Lo spettro di un fulmine globulare

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  • 27-05-2014
  • di Albino Carbognani
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©Joe Thomissen Wikicommon
Pur essendo certi della loro esistenza fisica, i fulmini globulari (ball lightnings, BL) sono uno dei fenomeni atmosferici meno compresi e una teoria fisica che li descriva nei dettagli deve essere ancora formulata. Uno dei maggiori problemi nel loro studio è dovuto al fatto che le osservazioni sono per lo più di tipo visuale, raccolte da testimoni occasionali. Le osservazioni strumentali sono scarse proprio per l’aleatorietà del fenomeno. Per fortuna, però, a volte una serie di fortunate coincidenze fa sì che si possano ottenere anche delle misure quantitative.
Nel 90% dei casi i BL sono descritti come sfere. Le dimensioni vanno da pochi centimetri a diversi metri, anche se il diametro più comune è compreso fra 10 e 40 centimetri. Di solito le sfere sono colorate: i colori più frequenti sono il rosso, il giallo o un insieme dei due, mentre il bianco è riportato in circa un quinto delle testimonianze. Esteriormente, un BL può apparire solido (con un involucro che sembra riflettere la radiazione dell’ambiente esterno), rotante, o in “combustione”, aspetto caratteristico di quelli con piccolo diametro. Il moto può essere da nube a nube, dal suolo alle nubi (rarissimo), dalle nubi verso il suolo, orizzontale o casuale in prossimità del suolo, oppure stazionario. Alcuni sembrano attratti dagli oggetti metallici e ci sono testimonianze di fulmini globulari in moto controvento. Le velocità tipiche sono comprese fra gli 0,1 e i 10 metri al secondo. Certe testimonianze riportano l’emissione di sibili ed odori (per lo più quello dell’ozono e dello zolfo). Nel 40 per cento dei casi la durata del fenomeno è inferiore ai cinque secondi, mentre in meno del 10 per cento dei casi la durata è superiore ai 100 secondi. Proprio tale “lunga vita” è la maggior sfida per qualsiasi teoria che tenti di spiegarne la natura. Nove fulmini globulari su dieci sono associati a fenomeni temporaleschi. Non risulta quindi strano che la distribuzione annuale del numero di BL osservati nell’emisfero settentrionale segua quella dei temporali, con un massimo nel mese di luglio, quando i temporali sono più frequenti, mentre nei mesi invernali le osservazioni sono molto più ridotte.
Recentemente, sulla prestigiosa Physical Review Letters, è stato pubblicato un articolo di tre fisici cinesi (J. Cen, P. Yuan e S. Xue), che riporta l’osservazione fortuita dello spettro di un BL sull’altopiano del Tibet, a 2530 metri di quota[1]. L’analisi spettroscopica, cioè lo studio della radiazione elettromagnetica emessa dai corpi in funzione della lunghezza d’onda, è uno strumento estremamente potente, sia nell’ambito dell’astronomia, sia della fisica in generale, perché permette di stabilire quali sono gli elementi chimici che compongono il corpo e che processi fisici avvengono alla sua superficie. Cen e colleghi avevano come obiettivo l’osservazione dello spettro di un fulmine nube-suolo e, a questo scopo, hanno usato due spettrografi con reticolo di diffrazione da 600 linee per millimetro, poste davanti all’obiettivo di due videocamere, di cui una ad alta velocità (3000 frame per secondo). Le telecamere sono state puntate verso delle colline, a qualche centinaio di metri di distanza dal punto di osservazione, dove i fulmini cadono frequentemente. Non pensavano certo che questo setup osservativo avrebbe catturato, per la prima volta, uno spettro di un fenomeno così sfuggente.
Lo scorso 23 luglio, invece, durante un temporale, le telecamere hanno ripreso un fulmine nube-suolo e la successiva comparsa, in prossimità del suolo, di una sfera luminosa che è rimasta visibile per 1,64 secondi. Riprendendo la stessa zona durante il giorno, i ricercatori sono risaliti alla distanza della sfera, circa 902 metri, valore in accordo con la distanza a cui è caduto il fulmine nube-suolo, stimabile dal ritardo temporale esistente fra l’immagine e il tuono registrato dalla videocamera. Nota la distanza, si è potuti risalire al diametro del fulmine globulare (circa 4 metri) e al limite inferiore della velocità rispetto al suolo (8,6 metri al secondo). L’intensità luminosa si è mantenuta relativamente costante durante l’apparizione, per poi decadere rapidamente verso la fine del fenomeno.
I dati più interessanti sono però quelli spettroscopici: calibrando lo spettro con le righe di emissione caratteristiche del fulmine nube-suolo che ha preceduto la comparsa del BL, è stato possibile risalire alla lunghezza d’onda delle righe in emissione presenti, sovrapposte a una emissione continua. Si è così scoperto che la maggior parte delle righe di emissione osservate sono dovute ad atomi di silicio, ferro e calcio dotati di tutti gli elettroni che sono rimaste visibili per tutta la durata del fenomeno. Purtroppo non è stato possibile calibrare anche l’intensità dello spettro, e si può quindi solo dire che la temperatura del BL era inferiore a quella del fulmine nube-suolo (circa 15.000-30.000 kelvin).
Considerato che il BL è apparso in seguito alla caduta di un fulmine nube-suolo e sulla base delle caratteristiche spettrali rilevate, la fisica del fenomeno osservato è compatibile con una teoria di tipo chimico proposta nel 2000 dai ricercatori australiani Abrahamson e Dinniss e successivamente rielaborata dal solo Abrahamson nel 2002[2]. Il suolo è solitamente composto da silice (SiO2, dal 20 al 35 per cento) e da carbonio (dal 2 al 20 per cento). Secondo gli studiosi australiani, una volta che un comune fulmine nube-suolo ha vaporizzato il terreno, la nube calda di gas di silicio si espande rapidamente ed entra in contatto con l’aria più fredda circostante. Il raffreddamento provoca la condensazione del silicio in nanoparticelle del diametro di 100 nanometri, composte di silicio, nonché ossidi e carburi dello stesso. Ioni ed elettroni formati nella vaporizzazione del suolo possono essere catturati dalle nanoparticelle che, caricandosi elettricamente, possono unirsi insieme a formare dei lunghi e sottili filamenti. Questi, per effetto delle cariche elettriche dello stesso segno che si respingono, si dispongono a formare una sfera. Durante la fase di raffreddamento, il silicio si ossida, cioè brucia, rilasciando lentamente radiazione elettromagnetica e dando vita al fulmine globulare.
Chiaramente, come sottolineano gli stessi Autori, un evento singolo può non essere rappresentativo della categoria ed è possibile che esistano diversi meccanismi fisici, tutti in grado di produrre oggetti simili ai BL. Tuttavia l’osservazione di Cen e colleghi è molto importante perché fornisce numeri su cui ragionare ed è un passo avanti concreto per la soluzione del mistero della fisica di questo elusivo fenomeno. C’è solo da sperare che le osservazioni continuino!

Note

1) Cen, J., Yuan, P. & Xue,S. (2013). Observation of the Optical and Spectral Characteristics of Ball Lightning, Physical Review Letters, 112, 035001.
2) Abrahamson, J. & Dinniss, J. (2000). Ball lightning caused by oxidation of nanoparticle networks from normal lightning strikes on soil, Nature, 403, 519-521; Abrahamson, J. (2002). Ball lightning from atmospheric discharges via metal nanosphere oxidation: from soils, wood or metals. Phil. Trans. Roy. Soc, v360, no. 1790, 61-88.