuvola (CC) o inter-nuvola inizia e finisce tra due diverse unità di nuvole temporalesche "funzionali".
  • Il fulmine nuvola-terra (CG) ha origine principalmente nella nuvola temporalesca e termina su una superficie terrestre, ma può anche verificarsi nella direzione inversa, cioè terra-nuvola.

Ci sono variazioni di ogni tipo, come flash CG "positivi" contro "negativi", che hanno caratteristiche fisiche diverse comuni a ciascuno che possono essere misurate. Diversi nomi comuni utilizzati per descrivere un particolare evento di fulmine possono essere attribuiti allo stesso oa eventi diversi.

Da nuvola a terra (CG)

Fulmine nuvola-terra

Il fulmine nuvola-terra (CG) è una scarica di fulmini tra una nuvola temporalesca e il suolo. È iniziato da un leader a gradini che scende dalla nuvola, che viene accolto da uno streamer che si alza da terra.

CG è il meno comune, ma meglio compreso di tutti i tipi di fulmini. È più facile da studiare scientificamente perché termina su un oggetto fisico, cioè la Terra, e si presta ad essere misurato da strumenti a terra. Dei tre tipi principali di fulmini, rappresenta la più grande minaccia per la vita e le proprietà poiché termina o "colpisce" la Terra.

La scarica complessiva chiamata flash, è composta da una serie di processi come la ripartizione preliminare, i leader a gradini, i leader di collegamento, i colpi di ritorno, i leader di dardo e i successivi colpi di ritorno. La conduttività del terreno, sia esso terreno, acqua dolce o acqua salata, può influenzare la velocità di scarica dei fulmini e quindi le caratteristiche visibili.

Fulmine positivo e negativo

Il fulmine nuvola-terra (CG) è positivo o negativo, come definito dalla direzione della corrente elettrica convenzionale tra nuvola e terra. La maggior parte dei fulmini CG è negativa, il che significa che una carica negativa viene trasferita a terra e gli elettroni viaggiano verso il basso lungo il canale del fulmine (convenzionalmente la corrente scorre dalla terra alla nuvola). Il contrario avviene in un flash CG positivo, dove gli elettroni viaggiano verso l'alto lungo il canale del fulmine e una carica positiva viene trasferita a terra (convenzionalmente la corrente scorre dalla nuvola al suolo). I fulmini positivi sono meno comuni dei fulmini negativi e in media costituiscono meno del 5% di tutti i fulmini.

Un fulmine dal fulmine blu che sembra iniziare dal cielo limpido, ma turbolento sopra la nuvola dell'incudine e guida un fulmine di plasma attraverso la nuvola direttamente a terra. Sono comunemente indicati come lampi positivi, nonostante il fatto che di solito siano di polarità negativa.

Ci sono sei diversi meccanismi teorizzati per provocare la formazione di fulmini positivi.

  • Wind shear verticale che sposta la regione di carica positiva superiore di una nuvola temporalesca, esponendola al suolo sottostante.
  • La perdita di regioni di carica inferiore nella fase di dissipazione di un temporale, lasciando la regione di carica positiva primaria.
  • Una complessa disposizione di regioni di carica in una nuvola temporalesca, che risulta effettivamente in un dipolo invertito o in un tripolo invertito in cui la principale regione di carica negativa è al di sopra della principale regione di carica positiva invece che al di sotto di essa.
  • Una regione di carica positiva inferiore insolitamente grande nella nuvola temporalesca.
  • Taglio di un leader negativo esteso dalla sua origine che crea un nuovo leader bidirezionale in cui l'estremità positiva colpisce il terreno, comunemente vista nei flash del ragno cingolato dell'incudine.
  • L'inizio di un ramo positivo verso il basso da un lampo IC.

Contrariamente alla credenza popolare, i fulmini positivi non provengono necessariamente dall'incudine o dalla regione di carica positiva superiore e colpiscono un'area priva di pioggia al di fuori del temporale. Questa convinzione si basa sull'idea obsoleta che i leader dei fulmini siano unipolari e provengano dalla rispettiva regione di carica.

I fulmini positivi tendono ad essere molto più intensi delle loro controparti negative. Un fulmine medio negativo trasporta una corrente elettrica di 30.000 ampere (30 kA) e trasferisce 15 coulomb di carica elettrica e 1 gigajoule di energia . Grandi fulmini positivi possono trasportare fino a 120 kA e 350 C. Il fulmine positivo medio ha circa il doppio della corrente di picco di un tipico fulmine negativo e può produrre correnti di picco fino a 400 kA e cariche di diverse centinaia di coulomb. Inoltre, i lampi di terra positivi con correnti di picco elevate sono comunemente seguiti da lunghe correnti continue, una correlazione non osservata nei lampi di terra negativi.

A causa della loro maggiore potenza, i fulmini positivi sono considerevolmente più pericolosi dei fulmini negativi. I fulmini positivi producono sia correnti di picco più elevate che correnti continue più lunghe, rendendole in grado di riscaldare le superfici a livelli molto più elevati, il che aumenta la probabilità che si accenda un incendio. Le lunghe distanze che i fulmini positivi possono propagarsi nell'aria pulita spiegano perché sono conosciuti come "fulmini dal blu", senza avvertire gli osservatori.

Nonostante l'idea sbagliata popolare che si tratti di fulmini positivi dovuti a loro apparentemente provenienti dalla regione di carica positiva, le osservazioni hanno dimostrato che si tratta in realtà di lampi negativi. Iniziano quando l'IC lampeggia all'interno della nuvola, il leader negativo quindi esce dalla nuvola dalla regione di carica positiva prima di propagarsi nell'aria limpida e colpire il terreno a una certa distanza.

È stato anche dimostrato che i fulmini positivi innescano il verificarsi di fulmini verso l'alto dalle cime di strutture alte ed è in gran parte responsabile dell'avvio di sprite a diverse decine di chilometri dal livello del suolo. I fulmini positivi tendono a verificarsi più frequentemente nei temporali invernali , come con la neve , durante i tornado intensi e nella fase di dissipazione di un temporale . Vengono generate anche enormi quantità di onde radio a frequenza estremamente bassa (ELF) e a frequenza molto bassa (VLF) .

Cloud to cloud (CC) e intra-cloud (IC)

Possono verificarsi scariche di fulmini tra le aree di nubi senza contatto con il suolo. Quando si verifica tra due nuvole separate, è noto come cloud-to-cloud (CC) o fulmine tra nuvole ; quando si verifica tra aree di diverso potenziale elettrico all'interno di una singola nuvola, è noto come fulmine intra-nube (IC). I fulmini IC sono il tipo più frequente.

I fulmini IC si verificano più comunemente tra la parte superiore dell'incudine e il tratto inferiore di un determinato temporale. Questo fulmine può a volte essere osservato a grandi distanze di notte come il cosiddetto " fulmine di lamiera ". In tali casi, l'osservatore può vedere solo un lampo di luce senza sentire alcun tuono.

Un altro termine usato per il fulmine nuvola-nube o nuvola-nuvola-terra è "Anvil Crawler", a causa dell'abitudine di carica, che in genere ha origine sotto o all'interno dell'incudine e si arrampica attraverso gli strati di nubi superiori di un temporale, generando spesso un drammatico ramo multiplo colpi. Questi sono di solito visti quando un temporale passa sopra l'osservatore o inizia a decadere. Il comportamento più vivido del crawler si verifica in temporali ben sviluppati che presentano un'estesa cesoiatura dell'incudine posteriore.

Variazioni osservative

Anvil Crawler sul lago Wright Patman a sud di Redwater, Texas, sul retro di una vasta area di pioggia associata a un fronte freddo
  • Il fulmine cingolato dell'incudine , a volte chiamato fulmine a ragno, viene creato quando i leader si propagano attraverso regioni di carica estese orizzontalmente in temporali maturi, di solito le regioni stratiformi dei sistemi convettivi su mesoscala. Questi scarichi di solito iniziano come scarichi IC originati all'interno della regione convettiva; l'estremità leader negativa si propaga quindi bene nelle suddette regioni di carica nell'area stratiforme. Se il leader diventa troppo lungo, può separarsi in più leader bidirezionali. Quando ciò accade, l'estremità positiva del leader separato può colpire il suolo come un lampo positivo in CG o strisciare sul lato inferiore della nuvola, creando uno spettacolo spettacolare di fulmini che strisciano nel cielo. I lampi di terra prodotti in questo modo tendono a trasferire elevate quantità di carica e questo può innescare lampi verso l'alto e fulmini nell'atmosfera superiore.
  • Il fulmine globulare può essere unfenomeno elettrico atmosferico , la cui natura fisica è ancora controversa . Il termine si riferisce a segnalazioni dioggetti luminosi , solitamente sferici , che variano dalle dimensioni di un pisello a diversi metri di diametro. A volte è associato ai temporali , ma a differenza dei lampi, che durano solo una frazione di secondo, i fulmini globulari durano molti secondi. Il fulmine globulare è stato descritto da testimoni oculari ma raramente registrato dai meteorologi . I dati scientifici sul fulmine globulare naturale sono scarsi a causa della sua infrequenza e imprevedibilità. La presunzione della sua esistenza si basa su avvistamenti pubblici segnalati e ha quindi prodotto risultati alquanto incoerenti. Brett Porter, un ranger della fauna selvatica, ha riferito di aver scattato una foto nel Queensland, in Australia, nel 1987.

  • Il fulmine a perline , noto anche con i termini fulmine a perla, fulmine a catena, perlschnurblitz ed éclair en Chapelet, per citarne alcuni è lo stadio di decadimento di un canale di fulmini in cui la luminosità del canale si scompone in segmenti. Quasi tutte le scariche di fulmine mostreranno una formazione di perline mentre il canale si raffredda immediatamente dopo un colpo di ritorno, a volte indicato come fase di "perlatura" del fulmine. 'Bead lightning' è più propriamente uno stadio di una normale scarica di fulmini piuttosto che un tipo di fulmine in sé. Il cordone di un canale di fulmini è solitamente una caratteristica su piccola scala e quindi è spesso evidente solo quando l'osservatore/fotocamera è vicino al fulmine.
Gigantesco jet visto dalla vetta del Mauna Kea , Hawaii.
  • Il fulmine in aria limpida descrive un fulmine che si verifica senza una nuvola apparente abbastanza vicina da averlo prodotto. Nelle Montagne Rocciose degli Stati Uniti e del Canada , un temporale può essere in una valle adiacente e non osservabile dalla valle in cui il fulmine colpisce, visivamente o udibilmente. Le aree montuose europee e asiatiche sperimentano eventi simili. Anche in aree come suoni , grandi laghi o pianure aperte, quando la cella temporalesca è all'orizzonte vicino (entro 26 km o 16 mi) potrebbe esserci qualche attività distante, può verificarsi uno sciopero e poiché la tempesta è così lontana, lo sciopero è indicato come un fulmine a ciel sereno . Questi lampi di solito iniziano come normali lampi IC prima che il leader negativo esca dalla nuvola e colpisca il suolo a una distanza considerevole. Colpi di aria pulita positivi possono verificarsi in ambienti altamente tranciati in cui la regione di carica positiva superiore viene spostata orizzontalmente dall'area di precipitazione.
  • Il fulmine nuvola-aria è un lampo in cui un'estremità di un leader bidirezionale esce dalla nuvola, ma non provoca un lampo a terra. Tali lampi possono a volte essere pensati come lampi di terra falliti. I getti blu e i getti giganteschi sono una forma di fulmine nuvola-aria o nuvola-ionosfera in cui un leader viene lanciato dall'alto di un temporale.
  • Il flash della corona è un lampo accompagnato dall'illuminazione della corona della testa di tuono seguita dall'emanazione di stelle filanti simili a un'aurora nell'atmosfera limpida.
  • I fulmini secchi vengono utilizzati in Australia, Canada e Stati Uniti per i fulmini che si verificano senza precipitazioni in superficie. Questo tipo di fulmine è la causa naturale più comune di incendi boschivi . I pirocumuli producono fulmini per la stessa ragione per cui sono prodotti dai cumulonembi.

  • Il fulmine biforcuto è un fulmine nuvola-terra che mostra una ramificazione del suo percorso.
  • Il fulmine termico è un lampo che sembra non produrre tuoni riconoscibiliperché si verifica troppo lontano perché il tuono possa essere ascoltato. Le onde sonore si dissipano prima di raggiungere l'osservatore.

  • I fulmini a nastro si verificano nei temporali con forti venti trasversali e più colpi di ritorno. Il vento soffierà leggermente ogni colpo di ritorno successivo su un lato del precedente colpo di ritorno, causando un effetto nastro.

  • Il fulmine a razzo è una forma di scarica di nuvole, generalmente orizzontale e alla base della nuvola, con un canale luminoso che sembra avanzare nell'aria con velocità visivamente risolvibile, spesso in modo intermittente.

  • Il fulmine a foglio è un fulmine da nuvola a nuvola che mostra un diffuso schiarimento della superficie di una nuvola, causato dal fatto che il percorso di scarica effettivo è nascosto o troppo lontano. Il fulmine stesso non può essere visto dallo spettatore, quindi appare solo come un lampo, o uno strato di luce. Il fulmine potrebbe essere troppo lontano per distinguere i singoli lampi.

  • Il fulmine a canale liscio è un termine informale che si riferisce a un tipo di fulmine nuvola-terra che non ha ramificazioni visibili e appare come una linea con curve lisce rispetto all'aspetto frastagliato della maggior parte dei canali di fulmine. Sono una forma di fulmine positivo generalmente osservata all'interno o vicino alle regioni convettive di forti temporali negli Stati Uniti centro-settentrionali. Si teorizza che i forti temporali in questa regione ottengano una struttura di carica a "tripolo invertito" in cui la principale regione di carica positiva si trova al di sotto della principale regione di carica negativa invece che al di sopra di essa, e di conseguenza questi temporali generano prevalentemente nuvole positive-to- fulmine a terra. Il termine "fulmine a canale liscio" è talvolta attribuito anche a lampi verso l'alto da terra a nuvola, che sono generalmente lampi negativi avviati da leader positivi verso l'alto da strutture alte.

  • Il fulmine staccato è un fulmine nuvola-terra (CG) che è un colpo di breve durata che (spesso ma non sempre) appare come un singolo lampo molto luminoso e spesso ha una ramificazione considerevole. Questi si trovano spesso nell'area della volta visiva vicino al mesociclone dei temporali rotanti e coincidono con l'intensificazione delle correnti ascensionali dei temporali . Un simile sciopero da nuvola a nuvola costituito da un breve lampo su una piccola area, che appare come un blip, si verifica anche in un'area simile di correnti ascensionali rotanti.
Questo CG era di durata molto breve, mostrava canali altamente ramificati ed era molto luminoso, indicando che si trattava di un fulmine staccato vicino a New Boston, in Texas.

  • I superbolt sono piuttosto genericamente definiti come colpi con un'energia della sorgente superiore a 100 gigajoule [100 GJ] (la maggior parte dei fulmini arriva a circa 1 gigajoule [1 GJ]). Eventi di questa portata si verificano con la stessa frequenza di uno su 240 scioperi. Non sono categoricamente distinti dai normali fulmini e rappresentano semplicemente il bordo più alto di un continuum. Contrariamente all'idea sbagliata popolare, i superbolt possono essere caricati positivamente o negativamente e il rapporto di carica è paragonabile a quello dei fulmini "ordinari".

  • Il fulmine simpatico è la tendenza dei fulmini ad essere coordinati in modo lasco su lunghe distanze. Gli scarichi possono apparire in gruppi se visti dallo spazio.
  • Il fulmine verso l'alto o il fulmine terra-nuvola è un lampo che ha origine dalla parte superiore di un oggetto messo a terra e si propaga verso l'alto da questo punto. Questo tipo di fulmine può essere attivato da un lampo precedente o può avviarsi da solo. Il primo si trova generalmente nelle regioni in cui si verifica il fulmine del ragno e può coinvolgere più oggetti a terra contemporaneamente. Quest'ultimo di solito si verifica durante la stagione fredda e può essere il tipo di fulmine dominante negli eventi di neve temporalesca.

Effetti

Fulmine

Effetti sugli oggetti

La pressione esplosiva del vapore tra il tronco e la corteccia causata da un fulmine ha spazzato via la corteccia di betulla

Gli oggetti colpiti da un fulmine sperimentano calore e forze magnetiche di grande magnitudo. Il calore creato dalle correnti di fulmine che viaggiano attraverso un albero può vaporizzare la sua linfa, provocando un'esplosione di vapore che fa esplodere il tronco. Quando i fulmini attraversano il terreno sabbioso, il terreno che circonda il canale del plasma può sciogliersi, formando strutture tubolari chiamate fulguriti .

Effetti su edifici e veicoli

Gli edifici o le strutture alte colpite da un fulmine possono essere danneggiati poiché il fulmine cerca percorsi senza ostacoli verso terra. Conducendo in sicurezza un fulmine a terra, un sistema di protezione contro i fulmini, che di solito incorpora almeno un parafulmine , può ridurre notevolmente la probabilità di gravi danni alla proprietà.

Gli aerei sono molto suscettibili di essere colpiti a causa delle loro fusoliere metalliche, ma i fulmini generalmente non sono pericolosi per loro. A causa delle proprietà conduttive della lega di alluminio , la fusoliera funge da gabbia di Faraday .

Effetti sugli animali

Sebbene il 90% delle persone colpite da un fulmine sopravviva, gli animali, inclusi gli esseri umani, colpiti da un fulmine possono subire gravi lesioni a causa di danni agli organi interni e al sistema nervoso.

Altri effetti

I fulmini svolgono un ruolo importante nel ciclo dell'azoto ossidando l'azoto biatomico nell'aria in nitrati che vengono depositati dalla pioggia e possono fertilizzare la crescita di piante e altri organismi.

tuono

Poiché la scarica elettrostatica dei fulmini terrestri surriscalda l'aria alle temperature del plasma lungo la lunghezza del canale di scarica in un breve periodo, la teoria cinetica impone che le molecole gassose subiscano un rapido aumento di pressione e quindi si espandano verso l'esterno dal fulmine creando un'onda d'urto udibile come un tuono . Poiché le onde sonore si propagano non da un'unica sorgente puntiforme, ma lungo la lunghezza del percorso del fulmine, le distanze variabili dell'origine del suono dall'osservatore possono generare un effetto di rollio o rimbombo. La percezione delle caratteristiche sonore è ulteriormente complicata da fattori quali la geometria irregolare e possibilmente ramificata del canale del fulmine, dall'eco acustico proveniente dal terreno e dalla caratteristica di solito a più colpi del fulmine.

La luce viaggia a circa 300.000.000 m/s (980.000.000 ft/s) e il suono viaggia nell'aria a circa 343 m/s (1.130 ft/s). Un osservatore può approssimare la distanza del colpo cronometrando l'intervallo tra il fulmine visibile e il tuono udibile che genera. Un lampo che precede il suo tuono di un secondo sarebbe di circa 343 m (1.125 piedi) di distanza; un ritardo di tre secondi indicherebbe una distanza di circa 1 km o 0,62 mi (3 × 343 m). Un lampo che precede il tuono di cinque secondi indicherebbe una distanza di circa 1,7 km o 1,1 mi (5 × 343 m). Di conseguenza, un fulmine osservato a distanza molto ravvicinata sarà accompagnato da un tuono improvviso, con un lasso di tempo quasi impercettibile, eventualmente accompagnato da odore di ozono (O 3 ).

I fulmini a una distanza sufficiente possono essere visti e non uditi; ci sono dati che un temporale può essere visto a oltre 160 km (100 mi) mentre il tuono percorre circa 32 km (20 mi). Aneddoticamente, ci sono molti esempi di persone che dicono "la tempesta era direttamente sopra la testa o tutt'intorno e tuttavia non c'era il tuono". Poiché le nuvole temporalesche possono essere alte fino a 20 km, i fulmini che si verificano in alto nella nuvola possono apparire vicini ma in realtà sono troppo lontani per produrre tuoni evidenti.

Radio

Le scariche dei fulmini generano impulsi a radiofrequenza che possono essere ricevuti a migliaia di chilometri dalla loro sorgente come segnali radio atmosferici e fischi.

Radiazione ad alta energia

La produzione di raggi X da parte di un fulmine è stata teoricamente prevista già nel 1925, ma non è stata trovata alcuna prova fino al 2001/2002, quando i ricercatori del New Mexico Institute of Mining and Technology rilevarono emissioni di raggi X da un fulmine indotto lungo un filo di terra trainato da un razzo sparato in una nuvola temporalesca. Nello stesso anno i ricercatori dell'Università della Florida e della Florida Tech hanno utilizzato una serie di rilevatori di campi elettrici e raggi X in una struttura di ricerca sui fulmini nel nord della Florida per confermare che i fulmini naturali producono raggi X in grandi quantità durante la propagazione dei leader a gradini. La causa delle emissioni di raggi X è ancora oggetto di ricerca, poiché la temperatura dei fulmini è troppo bassa per spiegare i raggi X osservati.

Numerose osservazioni da parte di telescopi spaziali hanno rivelato emissioni di raggi gamma di energia ancora più elevate , i cosiddetti lampi di raggi gamma terrestri (TGF). Queste osservazioni pongono una sfida alle attuali teorie sui fulmini, in particolare con la recente scoperta delle chiare firme dell'antimateria prodotta nei fulmini. Recenti ricerche hanno dimostrato che specie secondarie, prodotte da questi TGF, come elettroni , positroni , neutroni o protoni , possono guadagnare energie fino a diverse decine di MeV.

Ozono e ossidi di azoto

Le altissime temperature generate dai fulmini portano a notevoli aumenti locali dell'ozono e degli ossidi di azoto . Ogni fulmine nelle aree temperate e subtropicali produce in media 7 kg di NOx. Nella troposfera l'effetto dei fulmini può aumentare gli NOx del 90% e l'ozono del 30%.

Vulcanico

Il materiale vulcanico spinto in alto nell'atmosfera può innescare i fulmini.

L'attività vulcanica produce condizioni favorevoli ai fulmini in diversi modi. L'enorme quantità di materiale polverizzato e di gas espulsi in modo esplosivo nell'atmosfera crea un denso pennacchio di particelle. La densità di cenere e il movimento costante all'interno del pennacchio vulcanico producono carica per interazioni di attrito (triboelettrificazione), risultando in lampi molto potenti e molto frequenti mentre la nube tenta di neutralizzarsi. A causa dell'ampio contenuto di materiale solido (cenere), a differenza delle zone ricche di acqua che generano carica di una normale nuvola temporalesca, viene spesso chiamato temporale sporco .

  • Potenti e frequenti lampi sono stati testimoni nel pennacchio vulcanico nel lontano l'eruzione del 79 dC del Vesuvio da Plinio il Giovane .
  • Allo stesso modo, i vapori e le ceneri provenienti dalle bocche sui fianchi del vulcano possono produrre lampi più localizzati e più piccoli fino a 2,9 km di lunghezza.
  • Piccole scintille di breve durata , recentemente documentate vicino al magma appena estruso, attestano che il materiale è altamente carico prima ancora di entrare nell'atmosfera.

Se il pennacchio di cenere vulcanica sale a temperature di congelamento, si formano particelle di ghiaccio che si scontrano con particelle di cenere per causare l'elettrificazione. I fulmini possono essere rilevati in qualsiasi esplosione, ma la causa di un'ulteriore elettrificazione dalle particelle di ghiaccio nella cenere può portare a un campo elettrico più forte e a un tasso più elevato di fulmini rilevabili. Il fulmine viene anche utilizzato come strumento di monitoraggio del vulcano per rilevare eruzioni pericolose.

fulmine di fuoco

Gli intensi incendi boschivi, come quelli osservati nella stagione degli incendi boschivi australiani 2019-20 , possono creare i propri sistemi meteorologici in grado di produrre fulmini e altri fenomeni meteorologici. Il calore intenso di un incendio fa sì che l'aria salga rapidamente all'interno del pennacchio di fumo, causando la formazione di nuvole di pirocumulonembi . L'aria più fredda viene aspirata da quest'aria turbolenta e in aumento, contribuendo a raffreddare il pennacchio. Il pennacchio in aumento viene ulteriormente raffreddato dalla pressione atmosferica più bassa ad alta quota, consentendo all'umidità al suo interno di condensarsi in nubi. Le nuvole di Pyrocumulonimbus si formano in un'atmosfera instabile. Questi sistemi meteorologici possono produrre fulmini secchi, tornado di fuoco , venti intensi e grandine sporche.

Extraterrestre

Sono stati osservati fulmini nelle atmosfere di altri pianeti , come Giove e Saturno . Sebbene in minoranza sulla Terra, i superbolt sembrano essere comuni su Giove.

Il fulmine su Venere è stato un argomento controverso dopo decenni di studi. Durante le missioni sovietiche Venera e US Pioneer degli anni '70 e '80, sono stati rilevati segnali che suggeriscono la presenza di fulmini nell'alta atmosfera. Sebbene il sorvolo di Venere della missione Cassini-Huygens nel 1999 non abbia rilevato alcun segno di fulmine, la finestra di osservazione è durata solo poche ore. Gli impulsi radio registrati dalla navicella spaziale Venus Express (che ha iniziato a orbitare attorno a Venere nell'aprile 2006) potrebbero provenire da un fulmine su Venere.

Fenomeni legati all'uomo

  • È stato anche osservato che le scie degli aerei influenzano in piccola misura i fulmini. Le scie di vapore d'acqua degli aeroplani possono fornire un percorso di resistenza inferiore attraverso l'atmosfera che ha una certa influenza sulla creazione di un percorso ionico per un lampo da seguire.
  • I pennacchi di scarico dei razzi hanno fornito un percorso per i fulmini quando è stato visto colpire il razzo Apollo 12 poco dopo il decollo.
  • Esplosioni termonucleari , fornendo materiale extra per la conduzione elettrica e un'atmosfera localizzata molto turbolenta, sono state viste innescare lampi all'interno del fungo atomico. Inoltre, intense radiazioni gamma da grandi esplosioni nucleari possono sviluppare regioni intensamente cariche nell'aria circostante attraverso lo scattering Compton . Le regioni di carica spaziale intensamente caricate creano più scariche di fulmini in aria poco dopo la detonazione del dispositivo.

Studio scientifico

La scienza del fulmine si chiama fulminologia .

Proprietà

Il tuono si sente come un rombo rotolante che si dissolve gradualmente perché il suono proveniente da diverse parti di un lungo tratto arriva in momenti leggermente diversi.

Quando il campo elettrico locale supera la rigidità dielettrica dell'aria umida (circa 3 megavolt per metro), la scarica elettrica provoca uno sciopero , spesso seguito da scariche proporzionate che si diramano dallo stesso percorso. I meccanismi che causano l'accumulo di cariche fino ai fulmini sono ancora oggetto di indagine scientifica. Uno studio del 2016 ha confermato che è coinvolta la rottura dielettrica. I fulmini possono essere causati dalla circolazione di aria calda e umida attraverso campi elettrici . Le particelle di ghiaccio o acqua accumulano quindi carica come in un generatore Van de Graaff .

I ricercatori dell'Università della Florida hanno scoperto che le velocità unidimensionali finali di 10 lampi osservati erano comprese tra 1,0 × 10 5 e 1,4 × 10 6 m/s, con una media di 4,4 × 10 5 m/s.

Rilevamento e monitoraggio

Contatore di fulmini in un museo

Il primo rivelatore inventato per avvertire dell'avvicinarsi di un temporale fu la campana del fulmine . Benjamin Franklin ha installato uno di questi dispositivi nella sua casa. Il rivelatore era basato su un dispositivo elettrostatico chiamato "campanello elettrico" inventato da Andrew Gordon nel 1742.

Le scariche dei fulmini generano un'ampia gamma di radiazioni elettromagnetiche, compresi gli impulsi a radiofrequenza. I tempi in cui un impulso proveniente da una data scarica di fulmine arriva a più ricevitori possono essere utilizzati per localizzare la sorgente della scarica con una precisione dell'ordine dei metri. Il governo federale degli Stati Uniti ha costruito una griglia nazionale di tali rilevatori di fulmini, consentendo di monitorare le scariche di fulmini in tempo reale in tutti gli Stati Uniti continentali. Inoltre, un sistema di rilevamento globale privato che consiste in oltre 500 stazioni di rilevamento di proprietà e gestite da hobbisti/volontari fornisce mappe dei fulmini quasi in tempo reale su blitzortung.org

La guida d'onda Terra-ionosfera intrappola le onde elettromagnetiche VLF ed ELF . Gli impulsi elettromagnetici trasmessi dai fulmini si propagano all'interno di quella guida d'onda. La guida d'onda è dispersiva, il che significa che la loro velocità di gruppo dipende dalla frequenza. La differenza del tempo di ritardo di gruppo di un impulso di fulmine a frequenze adiacenti è proporzionale alla distanza tra trasmettitore e ricevitore. Insieme ai metodi di rilevamento della direzione, ciò consente di localizzare i fulmini fino a distanze di 10.000 km dalla loro origine. Inoltre, le frequenze proprie della guida d'onda Terra-ionosferica, le risonanze di Schumann a circa 7,5 Hz, vengono utilizzate per determinare l'attività globale del temporale.

Oltre al rilevamento dei fulmini a terra, sono stati costruiti diversi strumenti a bordo dei satelliti per osservare la distribuzione dei fulmini. Questi includono l'Optical Transient Detector (OTD), a bordo del satellite OrbView-1 lanciato il 3 aprile 1995, e il successivo Lightning Imaging Sensor (LIS) a bordo del TRMM lanciato il 28 novembre 1997.

A partire dal 2016, la National Oceanic and Atmospheric Administration ha lanciato i satelliti meteorologici Geostationary Operational Environmental Satellite-R Series (GOES-R) dotati di strumenti Geostationary Lightning Mapper (GLM) che sono rilevatori di transitori ottici nel vicino infrarosso in grado di rilevare i cambiamenti momentanei in un scena ottica, che indica la presenza di un fulmine. I dati di rilevamento dell'illuminazione possono essere convertiti in una mappa in tempo reale dell'attività dei fulmini nell'emisfero occidentale; questa tecnica di mappatura è stata implementata dal National Weather Service degli Stati Uniti .

Attivato artificialmente

  • I fulmini innescati da razzi possono essere "attivati" lanciando razzi appositamente progettati che trascinano bobine di filo nei temporali. Il filo si srotola mentre il razzo sale, creando un terreno rialzato che può attirare i leader in discesa. Se un leader si attacca, il filo fornisce un percorso a bassa resistenza per il verificarsi di un lampo. Il filo viene vaporizzato dal flusso di corrente di ritorno, creando al suo posto un canale di plasma rettilineo. Questo metodo consente la ricerca scientifica sui fulmini in modo più controllato e prevedibile.
    L'International Center for Lightning Research and Testing (ICLRT) a Camp Blanding, in Florida, utilizza tipicamente fulmini innescati da razzi nei loro studi di ricerca.
  • Attivato dal laser
    Dagli anni '70, i ricercatori hanno tentato di innescare i fulmini per mezzo di laser a infrarossi o ultravioletti, che creano un canale di gas ionizzato attraverso il quale i fulmini sarebbero condotti a terra. Tale attivazione di fulmini ha lo scopo di proteggere le piattaforme di lancio dei razzi, gli impianti di energia elettrica e altri bersagli sensibili.
    Nel New Mexico, negli Stati Uniti, gli scienziati hanno testato un nuovo laser terawatt che ha provocato un fulmine. Gli scienziati hanno sparato impulsi ultraveloci da un laser estremamente potente, inviando così diversi terawatt nelle nuvole per richiamare scariche elettriche nelle nuvole temporalesche sulla regione. I raggi laser inviati dal laser creano canali di molecole ionizzate noti come filamenti . Prima che il fulmine colpisca la terra, i filamenti conducono l'elettricità attraverso le nuvole, svolgendo il ruolo di parafulmini. I ricercatori hanno generato filamenti che hanno vissuto un periodo troppo breve per innescare un vero fulmine. Tuttavia, è stato registrato un aumento dell'attività elettrica all'interno delle nuvole. Secondo gli scienziati francesi e tedeschi che hanno condotto l'esperimento, gli impulsi veloci inviati dal laser saranno in grado di provocare fulmini su richiesta. L'analisi statistica ha mostrato che i loro impulsi laser hanno effettivamente potenziato l'attività elettrica nella nube temporalesca dove era mirato, in effetti hanno generato piccole scariche locali situate nella posizione dei canali del plasma .

manifestazioni fisiche

Magnetizzazione residua indotta da fulmini (LIRM) mappata durante un'indagine sul gradiente di campo magnetico di un sito archeologico situato nel Wyoming, negli Stati Uniti.

Magnetismo

Il movimento delle cariche elettriche produce un campo magnetico (vedi elettromagnetismo ). Le intense correnti di una scarica di fulmini creano un campo magnetico fugace ma molto forte. Laddove il percorso della corrente del fulmine passa attraverso roccia, suolo o metallo, questi materiali possono magnetizzarsi in modo permanente. Questo effetto è noto come un fulmine indotta rimanente magnetismo, o LIRM. Queste correnti seguono il percorso meno resistivo, spesso orizzontalmente vicino alla superficie ma a volte verticalmente, dove faglie, corpi minerari o acque sotterranee offrono un percorso meno resistivo. Una teoria suggerisce che calamite , i magneti naturali incontrate in tempi antichi, sono stati creati in questo modo.

Le anomalie magnetiche indotte dai fulmini possono essere mappate nel terreno e l'analisi dei materiali magnetizzati può confermare che il fulmine è stato la fonte della magnetizzazione e fornire una stima della corrente di picco della scarica del fulmine.

La ricerca presso l' Università di Innsbruck ha scoperto che i campi magnetici generati dal plasma possono indurre allucinazioni in soggetti situati entro 200 m (660 piedi) da una forte tempesta di fulmini.

Vento solare e raggi cosmici

Alcuni raggi cosmici ad alta energia prodotti dalle supernove e le particelle solari del vento solare, entrano nell'atmosfera ed elettrizzano l'aria, creando percorsi per i fulmini.

Fulmine e cambiamento climatico

A causa della bassa risoluzione dei modelli climatici globali, è difficile rappresentare accuratamente i fulmini in questi modelli climatici, in gran parte a causa della loro incapacità di simulare la convezione e l'imperativo del ghiaccio delle nuvole che sono fondamentali per la formazione dei fulmini. La ricerca del programma Future Climate for Africa dimostra che l'utilizzo di un modello che consente la convezione sull'Africa può catturare in modo più accurato i temporali convettivi e la distribuzione delle particelle di ghiaccio. Questa ricerca indica che il cambiamento climatico può aumentare solo leggermente la quantità totale di fulmini: il numero totale di giorni di fulmini all'anno diminuisce, mentre più nubi di ghiaccio e convezione più forti portano a più fulmini che si verificano nei giorni in cui si verificano i fulmini.

Uno studio dell'Università di Washington ha esaminato l'attività dei fulmini nell'Artico dal 2010 al 2020. Il rapporto tra i colpi estivi dell'Artico è stato confrontato con i colpi globali totali ed è stato osservato aumentare con il tempo, indicando che la regione sta diventando più influenzata dai fulmini . È stato riscontrato che la frazione di tratti sopra i 65 gradi nord aumenta linearmente con l' anomalia della temperatura globale NOAA ed è cresciuta di un fattore 3 all'aumentare dell'anomalia da 0,65 a 0,95 °C

Paleofulmine

Il paleofulmine si riferisce ai resti dell'antica attività dei fulmini studiati in campi come la geologia storica , la geoarcheologia e la fulminologia . Il paleofulmine fornisce prove tangibili dell'attività di studio dei fulmini nel passato della Terra e dei ruoli che i fulmini potrebbero aver giocato nella storia della Terra. Alcuni studi hanno ipotizzato che l'attività dei fulmini abbia avuto un ruolo cruciale nello sviluppo non solo dell'atmosfera primitiva della Terra, ma anche dei primi anni di vita. È stato scoperto che i fulmini, un processo non biologico, producono materiale biologicamente utile attraverso l' ossidazione e la riduzione della materia inorganica. La ricerca sull'impatto dei fulmini sull'atmosfera terrestre continua oggi, in particolare per quanto riguarda i meccanismi di feedback dei composti di nitrati prodotti dai fulmini sulla composizione atmosferica e sulle temperature medie globali.

Rilevare l'attività dei fulmini nella documentazione geologica può essere difficile, data la natura istantanea dei fulmini in generale. Tuttavia, la fulgurite , un mineraloide vetroso simile a un tubo, a crosta o irregolare che si forma quando un fulmine fonde terreno , sabbie di quarzo , argilla , roccia , biomassa o caliche è prevalente nelle regioni elettricamente attive di tutto il mondo e fornisce prove di non solo attività fulminea passata, ma anche schemi di convezione . Poiché i canali dei fulmini trasportano una corrente elettrica a terra, anche i fulmini possono produrre campi magnetici . Mentre le anomalie magnetiche dei fulmini possono fornire prove dell'attività dei fulmini in una regione, queste anomalie sono spesso problematiche per coloro che esaminano la registrazione magnetica dei tipi di roccia perché mascherano i campi magnetici naturali presenti.

Nella cultura e nella religione

Religione e mitologia

In molte culture, il fulmine è stato visto come parte di una divinità o una divinità in sé e per sé. Questi includono il dio greco Zeus , l' Aztec dio Tlaloc , il Maya Dio K , mitologia slava 's Perun , il Baltico Pērkons / Perkunas , Thor in mitologia norrena , Ukko in mitologia finlandese , l' Hindu dio Indra , e lo Shinto Dio Raijin . Nella religione tradizionale delle tribù africane Bantu , il fulmine è un segno dell'ira degli dei. Anche i versetti della religione ebraica e dell'Islam attribuiscono un'importanza soprannaturale al fulmine. Nel cristianesimo , la seconda venuta di Gesù è paragonata a un fulmine.

Espressioni e detti

L'espressione "Il fulmine non colpisce mai due volte (nello stesso posto)" è simile a "L'opportunità non bussa mai due volte" sulla scia di un'opportunità "una volta nella vita", cioè qualcosa che è generalmente considerato improbabile. I fulmini si verificano frequentemente e soprattutto in aree specifiche. Poiché vari fattori alterano la probabilità di fulmini in un dato luogo, i fulmini ripetuti hanno una probabilità molto bassa (ma non sono impossibili). Allo stesso modo, "Un fulmine a ciel sereno" si riferisce a qualcosa di totalmente inaspettato, e "Una persona colpita da un fulmine" è una metafora fantasiosa o comica per qualcuno che sperimenta una volta nella vita, sorprendente, improvvisa rivelazione fulminea, simile a un epifania o un chiarimento .

In francese e in italiano, l'espressione per " colpo di fulmine" è rispettivamente coup de foudre e colpo di fulmine , che tradotto letteralmente significa "colpo di fulmine". Alcune lingue europee hanno una parola separata per fulmine che colpisce il suolo (al contrario di fulmine in generale); spesso è un affine della parola inglese "rays". Il nome del cavallo purosangue più famoso d'Australia , Phar Lap , deriva dalla parola comune Zhuang e tailandese per fulmine.

Cultura politica e militare

Due lampi descritte nel primo stemma del Yli-Ii comune

Il fulmine in araldica è chiamato fulmine ed è mostrato come uno zigzag con estremità non appuntite. Questo simbolo di solito rappresenta potenza e velocità.

Alcuni partiti politici usano i lampi come simbolo di potere, come il Partito d'azione del popolo a Singapore , l' Unione britannica dei fascisti negli anni '30 e il Partito per i diritti degli Stati nazionali negli Stati Uniti negli anni '50. Gli Schutzstaffel , l' ala paramilitare del partito nazista , usarono la runa Sig nel loro logo che simboleggia il fulmine. La parola tedesca Blitzkrieg , che significa "guerra lampo", fu una delle principali strategie offensive dell'esercito tedesco durante la seconda guerra mondiale.

Il fulmine è un'insegna comune per le unità di comunicazione militari in tutto il mondo. Un fulmine è anche il simbolo della NATO per una risorsa segnale .

Arte e design

Il fulmine viene utilizzato per rappresentare le capacità di comunicazione istantanea di telegrafi e radio alimentati elettricamente . Era un motivo comunemente usato nel design Art Déco , in particolare il design Art Déco a zig-zag della fine degli anni '20.

Il simbolo Unicode per i fulmini è ☇ U+2607.

Guarda anche

Riferimenti

Appunti

Bibliografia

Dominio pubblico Questo articolo incorpora  materiale di pubblico dominio dal documento della National Oceanic and Atmospheric Administration : "Understanding Lightning: Thunderstorm Electrification" .

Ulteriori letture

link esterno