Questo sito contribuisce alla audience di

Teorie ed esperimenti sui fulmini globulari

Quali sono le spiegazioni scientifiche a questi strani fenomeni? Esiste la possibilità di riprodurre in laboratorio fulmini globulari?

Cenni su teorie ed esperimenti sui Fulmini Globulari

Giunti a questo punto dovrebbe essere chiaro che i Fulmini
Globulari non sono un fenomeno fisico molto semplice da interpretare. Prova ne è il fatto
che, nel corso degli anni, sono state formulate più di 150 teorie diverse sulla loro
natura fisica. Purtroppo nessuna può essere considerata come la “teoria
definitiva”. A questo punto però sorge spontanea una domanda: visto che le
osservazioni sui BL sono interamente dovute ai testimoni occasionali i dati raccolti sono
qualitativi piuttosto che quantitativi, come è possibile costruire una teoria in queste
condizioni?

A questo proposito M.A.Uman (Uman, 1968) ha messo a punto una
serie di criteri che un modello di BL dovrebbe usare come guida per poter essere ritenuto
un “buon modello”. I criteri di Uman sono di tipo qualitativo. Ecco cosa deve
“spiegare” un modello per i BL:

1- I BL hanno luminosità, dimensioni e forma costante per tempi
di diversi secondi

2- I BL mostrano una considerevole mobilità

3- I BL non tendono a salire verso l’alto

4- I BL possono entrare in case ed altre strutture e possono
esistere all’interno

5- I BL possono esistere all’interno di strutture metalliche
chiuse

I criteri di Uman tendono a fare scartare le teorie più
semplici. Il punto 1 è contro i modelli in cui l’energia emessa dai BL è di tipo
termico, come un corpo che si raffreddi. Il punto 2 elimina l’effetto corona (più noto
come fuoco di St.Elmo) la cui scarica resta attaccata ai conduttori. Il punto 3 è
un’altra evidenza contro i BL puramente termici. Il punto 4 ma specialmente il 5 è
contrario ai modelli in cui la sorgente di energia dei BL è esterna, come possono essere
correnti elettriche o onde elettromagnetiche. Seguiti alla lettera i criteri di Uman
favoriscono i modelli di BL in cui è presente una sorgente di energia interna.

Comunque sia, in modo molto schematico, le teorie sui BL si
dividono in due grandi filoni: quelle che presuppongono che la sorgente di energia sia
esterna al BL e quelle che collocano la sorgente di energia all’interno del BL stesso.
Ognuna ha pregi e difetti. Vediamo brevemente due teorie rappresentative di entrambi i
tipi.

Teoria elettromagnetica: P.L.Kapitza, 1955

Kapitza assunse che la lunga vita dei BL fosse dovuta alla
presenza di una fonte di energia esterna e suggerì che potesse trattarsi di onde
elettromagnetiche stazionarie fra nubi e suolo originate dai temporali. Supponiamo che
questo sistema di onde esista e vediamo cosa può succedere. Le regioni dove le onde hanno
un minimo di intensità (interferenza distruttiva) sono dette nodi, mentre quelle dove
l’intensità è massima (interferenza costruttiva) sono dette antinodi. Negli antinodi
l’onda elettromagnetica può essere così intensa da separare gli elettroni dagli atomi e
molecole dell’atmosfera, producendo una piccola regione ionizzata (plasma). Un plasma può
assorbire onde elettromagnetiche di frequenza opportuna aumentando l’energia cinetica
delle cariche e provocando ulteriore ionizzazione dell’aria. Da questo processo a cascata
nasce il BL che emette radiazione grazie al processo di ricombinazione ioni-elettroni. Il
BL continua ad esistere fino a quando persiste il sistema di onde stazionarie che lo
rifornisce di energia dall’esterno. In questa teoria il diametro del BL è pari a 0.275·l
(Singer, 1963), dove l è la lunghezza d’onda della radiazione che alimenta il BL. Lavori
successivi a quello di Kapitza hanno mostrato che il BL si forma negli antinodi per poi
migrare in prossimità dei nodi dove tende a rimanere. Il moto erratico dei BL in questa
teoria è dovuto alla variazione della configurazione del sistema di onde stazionarie, la
capacità dei BL di passare dove esistono porte, finestre e caminetti è dovuto al fatto
che questi costituirebbero delle “guide d’onda” per la radiazione. Il problema
di questa teoria è che per formare BL di circa 30 cm di diametro l deve essere circa 1 m,
quindi con una frequenza n ~ 300 Mhz (UHF). Purtroppo durante i temporali non viene
prodotta radiazione di questa frequenza. Infatti le bande di comunicazione attorno a
questa frequenza sono usate dagli aerei e non registrano disturbi di rilievo durante i
temporali.

Tuttavia, recentemente, sono stati rilevati dei brevi impulsi
radio molto intensi, originati da fulmini di eccezionale potenza, e della frequenza più o
meno giusta (25-100 Mhz) per dare luogo ai BL secondo il meccanismo di Kapitza. Durante il
ricevimento degli impulsi è stato rivelato anche il segnale riflesso dal suolo,
condizione indispensabile per dare luogo al sistema di onde stazionarie.

Comunque sia esperimenti di laboratorio hanno dimostrato
inequivocabilmente che sistemi di microonde stazionarie possono dare luogo a “sfere
luminescenti” (Ofuruton & Ohtsuki, 1991).

Teoria dell’aerogel: B.M.Smirnov, 1977, 1987, 1993

Smirnov suppone che in una data regione dell’atmosfera fra nube e
suolo fluisca una corrente elettrica generata da un campo elettrico esterno. L’aria può
essere ionizzata e le cariche elettriche separate. Se nel plasma unipolare così formato
si trovano delle particelle di aerosol atmosferico (in genere molto abbondanti in
prossimità del suolo) le cariche possono venire catturate dalle particelle che possono
disporsi a formare un “cluster frattale” molto poroso noto come
“aerogel” . Le dimensioni delle particelle che formano l’aerogel sono
dell’ordine di 1÷10 nm e visto che il BL cresce in un plasma unipolare sarà dotato di
una carica elettrica. Pur essendo porosa la struttura è rigida e le reazioni chimiche
all’interno del BL hanno luogo ad una velocità minore rispetto ad una sfera di plasma
puro. Si spiega così la vita media relativamente lunga dei BL anche in assenza di
alimentazione dall’esterno. Notare che la presenza dell’aerogel condiziona solo il modo in
cui l’energia viene distribuita all’interno del BL, niente impedisce che il BL possa
essere alimentato sia da un campo esterno che da una corrente elettrica (Smirnov, 1993a).

I BL “creati” in laboratorio

Durante i 160 anni di studio sui BL sono stati numerosi i
tentativi di riprodurli in laboratorio. Lo scopo degli esperimenti è quello di verificare
e dimostrare le ipotesi sulla natura dei BL. Alcuni degli esperimenti hanno avuto successo
nel riprodurre “BL-like” del diametro di qualche cm. Ovvio che bisogna
accontentarsi di lavorare su queste dimensioni ridotte: BL di dieci metri di diametro
sarebbero difficili da riprodurre nei normali laboratori di fisica senza correre dei seri
rischi per l’incolumità personale. Usiamo il termine “BL-like” perché non è
ben chiaro se i BL prodotti in laboratorio siano identici a quelli che si trovano in
natura, in particolare non vengono riprodotte tutte le caratteristiche dei criteri di
Uman. La prima sperimentazione sistematica sui BL fu fatta da Tesla alla fine del
diciannovesimo secolo, altri esperimenti furono condotti da Babat nel 1942. Tuttavia il
primo a produrre BL-like a pressione atmosferica in laboratorio fu Kapitza negli anni ‘60.
Kapitza utilizzò un campo di microonde stazionario come sorgente di energia esterna per
poter verificare la propria teoria sui BL che abbiamo già avuto modo di esporre. Negli
anni ‘70 Andrianov e Sinitzyn proposero che i BL nascessero dal materiale fatto evaporare
dai fulmini che colpiscono il suolo e condussero esperimenti in tal senso, riuscendo però
a creare sfere di plasma dalla vita troppo breve. Gli esperimenti più interessanti sono
dovuti a Barry che li condusse negli anni ‘70. Barry riuscì a riprodurre BL-like
applicando una tensione elevata a due elettrodi formati da due fili e posti in
un’atmosfera standard con piccole percentuali di idrocarburi. In questo modo riuscì ad
ottenere BL-like di qualche cm di diametro, vita media di qualche secondo e moto casuale.
Attualmente gli esperimenti di Barry sono stati ripresi dai Giapponesi Ofuruton e Ohtsuki
(Ofuruton & Ohtsuki, 1991), che hanno ottenuto BL-like con vita media più lunga
aggiungendo delle fibre di cotone all’interno della miscela. Anche gli esperimenti di
Tesla sono stati ripresi da Corum & Corum nel 1989 e i risultati sono incoraggianti:
sono stati ottenuti BL-like con diametro che va da pochi mm a diversi cm e con vita media
compresa fra 0.5 e diversi secondi. I colori vanno dal bianco al rosso. Come si vede la
strada per capire i BL sia dal punto di vista teorico che sperimentale è ancora lunga,
tuttavia ci sono buone speranze di riuscire a penetrare entro tempi ragionevoli anche i
segreti di queste affascinanti “sfere”.

Bibliografia

Barry J.D., “Ball Lightning and Bead Lightning“,
Plenum Press, New York, 1980.

Fryberger D. “A model for Ball Lightining”,
SLAC-PUB-6473, october 1994.

Ofuruton H., Ohtsuki Y.H., “Plasma Fireballs Formed by
Microwave Interference in Air”, Nature, Vol.350, pp.139-141, march 14, 1991.

Singer S., “The Unsolved Problem of Ball Lightining”,
Nature, Vol.198, pp.745-747, 1963

Smirnov B.M., “Physics of Ball Lightining”, Physics
Reports
, Vol. 224, 1993a, pp.150-236.

Smirnov B.M., “Observational Parameters of Ball
Lightning”, Physica Scripta, Vol.48, 1993b, pp.638-640.

M.A.Uman, Jour. Atmos. and Terr. Phys., Vol.30, pp.1245,
1968

© Copyright Albino Carbognani (1999)

Ultimi interventi

Vedi tutti