L’atmosfera terreste è dotata di un campo elettrico, massimo in prossimità del suolo, minimo in alta quota, a livello della termosfera (o ionosfera)(80 km).
Il terreno risulta carico negativamente, mentre l’alta quota positivamente.
Come se fossimo in un condensatore, si genera un flusso di cariche elettriche, in questo caso di ioni, rivolto dall’alto verso il basso, per cui le cariche positive tendono ad annullare le cariche negative: si parla della corrente di bel tempo (a sinistra nell’immagine).
La corrente di bel tempo tenderebbe dunque a rendere il terreno neutro, annullando il campo elettrico stesso, entro poche decine di minuti.
In realtà, la differenza di potenziale che si misura fra la superficie della Terra e la ionosfera è compresa tra i 200.000 e i 500.000 Volt, valori che comportano una densità di corrente estremamente bassa, di circa 2 pA/m² e il campo elettrico viene mantenuto. Ciò che riporta la differenza di potenziale ad un valore standard è l’effetto dei fulmini (a destra nell’immagine), che è come se restituissero le cariche negative al suolo.
Lo sviluppo dei fulmini
Nella maggior parte dei casi è la presenza dei cumulonembi nei temporali a creare la situazione più favorevole perché si verifichi un fulmine, ed è di questo caso che ci occuperemo più in dettaglio.
Questo fenomeno elettrico può tuttavia avvenire anche in seguito a tempeste di sabbia, bufere di neve o nuvole di polvere vulcanica.
Fig1.1 Fulmine che si origina dal vulcano giapponese di Sakurajima.
È possibile che si manifesti raramente un “fulmine a ciel sereno”: un fulmine con cielo coperto ma senza precipitazione in atto o addirittura con cielo sereno.
I cumulonembi
I cumulonembi sono i principali protagonisti dei temporali. Come qualsiasi altra nube, il cumulonembo inizia a formarsi dall’ascesa di aria calda e umida, ma in questo caso i moti d’aria sono così intensi che il cumulo continua a crescere verticalmente, tanto che la sua sommità può raggiungere la tropopausa. A queste quote la temperatura è di alcune decine di gradi sotto lo zero, quindi la nube sarà formata da particelle di ghiaccio e goccioline sopraffuse (goccioline liquide che pur con temperature negative non ghiacciano).
Fig1.2 Tipica struttura del cumulonembo
IONIZZAZIONE DELLE PARTICELLE NELLA NUBE
Le particelle di ghiaccio e le goccioline sopraffuse sono particelle diverse ma entrambe elettricamente neutre, ciascuna possiede cioè ugual numero di elettroni e protoni.
Correnti ascensionali di aria molto probabilmente causano una turbolenza che provoca una collisione reciproca tra i due tipi di particelle. Gli urti forniscono una quantità di energia cinetica sufficiente ad estrarre degli elettroni alle particelle di ghiaccio; gli elettroni liberi vengono poi acquistati dalle goccioline sopraffuse. 
Si viene quindi a creare un’alterazione nella distribuzione delle cariche man mano che le particelle vengono messe in movimento: le particelle di ghiaccio cedendo un elettrone si caricano positivamente, assumeranno la forma di cristalli di ghiaccio con dimensioni più piccole, e, più leggeri, tenderanno a spostarsi verso la sommità della nube;
le goccioline sopraffuse acquistando un elettrone si caricano negativamente, si trasformeranno in grandine, che, più pesante, scenderà verso la base della nube.
CUMULONEMBI COME ENORMI BATTERIE
La nube risulta così formata da due poli di carica opposta, con una zona centrale di particelle ancora neutre; essa svilupperà perciò un comportamento analogo a quello di un condensatore: la sua sommità è come un’armatura carica positivamente, la base è come un’armatura carica negativamente e la zona centrale rappresenta lo spazio tra le armature con campo elettrico uniforme.
Siccome il processo di carica risulta graduale, la differenza di potenziale tra le armature, direttamente proporzionale alla carica posta su di esse (dalla relazione C= Q/(ΔV) ), crescerà anch’essa gradualmente.
Quando si raggiungerà infine un valore limite di differenza di potenziale, in media 3x 10^6 V/m, sarà in grado di fluire una corrente di cariche tra le due armature, e dunque all’interno della nube.
INDUZIONE ELETTROSTATICA SUL SUOLO
La Terra è un enorme conduttore in grado di immagazzinare una grande quantità di carica elettrica. In condizioni normali, il suolo risulta carico negativamente; questo avviene per effetto dell’induzione elettrostatica.
Supponiamo di avere un oggetto carico positivamente, a cui avviciniamo un conduttore neutro. Per la legge di Coulomb, gli elettroni del conduttore vengono attratti dalle cariche positive; essendo liberi di muoversi, si spostano nella zona più vicina all’oggetto carico. Il conduttore risulterà nel complesso neutro, ma la carica non sarà più distribuita in modo uniforme: troviamo carica negativa nella zona di concentrazione degli elettroni e carica positiva nella zona opposta. Per definizione, il fenomeno di induzione elettrostatica è proprio questa ridistribuzione di cariche in un conduttore neutro, per effetto della vicinanza di un corpo carico.
Nel nostro caso, il suolo terrestre rappresenta una zona di concentrazione di elettroni attratti dagli ioni positivi presenti in alta quota, a livello di elettrosfera.
La formazione di un cumulonembo può tuttavia scombinare ulteriormente la distribuzione di cariche. In modo analogo, la presenza di cariche negative alla base del cumulonembo, induce un allontanamento degli elettroni concentrati sul suolo terrestre, respinti da cariche dello stesso segno. Si verifica perciò per tutta la superficie terrestre immediatamente sotto il cumulonembo la concentrazione di carica positiva, dovuta all’attrazione da cariche di segno opposto. Questa zona di cariche positive si sposta insieme alla nube.
La zona esterna alla superficie coperta dal cumulonembo resta carica negativamente.
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