Scolari
14th February 2010, 21:50
Il fulmine è un prodotto particolarmente inquietante del cattivo tempo. In USA provoca più morti e feriti di uragani e tornado e colpisce senza alcun preavviso , talvolta addirittura a cielo quasi sereno.
È sbagliato pensare che Benjamin Franklin abbia risolto il mistero una volta per tutte nel 1752 con il suo celebre esperimento dell'aquilone. Per quanto Franklin abbia dimostrato che il fulmine è un fenomeno elettrico, gli scienziati stanno ancora cercando di capire come fanno i temporali a generarne la carica elettrica, e quindi, in definitiva, come si verifica il fulmine.
I fisici hanno ipotizzato che i fulmini abbiano una sorta di miccia extraplanetaria: i raggi cosmici - particelle di alta energia che bombardano la Terra dallo spazio - indurrebbero cascate di elettroni ad alta velocità nell'atmosfera. Recentemente, è stata scoperta una nuova linea di indagine per lo studio dei fulmini: l'esame dei raggi X emessi quando il fulmine sfreccia dalle nubi al suolo. Negli ultimissimì anni, il nostro gruppo ha misurato i raggi X prodotti sia da fulmini naturali sia da lampi innescati artificialmente. A quanto suggeriscono i risultati, il fulmine disegna i suoi frastagliati percorsi conduttivi emettendo raffiche di elettroni ad alta velocità. Ma il modo in cui accelera questi elettroni è estremamente sconcertante.
Più strani delle scentille:
Per alcuni aspetti, i fulmini assomigliano a grosse scintille. Si pensi alle normali scintille che scoccano quando si tocca la maniglia di una porta dopo avere camminato su una moquette.
Muovendosi sulla moquette, le suole delle scarpe asportano elettroni per sfregamento, causando un accumulo di carica elettrica che crea un campo elettrico tra chi cammina e gli altri oggetti presenti nella stanza. Per campi elettrici di piccola entità, l'aria costituisce un buon isolante e la corrente elettrica non può fluire in quantità apprezzabile. Quando il dito sfiora la maniglia, però, il campo elettrico subisce un incremento locale, raggiungendo un valore critico di circa tre milioni di volt per metro: il cosiddetto campo di scarica disruptiva. L'aria diventa allora un conduttore elettrico e la scarica può verificarsi.
L'elettrizzazione che avviene nei temporali ha alcune somiglianze con l'esempio della moquette.
All'interno dei temporali, il ruolo delle scarpe è svolto con ogni probabilità da particelle di ghiaccio e goccioline d'acqua che si spostano verso l'alto e verso il basso all'interno della nube. (L'esatto meccanismo è ancora oggetto di dibattito.) Urtando l'una contro l'altra, queste particelle possono portar via elettroni e quindi caricarsi elettricamente. Le cariche positive e negative vengono quindi separate dalle correnti ascensionali e dalla gravita, dando origine al campo elettrico. Quando tentiamo di spingere più a fondo l'analogia della maniglia, però, incontriamo un grosso problema: decenni di misurazioni effettuate da palloni, aerei e razzi sonda direttamente all'interno delle nubi hanno raramente riscontrato campi superiori a circa 200.000 volt per metro: troppo poco perché l'aria divenga elettricamente conduttiva.
Fino a non molto tempo fa, i ricercatori si erano concentrati su due spiegazioni per risolvere il dilemma. In primo luogo, è possibile che all'interno delle tempeste esistano campi più intensi, ma solo in volumi relativamente piccoli, che li renderebbero difficili da rilevare. Ma per quanto uno scenario del genere non possa essere escluso dalle osservazioni, non è comunque soddisfacente, poiché sostituisce un problema con un altro: come fanno le nubi a produrre campi elettrici così intensi in volumi così ridotti? La seconda spiegazione deriva da esperimenti di laboratorio che mostrano come il campo elettrico necessario a produrre una scarica si riduca significativamente quando nell'aria sono presenti goccioline o particelle di ghiaccio, come nei temporali. Purtroppo, l'aggiunta di pioggia o ghiaccio basta a spiegare solo parte della discrepanza; i campi elettrici presenti nei temporali sembrano ancora troppo deboli per generare una scarica convenzionale.
L'incertezza permane anche sul modo in cui i fulmini riescono a propagarsi attraverso l'aria per molti chilometri. Il processo inizia con la formazione di una scarica guida (leader), un canale caldo che può ionizzare l'aria e trasportare la carica elettrica su lunghe distanze. Fatto interessante, la scarica guida non si propaga fino a terra in modo continuo, ma al contrario la sua traiettoria segue una serie di passi discreti. Come esattamente ciò possa accadere, resta alquanto misterioso. I tentativi di simulare questi processi attraverso modelli computerizzati non hanno avuto pieno successo e questo ha spinto molti ricercatori, me compreso, a chiedersi se non avessimo per caso dimenticato qualcosa di importante. Per esempio, forse considerare il fulmine alla stregua di una scarica completamente convenzionale, come una scintilla verso una maniglia, non è corretto. Esiste infatti un altro tipo di scarica, più insolito: la cosiddetta scarica disruttiva rapida.
In una scarica convenzionale, tutti gì: elettroni si muovono in modo relativamente lento in quanto sono impediti dalli loro costanti collisioni con le molecole del l'aria. Le collisioni creano una resistenza; analoga a quella che si avverte quandi si sporge la mano fuori dal finestrino e un'automobile in corsa: più veloce proce de l'automobile, più intensa è la resistenz aerodinamica, e quando si rallenta la resistenza diminuisce. Ma se le velocità deg elettroni sono abbastanza alte (almeno s milioni di metri al secondo, circa il due p cento della velocità della luce) la resistei za diminuisce all'aumentare della veloci degli elettroni (si veda l'illustrazione a 69). Se un campo elettrico intenso accele un elettrone ad alta velocità, la resistenza diviene minore, il che consente all'elettro di spostarsi ancora più velocemente, riducendo ulteriormente la resistenza, e ci via. Questi elettroni rapidi possono accelerare fin quasi a raggiungere la velocità della luce, acquisendo quantità enormi di energia e producendo appunto una scarica disruptiva rapida.
Perché questo avvenga, tuttavia, occorre una popolazione di elettroni «seme» con alte energìe iniziali. Nel 1925, il fisico scozzese C.T.R. Wilson suggerì per primo che il decadimento degli isotopi radioattivi o le collisioni delle particelle dei raggi cosmici con le molecole dell'aria potrebbero generare elettroni di alta energia che sarebbero accelerati dai campi elettrici presenti all'interno delle nubi temporalesche, II modello di Wilson, però, prevedeva che il decadimento radioattivo e le collisioni dei raggi cosmici producessero un numero di elettroni rapidi troppo esiguo per causare i fulmini.
Nel 1961 A.V. Gurevich dell'Istituto di fisica Lebedev di Mosca, ipotizzò un altro meccanismo per spiegare la produzione degli elettroni rapidi. Gurevich dimostrò che in campi elettrici molto intensi è possibile produrre un gran numero di elettroni rapidi accelerando direttamente l'onnipresente popolazione di elettroni liberi di bassa energia, superando così il problema della scarsità di elettroni di alta energia evidenziato da Wilson. Per generare gli elettroni rapidi, Gurevich usò un metodo brutale, in cui il campo elettrico era così intenso che alcuni degli elettroni di bassa energia erano rapidamente accelerati al di sopra della soglia di energia. La difficoltà insita in questo meccanismo è che richiede un campo elettrico circa 10 volte più intenso del convenzionale campo di scarica disruptiva: molto più intenso dei campi che si osservano nei temporali. In altre parole, sembrava che i fisici puntassero in una direzione decisamente sbagliata.
Finalmente nel 1992 è emersa una nuova idea. Insieme a G.M. Milikh dell'Università del Maryland e R. Roussel-Dupré del Los Alamos National Laboratory, Gurevich ha proposto il modello a valanga relativistica di elettroni rapidi (RREA, Rdativistic Runaway Electron Avalanche). In questo scenario, sono gli stessi elettroni rapidi a generare altri elettroni «seme» di alta energia, scontrandosi violentemen-te con le molecole dell'aria e strappando via da esse altri elettroni di alta energia. Questi ultimi accelerano ed entrano in collisione con altre molecole dell'aria, producendo nuovi elettroni «seme» di alta energia, e così via. Il risultato è una grande valanga di elettroni di alta energia che cresce esponenzialmente con il tempo e la distanza.
Di: Joseph R. Dwayer
Fonte: webalice.it
È sbagliato pensare che Benjamin Franklin abbia risolto il mistero una volta per tutte nel 1752 con il suo celebre esperimento dell'aquilone. Per quanto Franklin abbia dimostrato che il fulmine è un fenomeno elettrico, gli scienziati stanno ancora cercando di capire come fanno i temporali a generarne la carica elettrica, e quindi, in definitiva, come si verifica il fulmine.
I fisici hanno ipotizzato che i fulmini abbiano una sorta di miccia extraplanetaria: i raggi cosmici - particelle di alta energia che bombardano la Terra dallo spazio - indurrebbero cascate di elettroni ad alta velocità nell'atmosfera. Recentemente, è stata scoperta una nuova linea di indagine per lo studio dei fulmini: l'esame dei raggi X emessi quando il fulmine sfreccia dalle nubi al suolo. Negli ultimissimì anni, il nostro gruppo ha misurato i raggi X prodotti sia da fulmini naturali sia da lampi innescati artificialmente. A quanto suggeriscono i risultati, il fulmine disegna i suoi frastagliati percorsi conduttivi emettendo raffiche di elettroni ad alta velocità. Ma il modo in cui accelera questi elettroni è estremamente sconcertante.
Più strani delle scentille:
Per alcuni aspetti, i fulmini assomigliano a grosse scintille. Si pensi alle normali scintille che scoccano quando si tocca la maniglia di una porta dopo avere camminato su una moquette.
Muovendosi sulla moquette, le suole delle scarpe asportano elettroni per sfregamento, causando un accumulo di carica elettrica che crea un campo elettrico tra chi cammina e gli altri oggetti presenti nella stanza. Per campi elettrici di piccola entità, l'aria costituisce un buon isolante e la corrente elettrica non può fluire in quantità apprezzabile. Quando il dito sfiora la maniglia, però, il campo elettrico subisce un incremento locale, raggiungendo un valore critico di circa tre milioni di volt per metro: il cosiddetto campo di scarica disruptiva. L'aria diventa allora un conduttore elettrico e la scarica può verificarsi.
L'elettrizzazione che avviene nei temporali ha alcune somiglianze con l'esempio della moquette.
All'interno dei temporali, il ruolo delle scarpe è svolto con ogni probabilità da particelle di ghiaccio e goccioline d'acqua che si spostano verso l'alto e verso il basso all'interno della nube. (L'esatto meccanismo è ancora oggetto di dibattito.) Urtando l'una contro l'altra, queste particelle possono portar via elettroni e quindi caricarsi elettricamente. Le cariche positive e negative vengono quindi separate dalle correnti ascensionali e dalla gravita, dando origine al campo elettrico. Quando tentiamo di spingere più a fondo l'analogia della maniglia, però, incontriamo un grosso problema: decenni di misurazioni effettuate da palloni, aerei e razzi sonda direttamente all'interno delle nubi hanno raramente riscontrato campi superiori a circa 200.000 volt per metro: troppo poco perché l'aria divenga elettricamente conduttiva.
Fino a non molto tempo fa, i ricercatori si erano concentrati su due spiegazioni per risolvere il dilemma. In primo luogo, è possibile che all'interno delle tempeste esistano campi più intensi, ma solo in volumi relativamente piccoli, che li renderebbero difficili da rilevare. Ma per quanto uno scenario del genere non possa essere escluso dalle osservazioni, non è comunque soddisfacente, poiché sostituisce un problema con un altro: come fanno le nubi a produrre campi elettrici così intensi in volumi così ridotti? La seconda spiegazione deriva da esperimenti di laboratorio che mostrano come il campo elettrico necessario a produrre una scarica si riduca significativamente quando nell'aria sono presenti goccioline o particelle di ghiaccio, come nei temporali. Purtroppo, l'aggiunta di pioggia o ghiaccio basta a spiegare solo parte della discrepanza; i campi elettrici presenti nei temporali sembrano ancora troppo deboli per generare una scarica convenzionale.
L'incertezza permane anche sul modo in cui i fulmini riescono a propagarsi attraverso l'aria per molti chilometri. Il processo inizia con la formazione di una scarica guida (leader), un canale caldo che può ionizzare l'aria e trasportare la carica elettrica su lunghe distanze. Fatto interessante, la scarica guida non si propaga fino a terra in modo continuo, ma al contrario la sua traiettoria segue una serie di passi discreti. Come esattamente ciò possa accadere, resta alquanto misterioso. I tentativi di simulare questi processi attraverso modelli computerizzati non hanno avuto pieno successo e questo ha spinto molti ricercatori, me compreso, a chiedersi se non avessimo per caso dimenticato qualcosa di importante. Per esempio, forse considerare il fulmine alla stregua di una scarica completamente convenzionale, come una scintilla verso una maniglia, non è corretto. Esiste infatti un altro tipo di scarica, più insolito: la cosiddetta scarica disruttiva rapida.
In una scarica convenzionale, tutti gì: elettroni si muovono in modo relativamente lento in quanto sono impediti dalli loro costanti collisioni con le molecole del l'aria. Le collisioni creano una resistenza; analoga a quella che si avverte quandi si sporge la mano fuori dal finestrino e un'automobile in corsa: più veloce proce de l'automobile, più intensa è la resistenz aerodinamica, e quando si rallenta la resistenza diminuisce. Ma se le velocità deg elettroni sono abbastanza alte (almeno s milioni di metri al secondo, circa il due p cento della velocità della luce) la resistei za diminuisce all'aumentare della veloci degli elettroni (si veda l'illustrazione a 69). Se un campo elettrico intenso accele un elettrone ad alta velocità, la resistenza diviene minore, il che consente all'elettro di spostarsi ancora più velocemente, riducendo ulteriormente la resistenza, e ci via. Questi elettroni rapidi possono accelerare fin quasi a raggiungere la velocità della luce, acquisendo quantità enormi di energia e producendo appunto una scarica disruptiva rapida.
Perché questo avvenga, tuttavia, occorre una popolazione di elettroni «seme» con alte energìe iniziali. Nel 1925, il fisico scozzese C.T.R. Wilson suggerì per primo che il decadimento degli isotopi radioattivi o le collisioni delle particelle dei raggi cosmici con le molecole dell'aria potrebbero generare elettroni di alta energia che sarebbero accelerati dai campi elettrici presenti all'interno delle nubi temporalesche, II modello di Wilson, però, prevedeva che il decadimento radioattivo e le collisioni dei raggi cosmici producessero un numero di elettroni rapidi troppo esiguo per causare i fulmini.
Nel 1961 A.V. Gurevich dell'Istituto di fisica Lebedev di Mosca, ipotizzò un altro meccanismo per spiegare la produzione degli elettroni rapidi. Gurevich dimostrò che in campi elettrici molto intensi è possibile produrre un gran numero di elettroni rapidi accelerando direttamente l'onnipresente popolazione di elettroni liberi di bassa energia, superando così il problema della scarsità di elettroni di alta energia evidenziato da Wilson. Per generare gli elettroni rapidi, Gurevich usò un metodo brutale, in cui il campo elettrico era così intenso che alcuni degli elettroni di bassa energia erano rapidamente accelerati al di sopra della soglia di energia. La difficoltà insita in questo meccanismo è che richiede un campo elettrico circa 10 volte più intenso del convenzionale campo di scarica disruptiva: molto più intenso dei campi che si osservano nei temporali. In altre parole, sembrava che i fisici puntassero in una direzione decisamente sbagliata.
Finalmente nel 1992 è emersa una nuova idea. Insieme a G.M. Milikh dell'Università del Maryland e R. Roussel-Dupré del Los Alamos National Laboratory, Gurevich ha proposto il modello a valanga relativistica di elettroni rapidi (RREA, Rdativistic Runaway Electron Avalanche). In questo scenario, sono gli stessi elettroni rapidi a generare altri elettroni «seme» di alta energia, scontrandosi violentemen-te con le molecole dell'aria e strappando via da esse altri elettroni di alta energia. Questi ultimi accelerano ed entrano in collisione con altre molecole dell'aria, producendo nuovi elettroni «seme» di alta energia, e così via. Il risultato è una grande valanga di elettroni di alta energia che cresce esponenzialmente con il tempo e la distanza.
Di: Joseph R. Dwayer
Fonte: webalice.it