martedì 7 aprile 2015

La fisica del temporale

Tra i tanti meravigliosi spettacoli mozzafiato che la natura ci regala ogni giorno nel bene e nel male, a mio avviso pochi sono in grado di ricreare quella sensazione, al contempo, di stupore e timore che fulmini e tuoni durante un temporale riescono a darci. Molte popolazioni dell'antichità infatti rimasero così affascinate dai fulmini che pensarono bene di creare delle divinità apposite.

Mi sembrava quindi giusto dedicare un bel post di Quantizzando a questo fenomeno, per tentare di spiegare in parole semplici (come sempre, ovviamente!)  cosa accade durante un temporale dal punto di vista scientifico. D'altronde, alla fine, sempre di fisica si tratta e quindi esimermi è pressoché impossibile.
Ho detto "tentare di spiegare" non a caso: infatti non è ancora del tutto chiaro come funzionino le cose esattamente. Ma a noi poco importano i dettagli oggi: se state leggendo questo post è perché vi interessa capire per bene come funzionino le cose in generale.


Innanzitutto dobbiamo inquadrare il fenomeno dal punto di vista fisico: stiamo parlando di elettromagnetismo. Cioè stiamo parlando di come corpi dotati di carica elettrica (sia essa positiva o negativa) si muovono in un campo elettrico e/o magnetico.
Dopodiché bisogna prenderla un poco alla larga prima di arrivare ai fulmini. Ci vuole un poco di pazienza ma, state tranquilli, se arrivate fino alla fine avrete un quadro della situazione ben delineato. Promesso. Quindi partiamo.

Nel nostro caso parleremo del campo elettrico della nostra atmosfera. Ma come, nell'aria c'è un campo elettrico? Ebbene sì. In particolare, nei pressi della superficie terrestre abbiamo un campo di circa 100 Volt per metro, mentre più in alto nell'atmosfera (tipo ad una 50-ina di km di altezza) il campo è più debole. Comunque in generale tra le parti alte dell'atmosfera e la superficie terrestre c'è una differenza di potenziale elettrico pari a 400 mila Volt, mica quisquilie.

Aspetta, aspetta. Qua vengono fuori delle domande già da subito.
Infatti, se c'è una differenza di 200 Volt tra i miei piedi e la mia testa, come mai non prendo una bella scossa ogni volta che esco fuori di casa? Per rispondere a questa domanda basta guardare la seguente figura.

Le superfici con lo stesso potenziale sono modificate dalla nostra presenza (Fonte: La Fisica di Feynman).

In pratica fin quando rimaniamo con i piedi per terra (in senso figurato e non) siamo allo stesso potenziale della Terra e le superfici con lo stesso potenziale vengono distorte dalla nostra presenza. Fiuuu, pericolo scampato (senza saperlo, però!).

Una seconda domanda che potrebbe venire in mente è: ma se c'è elettricità nell'aria (anche qui, in senso figurato e non) perché non la usiamo per ricaricare i nostri amati smartphone o accendere la televisione? Eh già, perché? Questa è una bella domanda, ma anche qui c'è una bella risposta. E la risposta è che la corrente dell'aria è piccola perché l'aria è un cattivo conduttore di elettricità. Insomma non è così buono come il rame con cui sono fatti i fili elettrici dei nostri impianti casalinghi.

Comunque ora la corrente nell'aria, seppur piccola, l'abbiamo tirata in ballo. E quindi dobbiamo per forza capire come mai esiste (se siete per la prima volta su questo blog, sappiate che su Quantizzando siamo fatti così, non ci dormiamo la notte per cose del genere).
Dunque, nell'aria ci sono le molecole (di ossigeno, giusto per citare ad esempio quelle che ci fanno respirare, ma ci sono anche altri elementi). Solitamente queste molecole sono neutre, cioè il numero di cariche negative (elettroni) è uguale al numero di cariche positive (protoni nei vari nuclei atomici).

Però può capitare, che ne so, che una molecola decide di dare un "passaggio" ad un elettrone extra, diventando così negativa, oppure che un elettrone viene lasciato libero, diventando così una molecola positiva. Indipendentemente dalla carica, quello che si genera è uno ione. Non ci resta che capire come si formino questi ioni nell'atmosfera. Diciamo che, per quello che vogliamo capire noi in questo post, divideremo gli ioni in grandi e piccoli, a seconda proprio delle dimensioni. Ci sono diversi fenomeni per formare questi ioni ma qui ne citeremo solo due come esempio. Gli ioni piccoli si possono formare a causa dei raggi cosmici; questi raggi cosmici sono particelle provenienti da molto lontano che bombardano quotidianamente e continuamente la nostra atmosfera e quando colpiscono una molecola magari strappano o mettono a bordo qualche elettrone.
Gli ioni grandi invece si possono formare tramite la radioattività naturale del nostro pianeta, nelle zone vicino la superficie terrestre. Queste radiazioni provenienti dal decadimento di alcuni elementi (ad esempio il Radon) vanno a ionizzare (si dice così) le molecole dell'aria e formano degli ioni grandi perché vicino la superficie terrestre non abbiamo solo ossigeno e compagnia bella ma anche polveri, sali e altra compagnia bella ma più grossa.

Potete facilmente intuire che gli ioni piccoli, proprio perché più leggeri, si muovono più velocemente di quelli grandi. Risulta che ci sono più ioni grandi e che quest'ultimi prendono ulteriore carica elettrica da quelli piccoli (che vengono continuamente creati dai raggi cosmici). Perciò alla fine la corrente elettrica atmosferica, ovvero intesa come particelle cariche che si muovono nell'aria, sarà data dal movimento, lento, di questi ioni grandi. Questa lentezza spiega perché la corrente è molto piccola (diecimila miliardesimi di Ampere per metro quadrato).  La Terra è un gigantesco serbatoio di elettroni e dunque le cariche negative escono e vanno verso l'alto mentre quelle positive vanno verso la Terra. Pur essendo piccola la corrente per metro quadrato, comunque la Terra ha tanti metri quadrati. Risultato? Scende a Terra una corrente pari a circa 1500 Ampere (le lampadine in casa funzionano con qualche millesimo di Ampere).

E quindi? Con tutte queste cariche positive quasi quasi succede che scarichiamo la Terra (piena di cariche negative alias elettroni). Infatti, tutto questo non accade. E sapete chi si prende tutto il merito? Proprio i fulmini e ora vedremo come.

Semplificando al massimo possiamo riassumere la situazione come segue: nelle regioni in cui c'è bel tempo la routine quotidiana è che cariche negative vengono spinte verso l'alto dal campo elettrico terrestre e quelle positive verso il basso. I fulmini sono praticamente la maniera in cui la Terra si abbuffa di nuovo di cariche negative. E tutti vissero felici e contenti.

A questo punto ci sono due cose rimaste da capire. Da dove vengono fuori le cariche positive che vanno a scaricare la Terra e come si forma un fulmine (che poi è il motivo per cui state ancora leggendo questo post!). Per fortuna le due cose sono collegate e possiamo spiegarle insieme.

Critico è, a questo punto, il ruolo dei venti d'aria sia verso il basso che verso l'alto. Infatti nelle nubi abbiamo che questo venti portano a collisioni tra goccioline d'acqua, pezzi di ghiaccio e di grandine; quando ciò accade, in pratica, gli elettroni (le cariche negative) vengono strappate via da queste particelle che collidono tra loro e si depositano nella parte bassa della nube mentre le cariche positive occupano la parte superiore. La concentrazione di cariche negative nella parte bassa della nube attrae le cariche positive sulla superficie terrestre, creando una situazione tipo quella nella figura qui sotto:


A questo punto, il fulmine è quasi pronto per essere servito (Fonte: NWS NOAA).

Ho scelto questa immagine perché c'è anche un albero. Infatti si dice sempre di non mettersi sotto un albero durante un temporale: perché? Perché, con una semplicissima dimostrazione matematica, si può vedere che il campo elettrico è generalmente più intenso (localmente intendo sennò tutti i fulmini cadrebbero sull'Everest!) nei pressi delle zone "a punta" di una superficie conduttrice (come ad esempio quella della superficie terrestre).
Quindi: via dagli alberi e da tutti le cose appuntite quando siete nei pressi di un temporale!

Detto questo, ora vediamo in dettaglio come si forma il fulmine. Dunque, a causa della separazione delle cariche nella nube abbiamo delle cariche negative nella parte bassa della nube e delle cariche positive localmente nei pressi della superficie terrestre: a questo punto scatta la scintilla. Cosa accade? Vediamo, come in una trasmissione sportiva, tutto il processo alla moviola:




Nonostante sia alla moviola, il primo fulmine che sembra camminare a caso verso terra (chiamato in gergo "step leader") in realtà viaggia alla bellezza di circa 150 km al secondo (giusto per darvi un'idea di quanto sia rallentato questo video).
In pratica tra nube e Terra si genera una differenza di potenziale molto grande e le cariche negative della nuvola iniziano la loro discesa verso terra. Questo poco luminoso manipolo di cariche negative che scendono, in parole povere si fa strada e quando sono quasi arrivate vicino alla superficie terrestre scatta il contatto e l'autostrada del fulmine è pronta! A quel punto una serie di scariche in rapida successione (potete vedere nel video che il fulmine emette una serie di leggeri flash per qualche attimo) trasferiscono un bel mucchio di cariche negative che ricaricano la Terra, in base a quello che abbiamo detto prima in questo post.

Come mai si sente il tuono associato al fulmine? Quando il fulmine colpisce, l'aria attorno ad esso si riscalda molto e si dilata, comprimendo dunque l'aria più vicina. Questo genera un'onda d'urto nell'aria che alla fine risulta in un'onda acustica udibile come il classico tuono.
Inoltre, quando il fulmine è lontano, accade che il rumore arriva al nostro orecchio qualche secondo dopo che abbiamo visto la luce del fulmine. Questo perché la luce viaggia a 300mila km/s mentre il suono viaggia a circa 340 m/s. Quindi si può fare questo semplice calcolo per capire a che distanza è caduto il fulmine: quando si vede la luce del lampo si contano i secondi che passano prima di udire il tuono. La distanza dal fulmine (in metri) si ottiene semplicemente moltiplicando 340 per il numero di secondi che abbiamo misurato.

Bene, dunque le cariche negative della nube scendono a terra. E le cariche positive? Come abbiamo detto esse finiscono nella parte alta della nube. Successivamente queste cariche positive lasciano la nube per vagare nell'atmosfera e, nelle regioni di bel tempo, finiscono a terra seguendo il processo che abbiamo descritto all'inizio di questo post, andando a scaricare pian piano la Terra. Cioè le cariche positive delle nubi temporalesche scendono a terra tramite la debole corrente elettrica dell'aria.
(Piccola nota: i fulmini possono avvenire anche tra due nubi e non solo tra nube e Terra).

Come vedete ora tutto più o meno, dal punto di vista generale torna. Riassumiamo: sulla Terra ci sono zone in cui il tempo è bello e zone in cui ci sono temporali. Nelle zone di bel tempo una piccola corrente elettrica porta cariche positive presenti nell'atmosfera nella Terra (che è piena di cariche negative), la quale viene lentamente scaricata. Allo stesso tempo, nelle zone temporalesche, cariche negative scendono a Terra "ricaricando" il pianeta tramite i fulmini. Cariche positive e negative si formano nelle nubi temporalesche a causa dei forti fenomeni ventosi al loro interno. E così via. Insomma, l'atmosfera non è un posto così noioso come potrebbe sembrare.

Per finire, due cose. Prima di tutto vediamo la mappa dei fulmini sulla Terra, per capire dove c'è maggiore probabilità di avere un temporale:

Mappa del tasso annuale di fulmini per chilometro quadrato (Fonte: NASA Earth Observatory)

Nella mappa di sopra le zone più scure e quelle grigie sono quelle con basso tasso annuale di fulmini per chilometro quadrato mentre quelle più chiare hanno un tasso maggiore. Come potete vedere ci sono alcune zone continentali più colpite delle altre ma la cosa più notevole è sicuramente il fatto che il tasso di fulmini sugli oceani è praticamente nullo: come mai? Perché i terreni, a differenza degli oceani, assorbono più velocemente il calore del Sole e questo porta ad una maggiore instabilità in termini di temperatura e quindi di moti dell'aria che portano alla formazione delle nubi.

La seconda cosa che vorrei raccontarvi, molto brevemente, è come sono visti i temporali dallo spazio. A quanto pare nelle zone sopra i temporali si possono notare emissioni di raggi gamma. Questa cosa è stata scoperta, per la prima volta, nel 1991 dal satellite della NASA Compton Gamma Ray Observatory. Recentemente, ciò è stato anche misurato dal satellite Fermi della NASA. Infatti quello che accade è che alcuni elettroni delle nubi temporalesche possano essere buttati verso l'alta atmosfera ad una velocità pazzesca. Quando interagiscono con le altre molecole dell'aria, un fotone alle lunghezze d'onda dei raggi gamma viene a formarsi.

In conclusione, vorrei segnalarvi il link alle lezioni di Fisica di Richard Feynman. Le potete trovare qui; molte informazioni di questo post provengono proprio da quelle lezioni.

Bene, mi sembra di aver detto proprio (quasi!) tutto sul fenomeno del temporale. Credo che si tratti di un fenomeno che affascina tutti sin da piccoli e spesso ciò accade proprio perché non c'é nessuno che ci spiega come funzioni. E spesso più che fascino c'è spavento.
Spero tanto che ora possiate anche apprezzare un temporale e vedere un fulmine non più con gli occhi di ragazzini spaventati e incuriositi ma piuttosto con gli occhi di ragazzini meravigliati e consapevoli dei fenomeni fisici frenetici che avvengono sopra le nostre teste ogni giorno.