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Le nuvole |
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Conseguenze dei fulmini |
3 - Le nuvole
Le nuvole si formano per evaporazione delle molecole d'acqua dalla superficie terrestre. Il vapor d'acqua, che è più leggero dell'aria, viene portato in alto dalle correnti convettive. Poiché la temperatura diminuisce allontanandosi dalla superficie terrestre, ad una certa quota il vapore d'acqua condensa. Se le goccioline d'acqua hanno un peso sufficiente si riversano sulla terra sotto forma di pioggia.
Spesso però le correnti convettive mantengono in sospensione le goccioline che, continuando a raffreddarsi, possono diventare cristalli di ghiaccio.
Nelle nuvole possono crearsi regioni con accumulazione di carica positiva e altre con accumulazioni di carica negativa. Questo fenomeno è alla base della formazione dei fulmini.
Ci sono diverse teorie per spiegare il motivo per cui le regioni di una nuvola temporalesca acquistano carica elettrica (positiva alla sua sommità, negativa alla base). Riportiamo di seguito due delle teorie più accreditate:
La teoria convettiva
Secondo questa teoria gli ioni liberi presenti nell'atmosfera vengono catturati dalle goccioline d'acqua che assumono la carica e, trasportate dalle correnti convettive, determinano le concentrazioni di carica.
La teoria gravitazionale
All'interno della nuvola le particelle che la risalgono e quelle che la discendono si urtano in continuazione. In questo modo le particelle più grandi strappano alle particelle più piccole una variabile quantità di elettroni.
Si crea così, all'interno della nuvola, una differenza di potenziale in quanto le particelle caricate positivamente risalgono la nuvola, mentre quelle caricate negativamente la discendono.
Una possibile spiegazione di questo fenomeno si può dare considerando le proprietà termoelettriche dell'acqua.
2 atomi di Idrogeno e un atomo di Ossigeno sono fortemente legati fra di loro a formare la molecola d'acqua; le molecole d'acqua sono poi debolmente attratte tra loro; chimicamente alcune di queste molecole si dissociano perdendo un atomo di idrogeno, mentre altre acquistano un atomo di idrogeno. Questo fenomeno è chiamato autoprotolisi dell'acqua, cioè la spontanea formazione di ioni (OH3)+ e (OH)-.
La quantità di ioni (OH3)+ e (OH)- non è casuale ma regolata dalla seguente regola: il prodotto delle due concentrazioni è costante. In chimica l'unità di misura della concentrazione di ioni (OH3)+ è il PH: al diminuire della concentrazione di ioni (OH3)+ cresce il valore del PH.
Alla temperatura di 25 gradi centigradi il PH dell'acqua è uguale 7,00, ma al diminuire della temperatura il valore cresce (Alla temperatura di 0 gradi centigradi il PH è uguale a 7,47).
Spesso all'interno delle nuvole la temperatura scende al di sotto di zero gradi centigradi e le particelle di ghiaccio che si formano hanno un difetto di ioni (OH3)+ maggiore al diminuire della temperatura. Quando delle particelle di ghiaccio calde e fredde entrano in contatto, le particelle più fredde (cristalli di ghiaccio) si caricano di segno più, mentre le più calde (grandine, nevischio) di segno meno.
Entrambe le teorie non spiegano soddisfacentemente il fenomeno. La teoria gravitazionale è la più quotata ma non spiega, ad esempio, i fulmini osservati nelle nuvole con assenza di ghiaccio.
Probabilmente il meccanismo reale si spiega con una combinazione delle due teorie.
Quel che è certo è la distribuzione delle cariche nelle nuvole: è stato dimostrato teoricamente e provato con indagini sperimentali che nella parte più bassa della nuvola si accumulano le cariche negative con un piccolo nucleo nel quale si addensano invece le cariche positive. La zona centrale della nuvola è ancora carica negativamente, mentre la parte superiore è tutta positiva.
Le nuvole che più facilmente danno luogo ai fulmini sono i cumuli ed i cumulo-nembi. Le nuvole generalmente osservabili si estendono dai 500-1000 metri di quota ai 9-10 Km con una base sensibilmente piana occupante un'area dai 5 ai 30 Km quadrati.
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La distribuzione delle cariche così come è stata descritta sopra è la più frequente in base alle indagini statistiche effettuate. Tuttavia non mancano casi con diversa disposizione o addirittura casi con una disposizione delle cariche contraria, cioè con le cariche negative concentrate nella parte più alta. Da accertamenti eseguiti, il numero di questi casi supera di poco il 10% del totale. Le conseguenze pratiche di ciò sono, del resto, assolutamente trascurabili.
Una nuvola si può pertanto considerare come un unico grande generatore di cariche elettrostatiche oppure come un insieme di numerosi generatori più piccoli detti celle.
Da misurazioni effettuate si può affermare che la vita media di una cella generatrice è di circa un'ora, mentre il massimo delle cariche elettrostatiche viene formato in circa 15-20 minuti, tempo entro il quale, se la carica è sufficiente, si manifesta il fulmine.
