Nei primi 20 km di atmosfera è sempre presente un campo elettrico detto ‘di bel tempo’, con valori vicino al suolo compresi tra 120 e 360 V/m. Ciò è dovuto alla presenza di uno strato di atmosfera con ottime capacità conduttive al di sopra dei 20 Km che rendono il sistema Terra-atmosfera molto simile ad un grande condensatore. L’atmosfera funziona quindi come dielettrico tra le pareti del condensatore costituito dalla Terra stessa (come armatura negativa) e da questo strato conduttore come armatura positiva. In realtà l’aria è un isolante quanto mai imperfetto e si stima che vi sia costantemente una corrente di 1800 A tra l’atmosfera e la Terra. Poiché questa corrente non diminuisce occorre immaginare dei meccanismi di ricarica degli strati alti di atmosfera.
Si ritiene oggi che questi meccanismi siano proprio gli stessi temporali.
Passando ora alla generazione della differenza di potenziale all’interno della nube, vari meccanismi sono stati proposti ma il dibattito in realtà è ancora aperto.
Sembra comunque che i modi di caricamento derivino da processi di induzione tra gocce o dall’effetto termoelettrico nei cristalli di ghiaccio che costituiscono le nubi.
Effetto termoelettrico
Un cristallo di ghiaccio le cui estremità siano poste a temperature differenti vede tra esse una differenza di potenziale. E’ stato stimato che la ddp è (in microvolt), dell’ordine del doppio della differenza di temperatura, espresso in Kelvin:
DV(uV)=2DT(K)
Ciò si spiega con la diversa dissociazione delle molecole d’acqua al variare della temperatura e la diversa mobilità degli ioni negativi (OH-, molto grandi e poco mobili) e gli ioni positivi (H+, piccoli e più disposti a migrare). Ciò infatti fa sì che gli ioni H+ si distribuiscano meglio degli altri all’interno del cristallo, creando quindi un deficit di cariche positive all’estremo caldo e un eccesso a quello freddo.
Se a questo punto una particella ghiacciata più calda dell’aria circostante calda in caduta urta un cristallo di ghiaccio più freddo, per effetto termoelettrico
Quando particelle di ghiaccio a diverse temperature vengono in contatto, le cariche positive si diffondono più velocemente delle negative, il che conferisce alle più fredde una carica netta positiva. Poiché è probabile che le particelle calde siano quelle più grandi ed in caduta, (il congelamento infatti rilascia calore) il bilancio di tutto ciò è un accumulo di cariche negative verso il basso della nube ed un aumento di conseguenza di quelle positive in alto.
Caricamento per induzione
Considerando due gocce, neutre, immerse nel campo elettrico di bel tempo, esse si polarizzano a causa del campo elettrico esterno e ciò comporta un addensamento di cariche positive nella parte più negativa del campo e un conseguente eccesso di cariche negative verso la parte più positiva, che ricordiamo essere verso l’alto.
Immaginiamo ora che una goccia grande urti una più piccola cadendo. La parte inferiore della goccia in caduta sarà per quanto detto carica positivamente, mentre la parte superiore della goccia urtata sarà negativa. Nell’istante di contatto le due vengono a formare un unico conduttore e pertanto le cariche nella zona di contatto tenderanno ad equilibrarsi, rendendo la goccia superiore carica negativamente e quella inferiore positivamente. Se il processo si conclude con il distaccamento delle gocce urtanti il risultato sarà che quella pesante, in caduta, risulta negativa, mentre quella leggera in sospensione resterà carica positivamente. Ciò comporta un rafforzamento del campo di bel tempo e una maggiore polarizzazione di nuove gocce, generando una retroazione positiva fino al raggiungimento della rigidità dielettrica dell’atmosfera e la generazione di una scarica.
Conclusioni
In realtà anche vari altri meccanismi sono stati proposti, ma poiché la verifica sperimentale è molto complessa, le discussioni sono ancora aperte.
Più probabilmente nella generazione della differenza di potenziale tra bassa ed alta atmosfera si ha la concorrenza dei vari meccanismi a seconda delle condizioni all’interno delle nubi.
Alla fine, comunque, quando il campo elettrico generato con questi meccanismi supera la rigidità dielettrica dell’aria (cioè è così intenso da riuscire a ionizzare le stesse molecole d’aria), si assiste alla scarica vera e propria che costituisce il fulmine. Il valore di soglia è di circa 3 10^6 V/m, ma in presenza di punte come alberi o edifici si può avere scarica per valori medi molto più bassi. Ma questa è un’altra storia…