Meteorologia

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Meteorologia

Briciole di meteorologia

Umidità relativa.
L'aria che respiriamo tutti i giorni, per quanto secca possa essere, contiene sempre una certa quantità d'acqua, o meglio, di vapore acqueo. La quantità massima di vapore che può essere contenuto dall'aria varia con la sua temperatura e con la pressione: ad esempio, più l'aria è calda, più vapore essa può contenere. Per questo motivo si è preferito introdurre un parametro "relativo", che esprime cioè il rapporto tra la quantità effettiva di vapore contenuto e la quantità massima che quella massa d’aria potrebbe contenere nelle stesse condizioni di temperatura e pressione. Tale rapporto è solitamente espresso in punti percentuale. Valori inferiori al 30% denotano la presenza di aria secca o poco umida (ad esempio in una giornata di favonio), mentre valori superiori al 70-80% sono indice di una notevole umidità (ad esempio in caso di pioggia o di nebbia). E' un parametro molto importante; spesso viene inopportunamente trascurato allorché ci accingiamo a descrivere una determinata situazione meteorologica: una giornata con cielo sereno, temperatura 30°C e umidità relativa 25% è ben diversa da una identica ma con umidità relativa 90%!! Nel primo caso avvertiamo una "piacevole" e sopportabile sensazione di caldo, nel secondo caso... ci sentiamo terribilmente soffocare nell'afa più opprimente!

Pressione atmosferica.
L'atmosfera che circonda la Terra è composta da una miscela di gas (in prevalenza azoto e ossigeno) chiamata comunemente "aria". Sebbene sia trascurabile rispetto a quello di altre sostanze, anche l'aria ha un proprio peso: potrebbe sembrare incredibile, ma un metro cubo d'aria, in condizioni standard di pressione e temperatura, pesa quasi 1.3 Kg!!! La colonna d'aria che sovrasta la superficie terrestre, concentrata per la maggior parte nella troposfera (i primi 15 Km), esercita quindi, col suo peso, una pressione che viene chiamata appunto "pressione atmosferica". L'unità di misura più utilizzata dai meteorologi per esprimerne il valore è l'ettopascal (hPa), o, equivalentemente, il millibar (mb). Poiché la pressione atmosferica diminuisce con l'aumentare della quota altimetrica, i valori pressori assoluti, registrati dalle varie stazioni meteorologiche, vengono per convenzione rapportati al livello del mare. In sostanza accade che, per poter confrontare tra loro i dati rilevati da stazioni poste a diverse altezze, ci si preoccupa di fornire un valore che sia INDIPENDENTE dalla quota alla quale si è effettuata la misura. Il valor medio della pressione atmosferica al livello del mare è di 1013.25 hPa: le perturbazioni presenti nell'atmosfera spostano masse d'aria di diversa natura (fredde e secche, calde ed umide, etc.), provocando un'oscillazione di questo valore dell'ordine delle decine di hPa. Attraverso l'analisi della variazione della pressione nel tempo (tendenza barometrica) possiamo ricavare indicazioni significative circa l'evoluzione delle condizioni atmosferiche, come ad esempio l'arrivo di una perturbazione, il passaggio di un fronte o l'ingresso d'aria fredda. Anche se NON VALE COME REGOLA ASSOLUTA, si può ragionevolmente sostenere che un progressivo e costante aumento di pressione è indice di un probabile ristabilimento del tempo, mentre un crollo improvviso annuncia solitamente l'arrivo del "brutto tempo". La misura del valore di pressione atmosferica viene effettuata mediante uno strumento chiamato "barometro".

Vento: intensità e direzione.
Con il termine "vento" s'intende genericamente lo spostamento di una massa d'aria. Tale moto può essere causato da diversi fattori: in generale, le masse d'aria tendono a migrare verso zone con pressione atmosferica inferiore. La velocità di spostamento sarà tanto più elevata quanto più rapida sarà la variazione di pressione in gioco, che in linguaggio tecnico viene chiamata "gradiente barico". La conformazione del territorio, nonché la sua posizione geografica, influiscono tantissimo sulla natura e sull'intensità dei venti che possono originarsi in un determinato luogo. A differenza degli altri parametri meteorologici, per descrivere completamente uno spostamento d'aria è necessario specificarne due valori: l'intensità (ossia la velocità) e la direzione. Spesso inoltre, per meglio definire la natura del fenomeno, si preferisce riportare sia la velocità media (calcolata in genere negli ultimi 5 o 10 minuti) che la velocità massima delle raffiche. Sebbene sia ancora uso comune (specialmente in campo aeronautico) esprimere la velocità del vento esclusivamente in nodi (un nodo = 1.852 Km/h), talvolta viene affiancato il corrispondente valore in m/s o anche in Km/h, unità di misura più facilmente leggibili e ponderabili. Talvolta capita di fare confusione sulla direzione del vento: è bene chiarire che, per convenzione, la direzione riportata da qualsiasi bollettino meteo è SEMPRE QUELLA DI PROVENIENZA; venti settentrionali, ad esempio, sono correnti che spirano DA NORD VERSO SUD. Per definire la direzione con una maggiore precisione si impiegano i 360 gradi dell'angolo giro, come indicato nella nota "rosa dei venti": 0° corrisponde al Nord, e, procedendo in senso orario, Est=90°, Sud=180° e Ovest=270°. Lo strumento atto alla rilevazione della velocità del vento è l'anemometro.

Precipitazioni: intensità e accumulo.
Le precipitazioni atmosferiche sono senza dubbio uno dei fattori climatici di maggior importanza: il territorio, la flora e la fauna sono profondamente condizionati dalla quantità e dall'intensità delle piogge. Il dott. William Lau, capo coordinatore del Laboratorio Nasa per lo studio dell’atmosfera, ha recentemente dichiarato che "i cicli dei monsoni influenzano la vita quotidiana del 60% della popolazione mondiale".
Le precipitazioni traggono origine dai fenomeni di condensazione dell’umidità atmosferica sotto forma di particelle d'acqua liquide o solide. La pioggia, la grandine e la neve sono dette "idrometeore di precipitazione".
Per descrivere opportunamente un evento precipitativo si utilizzano solitamente due parametri: l'intensità e la quantità accumulata. Per quanto riguarda quest'ultima, l'unità di misura adottata dai meteorologi è il millimetro, che equivale ad un litro d'acqua per metro quadrato di superficie. Per la neve e per la grandine è possibile esprimere una misura empirica in centimetri accumulati, anche se è preferibile fornire sempre il corrispondente valore in millimetri d'acqua equivalenti (un cm di neve fresca corrisponde all'incirca ad un mm d'acqua). L'intensità della precipitazione si esprime di conseguenza in millimetri orari (mm/h): spesso si distingue tra l'intensità media, ovvero i millimetri totali diviso la durata del fenomeno, e l'intensità massima raggiunta nel corso dell'evento.
Lo strumento impiegato per compiere tali misure è il pluviometro: la sua versione più semplice consiste in un cilindro graduato.

Dew Point (punto di rugiada)
Il valore d'umidità relativa non ci fornisce di per sé un indicazione in merito alla quantità di vapore acqueo effettivamente presente nell'aria: per questo motivo si è deciso di introdurre un altro indice. Il "Dew Point" (ovvero "punto di rugiada") ci fornisce il valore di temperatura (in °C) a cui l'aria dovrebbe essere raffreddata (a pressione costante) per raggiungere il 100% di umidità relativa, ovvero, per saturarla di vapore. Dato che la quantità di vapore solubile nell'aria diminuisce col calare della temperatura, è chiaro che abbassando la temperatura ci si aspetta che l'umidità relativa aumenti: più secca sarà l'aria di partenza, più basso sarà il relativo valore di Dew Point.

Wind Chill (indice di raffreddamento)
Il "Wind Chill" è un parametro che quantifica sostanzialmente la sensazione di "freddo" percepita dal nostro corpo a causa dell'esposizione al vento. Una massa d'aria (con temperatura inferiore rispetto a quella corporea) che investe la pelle nuda, determina infatti una perdita di calore per evaporazione che è tanto maggiore quanto più è elevata la velocità del flusso d'aria stesso. Ciò comporta che il nostro corpo percepisca una temperatura apparentemente inferiore a quella effettivamente presente.
Trattandosi pertanto di un valore termico, anche se apparente, il Wind Chill viene espresso in gradi centigradi: talvolta, per precisarne il significato, tale indice viene anche chiamato "indice di raffreddamento".

Indice di Calore (Heat Index)
Per consentirci di stimare la sensazione di calore provocata dall'aria sul nostro organismo, i centri meteorologici hanno elaborato un apposito indice, chiamato appunto "indice de calore" (o Heat Index). Utile specialmente nel periodo estivo, esso ci fornisce una indicazione sul grado di disagio fisiologico dovuto in particolar modo all'esposizione a condizioni meteorologiche caratterizzate da alte temperature ed elevati livelli igroscopici dell’aria.
Esso viene ricavato tramite un'equazione empirica che prende in considerazione alcuni parametri termo-igrometrici, fornendo un valore di temperatura (in gradi centigradi) che dovrebbe corrispondere alla "temperatura percepita" dal nostro corpo. Un valore d'umidità relativa elevata, ad esempio, ostacola la sudorazione: l'organismo fatica pertanto ad eliminare il calore in eccesso. Ne consegue che la sensazione avvertita è la stessa di quella provocata da una temperatura maggiore, proprio perchè il meccanismo fisiologico di raffreddamento è ostacolato.

Nefodina.
NEFODINA è un modello in grado di individuare sistemi convettivi intensi la cui sommità abbia una temperatura di brillanza (TB) nell’Infrarosso inferiore ai 236 K e di prevederne l’evoluzione nei successivi 15 minuti. Tale prodotto, composto da un modello a soglia variabile e da un sistema di reti neurali, utilizza combinazioni delle immagini nella finestra dell’infrarosso 10.8 mm (IR) e nei canali di assorbimento del vapor d’acqua 6.2 mm (WV1) e 7.3mm (WV2) del MSG, deducendone informazioni relative a quota e morfologia della struttura nuvolosa, ed alla temperatura di brillanza del vapor d’acqua nella media ed alta troposfera.
NEFODINA è in grado di individuare non solo tali sistemi nel loro complesso, ma anche tutte le singole celle convettive che li compongono, consentendo così, studiandone la distribuzione, di definire la tipologia del fenomeno.

Output di Nefodina
L’output di Nefodina (NEFOanalisi DINAmica) è costituito dall’ultima immagine disponibile sull’area italiana, nel canale infrarosso 10.8 mm dell’MSG, sulla quale sono evidenziate le celle convettive individuate.
Una scala di colori caratterizzata da differenti tonalità di blu e di giallo è utilizzata per discriminare nubi a differenti temperature e quote: il blu scuro è utilizzato per nubi più calde (comunque ad una temperatura inferiore ai 236 °K) e basse, mentre il blu chiaro e il giallo per nubi alte. E questo per fornire un’idea immediata circa la morfologia dei sistemi nuvolosi. Due tonalità di rosso e rosa caratterizzano invece la sommità delle celle convettive individuate, più chiaro per indicare l’area complessiva interessata, più scuro per evidenziarne il nucleo, rosse se previste in crescita e rosa se previste in dissolvimento.
Data, ora, nonché indicazioni per una facile interpretazione dei colori sono riportate nelle parti inferiore e superiore dell’immagine.

IL TEMPORALE.
Il temporale è l'insieme dell'enorme nube che lo sovrasta, il cumulonembo e dei fenomeni ad esso associati.
Il cumulonembo è una nube a sviluppo verticale che si forma per il sollevamento di grandi masse d'aria calde (causato da diversi fattori) e umide in aria instabile. Con il sollevamento l'aria si raffredda adiabaticamente e il vapore acqueo in essa contenuto, raggiunta la saturazione, condensa iniziando a sviluppare la nube.
All'interno della nube ci sono correnti ascensionali molto violente e forte turbolenza, e le gocce d'acqua soffuse facilmente si uniscono e originano pioggia, o anche grandine se vengono trascinate a lungo all'interno della nube dalle correnti. Al di sotto del cumulonembo si formano in genere forti ascendenze e forti discendenze ai lati, che provocano al perimetro del cumulonembo un forte vento che solleva visibilmente la polvere e precede la pioggia. Nel momento in cui inizia a piovere il moto si inverte, si hanno discendenze al centro e ascendenze ai margini.
In cima al cumulonembo, quand'esso ha raggiunto la fase di maturità o pieno sviluppo, si trova una caratteristica incudine, che può anche raggiungere i 10 000 m di quota e oltre. Tale incudine si forma laddove l'aria in ascesa incontra la tropopausa, e la sua caratteristica forma è dovuta alla costanza dell'andamento termico che caratterizza la tropopausa che inibisce l'ulteriore ascesa della massa d'aria instabile all'origine della genesi del cumulonembo.
Il temporale risulta quindi composto da:
- cumulo vero e proprio associato a fenomeni
- incudine di cirri
- eventuali 'mamma' visibili alla base del cumulonembo

Formazione dei temporali
Temporali frontali: quando in una perturbazione è presente il fronte freddo, non è difficile che compaiano cumulonembi. L'aria fredda infatti si incunea sotto quella calda, la solleva in maniera rapida e contribuisce a destabilizzare la situazione. La pressione intanto cala e il vento rinforza. Nel cielo le nubi cumuliformi si ingrossano sempre di più fino a chè non scoppia il temporale. Questo tipo di cumulonembi si può formare a qualsiasi ora del giorno e della notte.
Temporali convettivi: si formano per la risalita di aria calda dal suolo (riscaldato dal sole) verso il cielo. Se questa è abbastanza umida, e se l'aria è abbastanza instabile, la corrente convettiva può formare una nuvola. Se inoltre l'atmosfera è instabile allora è probabile che il cumulo si ingrossi a sufficienza per dare origine a fenomeni. Questo tipo di temporali avviene soprattutto quando aria fresca corre su un terreno più caldo (gocce fredde in quota).
Temporali orografici: l'aria che risale un pendio di montagna, se abbastanza umida, può generare delle nubi anche temporalesche con conseguenze simili alle precedenti.

Fasi del fenomeno
Sviluppo: l'instabilità fa nascere un cumulo di grandissime dimensioni.
Maturità: il cumulo diventa cumulonembo perché ha raggiunto dell'aria stabile quindi non può più salire ma si espande orizzontalmente (incudine). Coesistono in quota cristalli di ghiaccio e gocce di acqua. Vi sono due correnti ben distinte, una fredda e una calda.
Dissipazione: l'aria fredda discendente prevale sulla calda. Il temporale si scarica e perde vigore.
Scomparsa: il temporale sparisce e al suo posto rimangono dei cumuli, degli altocumuli, dei cirri.

Struttura a cellule
Un temporale è alimentato in genere da più cellule convettive (temporale multicellulare - durata media 1 ora - 3 celle circa). Possono anche esserci temporali con una sola cella (monocellulari) o una sola grande cella in rotazione (supercella). Questi ultimi sono i più pericolosi e possono portare alla formazione di tornado. Questa struttura fa sì che, nei temporali multicellulari, la zona più attiva della nube sia in continuo spostamento e quindi l'intensità delle precipitazioni vari a intervalli irregolari. Ciò permette infine anche una maggiore durata della nube.

Nuvole.
I temporali e le nubi temporalesche si formano quando l’atmosfera contiene aria fredda nella regione superiore e aria calda e umida negli strati inferiori. In questo caso l’aria calda tende a salire velocemente in flussi verticali formando le nubi, mentre l’aria fredda scende.
Le nubi temporalesche possono avere dimensioni diverse, da nubi di estensione verticale di qualche chilometro ai temporali giganti con nubi di estensione fino a 20 km. L’altezza media rispetto al suolo di una nuvola temporalesca è di circa 8-10 km, anche se queste misure sono molto legate alla zona geografica di formazione.
In Italia si presentano tipicamente due tipi di temporali, quelli con fronti estesi provenienti dall’Europa occidentale e quelli localizzati, generati da convezione sul territorio.
All’interno di un temporale vi sono correnti d'aria, dovute ai gradienti termici, e particelle d’acqua e ghiaccio. Dall’interazione di questi elementi si ha la formazione di cariche separate che si dispongono in regioni opposte della nube.

IL FULMINE.
Il fulmine o folgore o saetta è una scarica elettrica di grandi dimensioni che avviene nell'atmosfera, che si instaura fra due corpi con una grande differenza di potenziale elettrico.
I fulmini più facilmente osservabili sono quelli fra una nuvola e il suolo, ma sono comuni anche scariche fra due nuvole o all'interno di una stessa nuvola. Inoltre qualsiasi oggetto sospeso nell'atmosfera può innescare un fulmine, si sono osservati infatti fulmini tra una nuvola e un aeroplano, e tra un aeroplano e il suolo.
L'espansione del canale ionizzato genera anche un'onda d'urto rumorosissima, il tuono. L'intensità elettrica di un fulmine varia tipicamente tra i 10 e i 200 kiloampere. Generalmente si descrive il fulmine come una singola scarica, ma sono molto frequenti i casi in cui si verificano una serie di scariche in rapida successione. Tipicamente l'intervallo di tempo tra una scarica e l'altra può oscillare tra i 5 e i 500 millisecondi, e la serie nel complesso può durare anche 1,5 secondi.
Più in particolare, il fulmine è una colonna di gas ionizzato (plasma), con le seguenti caratteristiche fisiche principali:
- corrente elettrica: 2-200 kA
- temperatura elettronica: 30.000 K
- diametro della colonna di plasma: 10-50 cm
- carica elettrica totale: 5-10 C
- differenza di potenziale: 1-10 × 109 V
L'ultimo valore (differenza di potenziale ai capi del fulmine) dipende dalla lunghezza dello stesso: sapendo che il potenziale di rottura dielettrica dell'aria è di 3000 V/mm, un fulmine lungo 300 m sarà generato da una differenza di potenziale di 300 × 3 × 106 = 9 × 108 ≈ 109 V. In realtà, la grande pericolosità del fulmine è dovuta più che alle grandi tensioni, alla corrente che fluisce nel canale d'aria ionizzata: essendo infatti il plasma un ottimo conduttore di corrente, esso permette il fluire di correnti tipiche di migliaia di Ampere (si ricordi qui che basta qualche centinaio di milli-Ampere per causare danni fisiologici gravissimi da folgorazione).
Esistono due diversi tipi di fulmini:
- negativo discendente, la scarica pilota ha carica negativa e parte dall'alto
- positivo discendente, la scarica pilota ha carica positiva e parte dall'alto.

Ulteriore dettagliato approfondimento sui fulmini.
I fulmini sono delle scariche elettriche improvvise e violente che si verificano tra due nubi oppure tra una nube e la superficie terrestre a causa di differenze di potenziale molto elevate nell'ambito dell'atmosfera. Il fenomeno si manifesta con un effetto luminoso (lampo) ed uno sonoro (tuono) che non vengono percepiti simultaneamente dall'osservatore a causa delle diverse velocità di propagazione della luce (300.000 Km/s) e del suono (340 m/s). Il lampo viene visto pertanto quasi istantaneamente, mentre il tuono viene udito dopo un intervallo di tempo tanto più grande quanto più è distante il fulmine.
Normalmente un fulmine è composto da un ramo principale e da molti rami secondari, con il caratteristico aspetto a zig-zag, determinato dalla ricerca del percorso di minor resistenza elettrica. La lunghezza può raggiungere i 2-3 Km, con punte di 5 Km in Sud Africa; quando si verificano tra nubi, i percorsi possono anche raggiungere i 10-15 Km.

Come nascono.
Dalla fisica è noto che se si caricano elettricamente due corpi conduttori con cariche di segno opposto, non c'è passaggio di corrente elettrica se essi sono separati da un materiale isolante. Aumentando il numero delle cariche, l'intensità del campo elettrico aumenta proporzionalmente fino ad un certo limite, caratteristico di ogni isolante, oltre il quale il materiale cede istantaneamente con un passaggio violento di corrente fra i conduttori.
La scarica produce la perforazione del materiale ed il valore limite del campo elettrico, oltre il quale si ha tale fenomeno, è noto come rigidità dielettrica. Nel caso dell'aria pulita e asciutta il valore del campo è di circa 30 KV/cm, che scende notevolmente, a valori inferiori a 3-4 KV/cm, in presenza di umidità, di pulviscolo atmosferico o di altre impurità.
Il fulmine è l'equivalente atmosferico del fenomeno precedentemente descritto; in tal caso l'isolante è l'aria ed i due corpi conduttori sono la nube ed il suolo oppure due diverse nubi o due diverse parti di una stessa nube.
E' ormai accertato che le grosse nubi temporalesche (cumulonembi) sono caricate positivamente nella parte più alta e negativamente in quella più bassa; esistono diverse teorie che cercano di giustificare tale situazione, una di esse, abbastanza attendibile, è che le separazioni delle cariche abbiano origine dalle collisioni fra i vari elementi di nube rappresentati dalle piccole gocce di acqua o dai piccoli cristallini di ghiaccio, formatisi in seguito alla condensazione o alla sublimazione del vapore acqueo. All'interno delle nubi temporalesche esistono forti correnti ascensionali e precipitazioni che innescano complessi procedimenti di crescita e di interazione dei vari elementi, determinando le collisioni sopracitate.
Si è ritenuto che le più piccole particelle tendano ad acquisire cariche negative, mentre le più grandi acquisiscano cariche positive. Queste particelle tendono a separarsi per effetto delle correnti ascensionali e della forza di gravità, fino a che la nube non assume lo stato elettrico precedentemente descritto (positivo in alto e negativo in basso). La suddetta separazione produce enormi differenze di potenziale sia all'interno della nube che fra la nube e la terra, che per induzione tende a caricarsi positivamente.
Le differenze di potenziale possono raggiungere le centinaia o migliaia di milioni di volt, causando il superamento della rigidità dielettrica dell'aria: in tale istante scocca il fulmine. Il meccanismo della scarica è tuttavia alquanto complesso e si manifesta in due tempi:
Inizialmente dalla nube scende verso il suolo una scarica debole ed invisibile composta da particelle cariche negativamente, essa è detta scarica pilota (o scarica guida o stepped leader) ed avanza verso il basso con una velocità relativamente piccola (circa 100 Km/s) e con percorsi successivi di breve lunghezza (circa 50 m). Lungo tale percorso a zig-zag si crea un'intensa ionizzazione che predispone alla seconda fase.
Quando la scarica pilota si avvicina al suolo, da quest'ultimo parte una scarica "di ritorno" diretta verso l'alto e composta da un flusso di cariche positive presenti sulla superficie terrestre. Quando le due scariche si incontrano, esse segnano nell'aria una specie di scia di congiunzione tra cielo e terra; lungo tale traccia risale verso la nube una fortissima corrente elettrica ad una velocità stimata in circa un terzo di quella della luce.
La scarica di ritorno (return stroke) può durare tra qualche decina e qualche centinaia di microsecondi e libera una quantità enorme di energia di tipo termico, ottico (lampo), acustico (tuono) ed elettromagnetico.
Il canale conduttore, creato dalla scarica guida, può ramificarsi in parecchie branche, lungo le quali si possono avere diverse scariche di ritorno giustificando così l'aspetto tutto ramificato del fulmine, simile alle radici di una pianta. Spesso lungo il canale conduttore, dopo la prima scarica, si può avere un'altra scarica guida verso il basso, che innesca un secondo fulmine. Questo può verificarsi più volte in uno o due secondi, causando l'effetto tremolante nella luce del lampo.

Formazione delle cariche.
L'ipotesi più accreditata per spiegare la formazione di cariche nelle nuvole temporalesche è che i moti convettivi all’interno delle nuvole spostano verso l'alto l'aria umida e verso il basso quella fredda; d'altro canto la temperatura, più bassa negli strati più alti dell'atmosfera, fa congelare le gocce d'acqua. Si creano così dei flussi convettivi che portano in alto gocce d’acqua e verso il basso particelle di ghiaccio. Questo origina uno sfregamento continuo di acqua e ghiaccio, permettendone il caricamento elettrostatico.
Le particelle cariche tenderanno a disporsi secondo uno schema bi o tri polare, con le cariche negative nella parte bassa della nube e quelle positive nella parte alta.
Il cumulonembo assume cosi l’aspetto di un grosso dipolo, essendo le regioni cariche di qualche km di diametro. Alcune sacche minori di cariche positive si possono trovare nella zona inferiore della nube.
Tra queste regioni di carica opposta possono crearsi vari tipi di scarica, appunto i fulmini.

Tipi di scarica.
Immaginando un temporale come formato da più cumulonembi contenenti regioni di carica diverse, si può dedurre che i fulmini potranno svilupparsi sia tra le cariche della stessa nube sia tra una nube e l’altra sia infine tra la nube e la terra , che per effetto elettrostatico si carica di segno opposto a quello della parte inferiore della nube. Tipicamente infatti i fulmini sono distinti in Nube-Nube, Intranube e Nube-Suolo.
Il maggior numero di scariche, con rapporto di 9 a 1, si sviluppa tra le nubi o all’interno della nube stessa. Queste scariche possono essere di entità molto diversa, a seconda che rappresentino piccoli cedimenti locali del dielettrico o scariche a grande distanza tra regioni di forte carica opposta.
La caratteristica più immediata per i fulmini nube-suolo è la propagazione dalla nube verso terra (fulmine discendente) o dalla terra verso la nube (fulmine ascendente).
La percentuale degli ascendenti è legata alla posizione geografica, ed alla presenza di punte sul territorio. Infine, se si considera il verso della corrente, i fulmini sono classificati in positivi e negativi.
I fulmini nube-suolo, per quanto meno frequenti , sono i più pericolosi per le attività umane nonché i meglio conosciuti; di questi sono state studiate in laboratorio e con esperimenti all’aperto tutte le principali caratteristiche.
Si possono fare diverse classificazioni a seconda di come avviene la scarica elettrica, a seconda della carica e direzione della scarica pilota, oppure a secondo del loro aspetto.
Nel primo caso si hanno:
Scariche tra nube e terra, sono i veri e propri fulmini e sono i più pericolosi perché possono ovviamente colpire l'uomo e causare i maggiori danni. Non sono i più comuni ed il loro meccanismo è stato visto in precedenza.
Scariche interne alle nubi, il meccanismo è simile a quello precedente e provocano quasi unicamente lampi. Sono il tipo più comune.
Scariche aeree, si producono fra due diverse nubi.
Nel secondo caso si hanno:
Fulmini negativi discendenti, la scarica pilota ha carica negativa e parte dall'alto.
Fulmini positivi discendenti, la scarica pilota ha carica positiva e parte dall'alto.
Fulmini negativi ascendenti, la scarica pilota ha carica negativa e parte dal basso.
Fulmini positivi ascendenti, la scarica pilota ha carica positiva e parte dal basso.
Infine, a seconda del loro aspetto e delle loro caratteristiche, i meteorologi distinguono diversi tipi di fulmini, quelli pi ù noti sono i seguenti.
Fulmini a razzo; sono una varietà di fulmine a linea in cui la scarica procedono tanto lentamente da creare l'impressione di un razzo che voli nel cielo (molto raro);
Fulmini globulari; sono i più misteriosi essendo stati osservati sporadicamente ed essendo ancora sconosciute le cause fisiche. Essi si presentano come delle sfere luminose di vario diametro (da 2 cm ai 10 m) e colorate di rosso, arancione, giallo, bianco, e altri colori ancora. La loro durata può essere di diversi minuti. Possono essere statici o in rapido movimento a zig-zag, riuscendo persino a passare attraverso pareti, porte, finestre chiuse senza danneggiarle.
Fulmini a perla (o a collana), che appare suddiviso in segmenti ad intervalli più o meno regolari;
Fulmini superficiali; hanno l'aspetto di lingue di fuoco uscenti dall'orizzonte e sono prodotti da scariche elettriche non direttamente visibili dall'osservatore anche se può udirne il tuono. Possono verificarsi dentro una nube o dietro nubi più vicine, rendendole visibili anche a grandissima distanza. Quando il tuono non è più udibile (oltre i 15 Km) si parla di lampi di calore.
Fuochi di S. Elmo, sono scariche elettriche più o meno continue, di piccola o moderata intensità. Tali scariche provengono da oggetti elevati sulla superficie terrestre (parafulmini, alberi di nave, pennoni, etc) o da aeroplani in volo (eliche, estremità delle ali, etc).

Caratteristiche.
Tra tutti i tipi di fulmini i più conosciuti sono quelli del tipo nube-suolo e proprio di questi ci occuperemo.
Ogni fulmine nube-suolo è in realtà formato da più componenti, che nell’insieme prendono il nome di fulmine. Il fulmine nel suo complesso ha una durata media di 0.2 sec., mentre le singole componenti hanno durata di decine di millisecondi e vengono chiamate colpi. Di solito per ogni fulmine ci sono due o tre colpi, intervallati da pause. Se si osserva ad occhio nudo un fulmine può capitare di vedere l’immagine intermittente; questo significa che si stanno percependo i vari colpi.
Il fulmine inizia a propagarsi quando si crea un canale di carica ancora molto debole e leggermente visibile, che incomincia a svilupparsi verso terra. Questo canale procede per passi successivi, ciascuno dei quali è lungo circa 50 m, con pause di circa 50 msec. Questo canale è chiamato "stepped-leader". Quando lo stepped-leader tocca terra o incontra un canale analogo ascendente, il circuito nube-suolo viene chiuso e si ha passaggio di corrente. La corrente illumina il canale ionizzato fin qui rimasto oscuro generando così la classica striscia luminosa; questa fase è chiamata "return stroke" (colpo di ritorno). La velocità del colpo di ritorno è circa 1/3 della velocità della luce. Durante il passaggio di corrente si ha un brusco cambiamento di temperatura e di densità nel canale ionizzato lasciato dallo stepped-leader. Questo brusco cambiamento origina un’onda di pressione che si propaga e che viene percepita come tuono. Il canale di carica ionizzato ha un diametro di qualche centimetro, mentre la temperatura raggiunge i 30.000 K.
A questo punto il fulmine può esaurirsi, oppure dell’altra carica può passare nel canale preesistente, discendendo verso la terra in un secondo processo oscuro, chiamato dart-leader, depositando altra carica lungo il canale; di nuovo al raggiungimento della terra si avrà passaggio di corrente con un secondo illuminamento, e così via per due o più dart-leader. Solitamente questo processo è più veloce dello stepped-leader e di solito non presenta rami secondari, come invece capita spesso al primo colpo.
La carica totale depositata da un fulmine si aggira sui 5-10 Coulomb.
Un fenomeno spesso concomitante alla discesa dello stepped-leader o alla presenza di una nube temporalesca, è la formazione di canali di carica ionizzata di segno opposto alla parte inferiore della nube, che si propagano verso essa o verso il canale discendente partendo da terra (tipicamente da punte o strutture isolate). Questi canali, chiamati "upward leader" ( canali ascendenti), possono incontrare effettivamente il canale discendente, aiutandolo così a chiudere il percorso, o possono morire dopo poco senza aver originato il fulmine. Caso estremo è quello in cui il canale ascendente è così forte che riesce a raggiungere la nube prima di incontrare un canale discendente. Questo da origine ad un fulmine ascendente.

Parametri principali.
I parametri principali che identificano un singolo colpo di fulmine sono sicuramente:
- l’intensità di corrente
- la polarità
- il tempo di salita alla cresta di corrente
- il tempo di decadimento all’emivalore, ovverosia quanto in fretta la corrente si propaga nel canale
La distribuzione di corrente per fulmini negativi è nota da numerosi esperimenti, e il valor medio di corrente è di 30 kA, con un intervallo che va dai 2 kA ai 200 kA.
Il tempo di salita della corrente per il primo colpo di ritorno è di qualche microsecondo, mentre è meno di un microsecondo per i colpi successivi.
Il tempo all’emivalore per il primo colpo è di circa 50-100 microsecondi.
In generale i colpi positivi presentano tempi più lunghi.

Il tuono.
Lungo lo stretto canale percorso dal fulmine, l'aria si riscalda, quasi istantaneamente, fino a 15.000 °C, determinando un'espansione esplosiva che ad una certa distanza si manifesta con un fragore noto come tuono. Se un fulmine cade ad una distanza relativamente breve, il tuono viene avvertito come un colpo secco; se cade lontano, il lampo è seguito da un rombo sordo e prolungato in quanto le onde sonore vengono rifratte dall'atmosfera e fatte rimbalzare da colline, montagne e altre conformazioni del terreno.
Come si è già detto, la luce del lampo viene percepita istantaneamente, mentre il tuono viene udito dopo un intervallo di tempo più o meno lungo a secondo della distanza del fulmine. Tale distanza è pari a 340 metri moltiplicati per il suddetto intervallo in secondi.

Interferenze elettromagnetiche.
Essendo un fenomeno naturale di origine elettrica, il fulmine genera un forte impulso elettromagnetico che provoca interferenze nella ricezione di segnali radio (specialmente con modulazione in ampiezza), fino a frequenze di diversi MHz.

Studi sui fulmini.
La storia della fisica del fulmine è iniziata verso la meta' del 1700 con i primi esperimenti di Benjamin Franklin e il suo "CERVO VOLANTE ELETTRICO", ed è proseguita fino a noi.
Si sono escogitati vari metodi per studiare il fenomeno del fulmine e molti esperimenti sono stati compiuti sia con fulmini naturali sia con fulmini ricreati in laboratorio o in atmosfera. Gli esperimenti in laboratorio permettono di riprodurre scariche simili al fulmine con parametri controllati per verificarne il comportamento. Gli esperimenti sui fulmini naturali invece si basano sull’utilizzo di torri alte o punte isolate, che sono particolarmente esposte ai fulmini, attrezzate con strumenti di misura, oppure sull’uso di linee elettriche aeree che fungono da antenna e che consentono di misurare in modo indiretto la presenza dei fulmini. Un ulteriore tipo di esperimento in atmosfera utilizza dei razzi lanciati verso le nubi che innescano la scarica di fulmine, guidandola a terra verso gli strumenti di misura.
Un nuovo tipo di studio è iniziato con la creazione dei primi rilevatori di fulmini. Numerose valutazioni, soprattutto sulla densità dei fulmini al suolo e sulle diversità cerauniche tra le varie regioni della terra, sono state possibili grazie ai primi tipi di sensori, che consentivano di captare la presenza del fulmine entro un raggio di qualche decina di chilometri. I modelli più noti sono il CIGRE – 10KHZ e il CIGRE 500 Hz.
Una nuova generazione di sensori è stata sviluppata in America negli anni '80, consentendo di misurare non solo la presenza del fulmine ma anche il punto di impatto e le caratteristiche elettriche. Tali sensori si basano sulla registrazione ad ampio spettro del campo elettromagnetico e su triangolazioni goniometriche, utilizzando le tecniche del Time of Arrival (Tempo di Arrivo) e del Detection Finder (Misura del Campo).
Una terza tipologia di sensori si basa sull’ analisi interferometrica del campo prodotto dal fulmine; anche in questo caso è possibile misurare sia la posizione di impatto che le caratteristiche elettriche del fulmine.
Un tipo differente di misura è possibile analizzando uno spettro in frequenza tipico dei fenomeni elettrici lontani e studiando quindi i fulmini che avvengono a grandi distanze. Questo tipo di misura non consente di dare dettagli significativi e di avere un’alta efficienza nel conteggio dei fulmini, ma permette di localizzare i temporali con grande anticipo, cioè quando questi sono ancora a grande distanza dall'area di interesse. Leader in questo settore è sicuramente il Centro di Bracknell in Gran Bretagna.
La recente tecnologia spaziale ha permesso inoltre l'invio nello spazio di rilevatori satellitari.

I rilevatori di fulmini.
Le nuvole sono i più grandi generatori elettrostatici esistenti in natura. In genere, la parte superiore della nuvola è carica positivamente ed è negativa quella inferiore. In condizioni di temporale, l’aria è ionizzata e il valore del campo elettrico al suolo sale a 0,3-0,4 kV/cm.
I fulmini sono rilevati a terra grazie a strumenti sensibili al campo elettromagnetico prodotto dalla corrente del fulmine.
Il fulminometro aiuta a prevedere l’avvicinarsi di un temporale tramite una serie di sensori a terra in grado di localizzare le scariche elettriche.
I sensori sono antenne elettromagnetiche che localizzano e rilevano sia l’attività elettrica all’interno della nube (intra-cloud) sia le scariche elettriche che si sviluppano dalle nubi al suolo (cloud-to-ground).
Le stazioni di rilevamento dell’attività elettrica sono costituite da sensori ad altissima frequenza VHF (Very High Frequency, 110 - 118 MHz) che funzionano sul principio dell’interferometro.
La tecnica interferometrica si basa sulla misura delle differenze di fase di onde elettromagnetiche ricevute da un sistema di varie antenne. Tali differenze di fase dipendono principalmente dalla direzione di provenienza dell’onda. In questo modo si riesce a determinare la direzione di provenienza delle scariche elettriche.
Questa tecnica ha il vantaggio di essere indipendente dalla forma dell’onda del segnale perché l’unica grandezza misurata è la fase della radiazione elettromagnetica ricevuta.
Questi tipi di sensori sono quasi sempre affiancati da altri a bassa frequenza LF (Low Frequency, 300 Hz - 3 MHz), che localizzano e rilevano le scariche a terra.

Bersagli di un fulmine.
Un fulmine segue generalmente il percorso di minor resistenza elettrica tra la nuvola e il suolo, che non corrisponde tuttavia al percorso più breve dal punto di vista geometrico. Ogni cosa che si sopraeleva sul suolo, come alberi, camini, edifici alti, cime di monti e persino un individuo a piedi, accorciano quindi il percorso e possono diventare il bersaglio del fulmine: più l'oggetto è alto, più è vulnerabile.
La scarica elettrica di un fulmine può anche trasmettersi attraverso corpi conduttori di elettricità, come tubi metallici, fili spinati, mazze da golf, grondaie e corsi d'acqua.
Secondo un'antica credenza, un fulmine non può colpire due volte lo stesso punto; l'esperienza insegna che ciò non è vero, ad esempio, nel corso di un anno, l'Empire State Building è stato colpito 48 volte, e la cima di una montagna svizzera ben 100 volte!

Effetti e danni provocati.
La caduta di un fulmine può provocare sulle strutture colpite diversi effetti e precisamente:
Termici. L'energia sviluppata da un fulmine ha la capacità di fondere materiali metallici, provocare l'incendio di materiali combustibili o infiammabili, etc. L'altissima temperatura può sgretolare un albero, facendo evaporare la linfa e, a volte, riesce a fondere la sabbia, trasformandola in schegge di vetro.
Meccanici. Le forti correnti elettriche indotte nelle strutture metalliche colpite causano forze attrattive, di natura elettrodinamica, tali da produrre deformazioni o rotture. Nel caso di linee elettriche, le forze attrattive possono produrre schiacciamento di cavi o contatti fra conduttori con conseguenti cortocircuiti.
Chimici. Le forti scariche causano la formazione di ozono e di composti nitrici dovuti all'ossidazione dell'azoto. In quest'ultimo caso è come se nel suolo fossero iniettate gigantesche quantità di materie azotate.
Elettromagnetici. Le scariche sono accompagnate da forti emissioni di onde elettromagnetiche che producono disturbi nelle trasmissioni radio, in particolare nel campo delle onde lunghe e medie. Le sovratensioni indotte nelle linee elettriche e telefoniche possono causare danneggiamenti nelle apparecchiature collegate, in particolare di quelle elettroniche.
Gli effetti su una persona colpita da un fulmine sono generalmente letali, a causa dell'arresto cardiaco e respiratorio, come in qualsiasi altro caso di folgorazione. Nei casi più gravi si possono avere carbonizzazione dei tessuti dove la corrente entra ed esce dal corpo. Tuttavia sono molti i casi di persone rimaste indenni o salvate in seguito ad un pronto intervento mediante massaggio cardiaco e respirazione bocca a bocca.

Danni da fulmine.
I fulmini sono studiati in tutto il mondo, oltre che per il loro fascino scientifico, anche per i notevoli danni che apportano in vari settori. Gli effetti del fulmine sulle strutture si possono dividere in effetti elettrici ed effetti meccanici, a seconda che influisca prevalentemente l’aspetto di induzione o di impatto sulla struttura.
Il fulmine può creare molti problemi all’esercizio delle reti elettriche di alta media e bassa tensione, in quanto le linee aeree sono solitamente delle strutture alte ed isolate. Questo fa si che il fulmine possa facilmente decidere di colpire direttamente uno dei pali od uno dei conduttori, creando rotture meccaniche o rotture degli isolatori. D'altro canto, anche se non colpisce direttamente la linea, il fulmine crea una sovratensione indotta sui conduttori che, soprattutto in media tensione può dare scarica dell’isolamento o intervento delle protezioni con momentanei disservizi.
D’altro canto tutti gli apparecchi elettronici risentono di eventuali sbalzi di tensione, e quindi sono facilmente danneggiabili se un fulmine cade nelle vicinanze, sia per induzione diretta che per sovratensione propagata.
A rischio di impatto diretto sono anche tutte le torri televisive, i ripetitori e le antenne telefoniche, che devono quindi premunirsi in modo opportuno.
I fulmini creano inoltre numerosi danni agli edifici, sia per impatto diretto che per induzione e di conseguenza la protezione degli edifici dal fulmine deve sempre essere effettuata, secondo la Normativa vigente.
Infine corrono pericoli da fulmine anche i satelliti e le missioni spaziali in fase di lancio.
A quelli che possiamo definire danni ad apparati e costruzioni si aggiungono i danni biologici alle persone, che possono essere molto gravi o addirittura letali. Per evitare questo genere di incidenti esistono delle regole di comportamento da rispettare e diffondere.

PROTEZIONE DAI FULMINI.
Le principali informazioni sono riportate qui senza alcuna pretesa di completezza, ma solo con l'unico scopo di sottolineare la gravità del pericolo che il fulmine può rappresentare.
Si suggerisce, a chi volesse maggiori informazioni o a chi avesse subito danni da fulminazione, di contattare il proprio medico di fiducia o un centro medico specializzato.
Il corpo umano può essere soggetto a fulminazione diretta, sia principale che secondaria, o a fulminazione indiretta per corrente di ritorno nel terreno.
Gli effetti della fulminazione diretta sono ovviamente i più gravi, e possono portare, a volte, fino alla morte.
Sono stati effettuati molti studi, sia su cavie che sugli incidenti occorsi a persone.
Ecco alcuni esempio di danni derivanti da fulmine:
Una corrente che passa attraverso i centri nervoso-respiratori da, solitamente, luogo ad un arresto respiratorio, con conseguente asfissia e, se non trattato immediatamente, a morte cerebrale.
Una corrente che passa attraverso il cuore può produrre fibrillazione ventricolare o arresto cardiaco.
Anche in questo caso se non si interviene tempestivamente si ha la morte.
Danni minori dovuti al passaggio di corrente nel corpo umano sono:
- perdita di conoscenza
- amnesia
- paralisi
- bruciature
La perdita di conoscenza può durare da qualche minuto a qualche ora e si possono avere perdite di conoscenza anche successive.
La perdita di memoria solitamente non dura più di qualche ora.
Le bruciature di solito si trovano in concomitanza del punto d’entrata e di uscita del fulmine, oltre che in corrispondenza di oggetti metallici come catenine, chiavi o borchie dei vestiti e delle scarpe. Gli oggetti metallici infatti si fondono al passaggio di corrente sprigionando notevole calore. L’intenso calore in vicinanza della testa può causare anche danni cerebrali.
La luce intensa del fulmine può provocare danni alla vista e l’onda di pressione elevata può creare danni all’udito.

Regole di comportamento.
Per evitare possibili incidenti, in caso di temporale bisogna sempre ricordarsi alcune semplici nozioni, che aiuteranno a decidere come meglio comportarsi:
Ogni oggetto con un’elevazione predominante rispetto all’area circostante ha una maggior probabilità di essere colpito dal fulmine (un albero, una torre, un traliccio).
La corrente del fulmine dopo aver colpito il suo bersaglio si disperde nel terreno, quindi se si è in vicinanza della struttura colpita e si è a contatto col suolo si può venire in contatto con la corrente di dispersione e subire dei danni.
Il fulmine può raggiungere anche l’interno degli edifici se questi sono collegati a strutture esterne (come l’antenna televisiva), percorrendo i cavi elettrici o altre strutture metalliche.
Un luogo chiuso, soprattutto se metallico, come le automobili, o in cemento armato, come le case, è una "gabbia" sicura, purché non ci siano possibilità di condurre il fulmine dall’esterno all’interno (vedi punto precedente).

In casa.
In una casa esistono dei conduttori che possono portare la corrente di fulmine dall'esterno all'interno, principalmente l'antenna televisiva, i cavi telefonici, l'impianto elettrico e quello idraulico.
Tenendo ben presente questo, in caso di temporale si dovrà quindi: Spegnere il televisore, staccare la spina e l'antenna.
- Evitare di venire a contatto con rubinetti o tubi dell'acqua ed evitare di fare la doccia o il bagno
- Non utilizzare apparecchi elettrici come il phon o il ferro da stiro e soprattutto eseguire riparazioni elettriche a contatto e/o direttamente sull'impianto
- Non utilizzare il telefono se non in caso di urgenza

In automobile.
L’automobile in caso di temporale può essere considerata un buon rifugio. Essa infatti è una gabbia metallica, che condurrà a terra la corrente tramite le gomme bagnate. Inoltre la poca distanza dalla macchina a terra è sufficiente ad innescare un arco elettrico, ricreando una messa a terra sicura.
Tuttavia, per ripararsi nell’auto ricordarsi di:
- Chiudere finestrini e porte o portelli
- Non toccare parti metalliche o l’autoradio
In caso la macchina non sia metallica essa non deve essere considerata in ogni caso sicura.

In montagna.
La montagna, essendo ad elevate altitudini, è un luogo molto esposto ai fulmini. In aggiunta alcuni percorsi di montagna sono attrezzati con funi o scale metalliche che possono "attirare" il fulmine.
Quindi, prima di fare una gita, informarsi sempre sulle condizioni meteorologiche.
Se si è sorpresi da un temporale già sul percorso, cercare di scendere di quota o di trovare un rifugio chiuso (non sotto alberi o punte!).
Se si rimane all’aperto restare in un luogo lontano da punte o alberi e assumere una posizione accucciata.
Evitare assolutamente le parti "ferrate" del percorso.

Al mare.
Ricordiamo in questo caso che l’acqua è un buon conduttore, quindi nel caso che il fulmine colpisca la superficie dell’acqua, la corrente si disperderà attraverso l’acqua, investendo eventuali bagnanti. Inoltre la spiaggia è un luogo aperto e piano, in cui anche un uomo in piedi può fungere da “punta”. Quindi:
- Non rimanere in acqua durante un temporale
- Se possibile non rimanere in spiaggia ma ripararsi in un luogo chiuso, oppure rimanere seduti o accucciati

Nel parco.
Se ci troviamo in un parco dobbiamo:
- Allontanarci dagli alberi il più possibile
- Trovare riparo in un luogo chiuso
Se non si può trovare riparo, restare accucciati in un area lontana da punte.
Se si è in bicicletta scendere di sella e allontanarsi dalla bici (se metallica).

In campeggio.
Valgono come sempre le regole di restare lontani da condutture e impianti elettrici. Inoltre:
- Restare in un luogo chiuso come la roulotte che funge da gabbia come l’automobile
- Uscire dalla tenda e trovare un rifugio chiuso
- Se si deve restare in tenda accucciarsi e restare distanti dai pali metallici
- Evitare giochi con aquiloni o simili
- Evitare di pescare con canna da pesca

In barca.
Ricordarsi che un temporale in barca può essere pericoloso, non solo per la navigazione, ma anche per i fulmini e quindi seguire queste poche e semplici regole:
- Se si è in vicinanza di un porto andare all’ormeggio
- Se la costa ha pareti elevate ed è possibile, meglio navigare sottocosta
- Se siete in barca a vela l’albero è esposto ai fulmini quindi sistematevi lontano dallo stesso e lontano da elementi metallici. Il timoniere purtroppo non può
- Se è tecnicamente possibile si può buttare l’ancora facendola passare attorno all’albero. L’eventuale corrente si scaricherà attraverso l’ancora in mare
- Se il temporale non si allontana, riprendere la navigazione e cercare di portarsi velocemente in un’altra zona, potrebbe infatti essere un temporale circoscritto
In una barca a vela sarebbe necessario che tutte le strutture metalliche fossero ben connesse fra loro e con il bulbo, mediante cavi elettrici, in modo che il fulmine abbia sempre un percorso verso l’acqua.

Fonte: http://www.tuglie.com/tugliemeteo/briciole_di_meteorologia.doc

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