Associazione Astrofili Trentini
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Notiziario n. 15 - Inverno 1999


I fulmini globulari (Prima parte)

di Albino Carbognani (Dipartimento di Fisica - Parma)


Premessa

In questo articolo di rassegna parleremo di un fenomeno atmosferico molto interessante e ancora poco compreso. Stiamo parlando dei "Fulmini Globulari", in inglese "Ball Lightning" o BL, in tedesco "Kugelblitz". Di tutti i fenomeni che si verificano nella troposfera è uno dei più misteriosi nonostante siano 160 anni che viene studiato. Il vero problema con i BL è costituito dal fatto che non si è ancora trovata una teoria fisica soddisfacente in grado di spiegarli. Dopo essere stati un pochino trascurati come argomento di ricerca, negli ultimi 10 anni è prevalso un atteggiamento di "riscoperta" del fenomeno BL che ora viene intensamente studiato dal punto di vista teorico, sperimentale e osservativo. Si sono tenuti 2 simposi internazionali sui BL, uno nel 1988 e l'altro nel 1990 ed è stato creato un "Comitato Internazionale per lo studio dei BL".

Non ci risulta che esistano articoli o testi italiani recenti che trattino questo argomento, trascurato in Italia ma non all'estero. Ecco come procederemo. Per prima cosa vedremo in dettaglio la parte fenomenologica e i dati disponibili, poi le teorie che cercano di spiegarne le proprietà e, infine, i risultati ottenuti in laboratorio. Nell'esporre la fenomenologia dei BL faremo un parallelo con le analoghe caratteristiche dei Bolidi. La bibliografia riportata alla fine permetterà, a chi lo desideri, di approfondire per proprio conto l'argomento. Nel seguito dovendo usare la notazione scientifica per indicare numeri molto grandi o molto piccoli si useranno scritture del tipo 10( n) per indicare il 10 elevato alla potenza n.


Esistono i BL?

I BL sono una manifestazione dell'elettricità atmosferica, si presentano all'osservatore come "sfere" luminose di vario diametro in rapido movimento e sono osservabili preferenzialmente durante i temporali. I dati disponibili derivano per la maggior parte dalle testimonianze di osservatori occasionali. Niente di strano che una parte dei rapporti rasentino il folklore popolare. Sappiamo bene come fenomeni naturali poco conosciuti e mal compresi possano eccitare la fantasia umana, basta pensare alle leggende sorte attorno alle comete nell'antichità. È quindi comprensibile che alcuni scienziati [24] abbiano negato l'esistenza fisica dei BL cercando di ricondurli ad illusioni ottiche, fenomeni di isteria ecc. In questo modo però risulta molto difficile spiegare i casi in cui diverse persone hanno visto il BL contemporaneamente, o i casi in cui i BL hanno lasciato traccia della loro esistenza fisica [1], inoltre fra i testimoni di BL ci sono anche alcuni scienziati. Un esempio per tutti è la materializzazione di un BL all'interno del Cavendish Laboratory il 3 agosto del 1982 [16]. Oggi l'esistenza fisica dei BL è universalmente accettata [1], [19], [22], [25], [26], [28].


Fenomenologia dei BL

Cominciamo a prendere confidenza con i BL facendo una carrellata delle loro proprietà salienti. Generalmente di forma sferica, il diametro di un BL può variare dai 2 cm ai 10 m, ma la distribuzione ha un massimo attorno ai 20-50 cm. Il bordo del BL si presenta lievemente sfumato e certe volte all'interno è visibile un nucleo più chiaro [28]. La durata del fenomeno va da un secondo fino a diversi minuti. Generalmente le sfere sono colorate: rosso, arancione, giallo, bianco e blu sono i colori più ricorrenti. Si osservano anche BL con diversi colori contemporaneamente. Molto raramente i BL appaiono in configurazione multipla: una serie di BL uno dietro l'altro. In questo caso si parla di "Bead Lightning" [12]. La luminosità media è paragonabile a quella delle lampade domestiche da 100 W. I BL sono quindi visibili anche in pieno giorno. Di solito la luminosità delle sfere resta costante durante l'apparizione per decadere durante la fase di scomparsa. I BL possono materializzarsi all'interno di edifici ed aerei (durante i temporali [25], [28]) oppure semplicemente all'aperto. La caratteristica che distingue un BL da tutte le altre manifestazioni atmosferiche luminose (ad esempio i fuochi di Sant'Elmo) è l'estrema varietà del moto. Percorsi a zig-zag, stazionamenti e variazioni repentine di quota sono la caratteristica saliente del fenomeno. Proprio per questo motivo è difficile confondere un BL con un normale bolide (meteora con magnitudine negativa), infatti questi ultimi percorrono una traiettoria quasi sempre rettilinea e la maggior parte lascia una scia luminosa, caratteristica che manca ai BL. Grazie a queste "performance" certi testimoni possono pensare che il BL sia "intelligente", tuttavia non è così trattandosi di un fenomeno naturale.

Il fatto che i BL possano materializzarsi all'interno degli aerei vale la pena di essere analizzato più in dettaglio. Le pareti metalliche di un aereo lo rendono equivalente ad una gabbia di Faraday, cioè l'interno è elettricamente isolato dall'esterno. Da questa caratteristica segue che la formazione di un BL, o almeno questo tipo di BL, non può essere dovuta alla presenza di un campo elettrico perché all'interno dell'aereo è sempre nullo. Quali possono essere allora le cause scatenanti di un BL "aereo"? È possibile che a causa delle scariche elettriche nell'ambiente esterno penetrino all'interno dell'aereo cariche elettriche come gli elettroni oppure onde elettromagnetiche di frequenza opportuna e in grado di dare luogo al BL. Naturalmente nessuno sa se le cose vanno davvero così, il problema dell'origine dei BL è ancora aperto e avremo occasione di riparlarne durante l'esposizione delle teorie proposte.

Un BL può mostrare delle proprietà davvero inusuali, come ad esempio penetrare all'interno delle abitazioni passando attraverso porte, finestre e caminetti. Molto interessanti le testimonianze di chi ha visto BL attraversare porte e finestre chiuse con relativa facilità e senza danneggiarle [26]. Tuttavia ilcomportamento di un BL è imprevedibile. Esemplare il caso accaduto in un scuola vicino a Mosca nel 1977 quando un BL arancione del diametro di circa 5 cm entrò in un'aula bucando il vetro della finestra e dissolvendosi subito dopo. Il buco lasciato nella finestra è simile a quello che può essereottenuto da un laser infrarosso a CO2: senza traccia di tensioni meccaniche nel vetro [1].

Le testimonianze di chi si è trovato a tu per tu con un BL fra le pareti domestiche costituiscono un "classico" della casistica. Vediamone un paio. Oxford, Inghilterra 1945. Pomeriggio durante un temporale. Due ragazze si trovavano nel salotto della loro casa davanti al caminetto. All'improvviso si accorsero che all'interno della stanza era presente una sfera luminosa grande come una palla da tennis, più scura al centro e dai bordi sfumati. La "palla" si mosse lentamente verso il caminetto tenendosi lontano dai muri e dagli altri oggetti presenti nella stanza fino a sparire esso stesso. La durata dell'evento è stata stimata in circa 30 secondi [8].

Più drammatiche le testimonianze di persone che hanno avuto una interazione fisica con un BL. L'8 agosto 1975 durante un temporale, una donna inglese di Smethwick venne "investita" da un BL di 10 cm di diametro di colore blu circondato da un alone che le provocò un buco di 10x7 cm nella gonna prima di sparire con un bang. La donna riportò anche una ustione di primo grado (gonfiore ed arrossamento dell'epidermide) alla mano sinistra con cui aveva cercato di allontanare il BL che le stava venendo addosso [19].

Decisamente più violento invece il caso accaduto a Khabarovsk (URSS) nella estate del 1978. Durante una forte pioggia un BL arancione del diametro di 1.5 m stazionò sopra il cinema locale per circa 1 minuto, dopo di che esplose distruggendo i fili elettrici nel raggio di 150 m e lasciando un cratere del diametro di 1.5 m e profondo 20-25 cm. Furono rinvenute delle scorie e uno strano tipo di vetro con struttura "ectoplasmica". L'energia stimata per l'evento è di circa un miliardo di Joule [1].

Un caso meno cruento ma più interessante per cercare di stimare l'energia interna di un BL è avvenuto il 3 ottobre 1936 nei sobborgi di Londra [8], [19], [30]. Un corrispondente del "Daily Mail" si trovava a casa durante un temporale quando vide scendere dal cielo una sfera arancione grande come un'arancia. Il BL entrò in casa bruciacchiando la finestra, fuse i fili del telefono e si tuffò in una tinozza piena di 18 litri d'acqua. L'acqua si mise a bollire e solo dopo 20 minuti l'esterefatto testimone riuscì ad immergervi la mano per cercare residui del BL. Non trovò niente, ma con i dati di questa testimonianza e tenendo conto che per innalzare di un grado centigrado la temperatura di un grammo d'acqua sono necessari 4.185 J possiamo stimare che l'energia minima del BL era di 6 MJ (1 MJ = 10(+6) Joule). Assumendo un raggio di 5 cm la densità di energia risulta di 10 KJ (1 KJ = 10(+3) Joule) per centimetro cubo. Per confronto l'energia per unità di volume dell'alcool etilico in aria e a pressione atmosferica vale 22 MJ per centimetro cubo, mentre per il propano è di 100 J per centimetro cubo.

Distanze di osservazione dei BL

Non sono molti i BL che lasciano tracce del proprio passaggio (sono solo 20 episodi [1]), ma questi eventi sono estremamente utili: abbiamo visto infatti come sia possibile stimare l'energia contenuta in un BL e questo è un dato molto importante per costruirne la teoria fisica. Nonostante le difficoltà si può stimare un'energia interna media pari a 160 KJ e una densità media di energia (per un diametro medio di 23 cm) pari a 25 J per centimetro cubo [1], valore compatibile con una sorgente energetica di tipo chimico anche se non è ancora chiaro quale possa essere. Uno dei problemi aperti sulla luminescenza dei BL consiste nello stabilire se sono trasparenti oppure opachi. Nel primo caso l'energia irraggiata proviene da tutto il volume del BL, nel secondo solo dalla superficie esterna. I dati non sono conclusivi tuttavia pare favorito il modello di BL trasparente (otticamente sottile) infatti, come dicevamo prima, il bordo di un BL è più scuro del centro e ciò significa che una parte della radiazione emessa filtra dall'interno [1]. La temperatura effettiva (di corpo nero) di un BL medio è attorno ai 1400 K, quindi la temperatura delle zone che irradiano sarà attorno ai 2000 K. Questo valore è più grande della temperatura di corpo nero perché una parte dell'energia del BL è determinata dalla dinamica dei gas interni [7]. Come sorgente radiativa il BL è simile ai fuochi d'artificio, anzi questi ultimi sono sorgenti di luce più efficienti dei BL di circa un ordine di grandezza. L'efficienza dei BL è stimabile a quella della fiamma di una candela.

Diversi testimoni riportano di BL in rapida rotazione attorno al proprio asse e notano l'assenza di una emissione termica tipo quella delle lampade ad incandescenza. La mancanza di emissione termica non è riportata da tutti i testimoni. A volte è proprio durante la fase di sparizione che si ha l'emissione di radiazione infrarossa [8]. Ecco una tabella dettagliata dove viene riportata la percentuale di casi i cui si è avuta emissione infrarossa in funzione della distanza dall'osservatore [1].

Tab. 1: Emissione termica dai BL (Stakhanov, 1979, 1985)
<1m 8.5%
1 - 2m 6.1%
2 - 5m 5.3%
>5m 1.3%

Come si vede l'emissione termica diventa meno frequente all'aumentare della distanza fra BL e osservatore, ma la frequenza osservata non tende al 100% nemmeno per distanze ridotte. Oltre ad emettere nell'infrarosso e nel visibile i BL emettono anche nelle onde radio, infatti di solito l'apparizione di un Kugelblitz provoca forti disturbi sui ricevitori radio. I dati osservativi ci dicono che i BL sono dotati di carica elettrica [7]. Nel 16-20% dei casi osservati, infatti, i BL si muovono lungo i conduttori (linee elettriche, parafulmini di edifici ecc.) o in prossimità di essi [26]. Inoltre in molti casi la loro posizione di origine coincide con quella di dispositivi elettrici o oggetti metallici. Grazie a questa proprietà i BL possono danneggiare sistemi e circuiti elettrici. La loro azione sull'uomo è simile a quella di una scarica elettrica, per fortuna con un'intensità 5 ordini di grandezza inferiore a quella necessaria per uccidere una persona. La carica elettrica media portata da un BL è dell'ordine di 810(-7) C, equivalente a 510(+12) cariche elettriche elementari [7]. Grazie alle loro proprietà elettriche i BL sono molto sensibili ai campi elettrici locali indotti. Questa proprietà può generare comportamenti strani: i BL possono muoversi anche controvento dando l'impressione di essere di origine "artificiale". Le velocità dei BL sono dell'ordine di alcuni m/s.Oltre ad essere dotati di un campo elettrico alcuni BL sembrano dotati di un campo magnetico dell'ordine dei 100 Gauss, da confrontarsi con gli 0.7 Gauss del campo magnetico terrestre [23].

Una possibile classificazione dei BL può essere in base alla quota di provenienza [8]:
Aria - Terra
Terra - Terra
Aria - Aria

Nel primo caso il BL si muove dal cielo verso terra e può essere confuso con un normale bolide se la traiettoria è rettilinea. I secondi si muovono in prossimità del suolo mentre i terzi restano ad alta quota (e possono essere osservati dagli aerei). I BL in prossimità del suolo possono interagire meglio con i testimoni occasionali dando luogo a quello che può essere chiamato un "incontro ravvicinato". Naturalmente "l'intensità emotiva" dell'incontro è diverso a seconda del diametro del BL.

Un BL può sparire in silenzio, con un lieve ronzio, oppure con un violento bang [8], [11], [12]. Dopo la scomparsa del BL può restare nell'aria l'odore caratteristico dell'Ozono dello Zolfo o dell'ossido di Azoto. Certe volte è stata registrata la presenza di residui solidi di cui non è ben chiara l'origine e la natura (vedi il caso di Khabarovsk).


Sono rari i BL?

Giunti a questo punto viene spontaneo chiedersi quanto siano rari i BL. Ad esempio sono più o meno frequenti dei fulmini? Vediamo alcuni dati. Secondo Smirnov [1] la probabilità media P di osservare un BL nell'arco di una vita media di 80 anni è dello 0.63%, mentre per quanto riguarda i fulmini possiamo senz'altro assumere che sia del 100%. Se facciamo l'ipotesi semplificatrice che i BL si sviluppino in prossimità del suolo e calcoliamo la densità di probabilità W di osservare un BL per unità di superficie e tempo otteniamo W=20 Km(-2) anno(-1), mentre il valore di W per i fulmini è di soli 5.4 Km(-2) anno(-1). Da qui segue il risultato che ci sono 4 BL per ogni fulmine! Il BL è un fenomeno molto frequente ma raramente osservato.


Fisica delle meteore

Sospendiamo momentaneamente l'esposizione delle proprietà dei BL per fare un cenno alla fisica delle meteore. Quanto diremo qui sarà utile per capire meglio il confronto fra bolidi e BL. Naturalmente il confronto sarà possibile solo per le caratteristiche che i due fenomeni hanno in comune, come la durata, il colore, la distribuzione annuale e le modalità di sparizione.

Nel descrivere la sua orbita attorno al Sole, la Terra intercetta giornalmente una grande quantità di piccoli corpi extraterrestri. Generalmente si tratta di frammenti di roccia che vengono vaporizzati durante la caduta nell'atmosfera. L'origine di questi corpi è almeno duplice: cometaria o asteroidale. Nel primo caso si tratta dei frammenti solidi (polveri) persi dalle comete durante il passaggio al perielio, nel secondo caso i frammenti provengono dalla fascia principale degli asteroidi, posta fra le orbite di Marte e Giove e sono generati dalle collisioni fra questi. Secondo le norme promulgate nel 1961 dall'Unione Astronomica Internazionale il corpo che penetra l'atmosfera si chiama "meteoroide", mentre il fenomeno ottico o radio da esso generato si chiama "meteora". Se il meteoroide riesce ad arrivare al suolo viene detto "meteorite". Una meteora con magnitudine negativa (non ci sono limiti univocamente accettati) viene chiamata "bolide". Al di sopra dei 100 m di diametro i meteoroidi vengono considerati piccoli asteroidi, ma non è possibile stabilire un confine netto fra le due categorie.

I frammenti di origine cometaria tendono a distribuirsi lentamente lungo l'orbita della cometa-madre. Quando la terra interseca l'orbita di una cometa e incontra il "grosso" dello sciame si possono avere migliaia di rientri all'ora, in questo caso si parla di "tempesta meteorica". Famose sono le "pioggie" dello sciame Leonidi (associato alla cometa P/Temple-Tuttle) del 1833,1866 e 1966 o quella delle Andromeidi (associate alla cometa di Biela) del 1872 e 1885. Va detto che, di solito, l'attività dei 10 principali sciami di meteore attivi durante l'anno è molto più modesta, tuttavia è atteso un nuovo "outburst" delle Leonidi per il 17 novembre del 1998 o 1999. Il punto della volta celeste da cui sembrano irradiarsi le meteore è detto "radiante". La costellazione in cui si trova il radiante da il nome allo sciame di meteore. Ecco un elenco degli sciami principali, la data è quella del massimo, mentre ZHR si riferisce al numero di meteore per ora con il radiante allo zenit.

Elenco dei principali sciami meteorici
DataNomeZHR
3-4 gennaioQuadrantidi120
21-22 aprileLyridi15
4-5 maggio? Aquaridi40
28-29 luglio? Aquaridi20
12-13 agostoPerseidi120
21-22 ottobreOrionidi25
3-13 novembreTauridi10
16-17 novembreLeonidi15
13-14 dicembreGeminidi85
21-22 dicembreUrsidi20

La velocità in atmosfera di un meteoroide è compresa fra i 12 e i 72 Km/s (con un valore medio di 40 Km/s), infatti visto che i meteoroidi appartengono al Sistema Solare, dalla velocità di fuga alla distanza Terra-Sole che vale 42 Km/s basta aggiungere o togliere la velocità orbitale della Terra di 30 Km/s. Generalmente le masse dei meteoroidi vanno dagli 0.002 grammi delle meteore appena visibli ad occhio nudo ai 50 grammi dei bolidi di magnitudine -4, la densità è dell'ordine di un grammo per centimetro cubo. Perché si possa avere la caduta di un meteorite la massa originale del meteoroide deve essere superiore ai 10 Kg e vista la natura "porosa" delle comete la grande maggioranza dei meteoriti è di origine asteroidale. Il 61% dei meteoriti è composto da roccia e vengono chiamati "aeroliti", il 35% è metallico e sono detti "sideriti", infine il rimanente 4% è un misto roccia-metallo e sono noti come "aerosideriti".

Esaminiamo in dettaglio il meccanismo di emissione della radiazione. La maggior parte della radiazione emessa dalla meteora proviene da una nube di gas che circonda il meteoroide. Questa nube è formata da una miscela di atomi. Una parte proviene dalla superficie del meteoroide che si vaporizza al contatto con gli atomi dell'alta atmosfera (processo noto come "ablazione"), l'altra è formata dagli stessi atomi atmosferici. Gli atomi vengono eccitati e ionizzati dall'energia cinetica persa dal meteoroide e nel processo di diseccitazione/ricombinazione vengono emesse delle radiazioni caratteristiche di ogni specie atomica che vanno a formare lo spettro a righe di emissione della meteora. L'energia emessa dalla meteora risulta direttamente proporzionale al tasso di ablazione. Le righe più comuni sono quelle del Ca II (viola), Ca I (violetto, arancio), Fe I (blu, verde), Mg II (blu-verde, viola), O II (giallo-verde), O I (arancio), Na I (giallo), Si II (rosso-arancio). Sono le emissioni combinate di questi elementi (l'Ossigeno è quello atmosferico) a generare i colori dei bolidi e permettono di avere una prima indicazione sulla composizione chimica del meteoroide.

I meteoroidi danno luogo alle meteore quando si trovano a quote comprese fra 120 e 80 Km sulla superficie terrestre, a queste quote pressione e densità atmosferiche sono circa 410(+6) volte minori che al suolo. Dopo il passaggio del meteoroide può essere visibile per alcuni secondi la scia di gas ionizzati che si è lasciato dietro di sé. La scia tende a sparire rapidamente per via del processo di diseccitazione/ricombinazione. Anche i bolidi come i BL presentano una fenomenologia interessante, per la verità molto meglio compresa. Ad esempio si possono osservare bolidi che cambiano improvvisamente traiettoria, bolidi che si frammentano durante il percorso in atmosfera, bolidi con un diametro apparente paragonabile a quello della Luna piena, bolidi circondati da aloni oppure bolidi che generano rumore. Certe volte è possibile assistere alla momentanea immobilitàdel bolide, che riprende la sua corsa subito dopo. Questo comportamento è imputabile ad un cambio di traiettoria (generato dal processo di ablazione) lungo la linea di vista dell'osservatore.

Per maggiori dettagli si può vedere P.Martinez (a cura di), "The Observer guide to Astronomy", Vol.2, p.632-711. I dati sui bolidi che esporremo più avanti (se non indicato diversamente) sono stati ottenuti elaborando 117 segnalazioni apparse su "Coelvm" negli anni che vanno dal 1936 al 1958. Come base statistica non è molto estesa ma è sufficiente per orientarsi. E ora torniamo ai BL.


Dati numerici sui BL

Abbiamo visto le principali proprietà dei BL. Ma chi studia i BL? Contrariamente a quanto si potrebbe pensare Meteorologi e Scienziati dell'atmosfera non si interessano molto di questo fenomeno. Sono i Fisici che si occupano dell'argomento sia con articoli teorici che in laboratorio [14]. Proseguiamo il nostro viaggio prendendo in esame le tabelle dei dati raccolti fino ad ora. Ad una parte delle tabelle sono affiancati degli istogrammi per migliorare "l'impatto visivo" dei dati. In ordinata gli istogrammi riportano il numero di casi in cui si è osservata la caratteristica che rappresentano. La maggior parte dei 9392 casi di osservazione di BL è di origine Sovietica. Nella tabella che segue sono elencati i contributi dei vari paesi, inutile dire che per l'Italia non ci sono raccolte note di dati sui BL.

Tab. 2: Dati osservativi sui BL [1]
URSS58.30%
Giappone21.90%
USA9.63%
Ungheria3.20%
Olanda2.66%
Germania2.29%
Austria0.85%
Inghilterra0.81%
Francia0.32%

Prima di vedere i dati è necessaria una piccola premessa. Le osservazioni dei BL sono prevalentemente di carattere visuale, per via dell'imprevedibilità del fenomeno. È ben noto che un osservatore "medio" non può fornire una descrizione dettagliata e precisa di un evento che gli è capitato all'improvviso, tuttavia raccogliendo un gran numero di testimonianze è possibile crearsi ugualmente un quadro quantitativo sufficientemente dettagliato del fenomeno fisico. Un aspetto incoraggiante delle testimonianze raccolte è che presentano numerosi punti in comune: il quadro è coerente. Questo è un punto importante: lo stesso tipo di testimonianze viene reso da persone che per la stragrande maggioranza non ha mai sentito parlare di BL. Da notare che le foto di BL sono molto poche e non aggiungono molto di più ai dati visuali. I dati che presentiamo sono stati divisi in due classi: quelli che si riferiscono alle condizioni in cui vengono osservati i BL e quelli che si riferiscono ai parametri fisici dei BL. Cominciamo con i primi.

Fine prima parte. Continua sul prossimo numero...


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