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Raggi cosmici e fulmini

Due fenomeni uniti da una stretta parentela

L'elettricità in atmosfera e anche nello spazio è un fenomeno molto importante, tuttavia raramente gli si attribuisce l'importanza dovuta, sia in meteorologia che in astrofisica.

La terra è come un grosso condensatore carico, la sua lastra negativa è il suolo e la sua lastra positiva è la ionosfera, in mezzo c'è il "dielettrico" ovvero l'aria che però da terra fino alla ionosfera non ha una densità costante, cioè non è un dielettrico isotropo e questo complica le cose sul modello di condensatore. L'aria ha una rigidità dielettrica di 3000 Volt per mm, questo vuol dire che due fili carichi distanti 1 mm produrranno una scintilla se la tensione tra di loro è almeno di 3 kV. La tensione elettrica in aria è di circa 130 volt per metro lineare, quindi da terra fino alla ionosfera ci sono la bellezza di circa 100.000 Volt; in alcune occasioni ce ne accorgiamo, quando ad esempio scendiamo dall'automobile e tocchiamo la portiera, tutto questo con con tempo sereno. Se ci sono temporali la situazione si complica e le cariche elettriche locali raggiungono tranquillamente i milioni di Volt. Questi sono i valori indispensabili - ma non sufficienti - per fare scoccare la scintilla tra le nuvole.


Cosa sono i fulmini lo sanno più o meno tutti, sono scariche elettriche che si propagano in atmosfera tra nuvola e nuvola, oppure tra nuvola e terra. In generale, la formazione di una scarica elettrica dipende dalla tensione elettrica e dal dielettrico presente, cioè la materia in cui si crea il campo elettrico. La distanza tra le cariche negative e positive è un'altro fattore determinante. La relazione tra la distanza delle cariche elettriche, la pressione e la tensione necessaria per fare scoccare l'arco elettrico in un determinato gas è esposto dalla legge di Paschen [1].

Dove Vs è la tensione di "scarica" che dipende da una serie di parametri: P la pressione, d la distanza, Vi il potenziale di ionizzazione del gas, Pa la pressione a livello del mare, L il percorso libero molecolare medio (la distanza raggiunta da due molecole prima di urtarsi) e γ il coefficiente di elettroni secondari (esempio cascate Townsend).

Per quanto complesso, questo è un modello di partenza che vale in certe condizioni, tuttavia in atmosfera le cose sono sempre molto complicate. In campo aerospaziale la corrente elettrica in atmosfera è presa in seria considerazione, dato che i velivoli accumulano cariche elettriche per effetto triboelettrico (strofinamento), questo è un dato che fa parte anche dei protocolli necessari per il lancio di un razzo nello spazio, determinate condizioni elettriche atmosferiche possono infatti far rimandare la partenza di un vettore, i rischi maggiori sono legati alla distruzione degli elementi di comunicazione, come le antenne e apparati elettronici connessi. Alcuni ricercatori si stanno anche interrogando sui possibili rischi delle scariche elettriche per future missioni nell'atmosfera di Marte[2].

Una cosa scoperta relativamente di recente è che la scarica del fulmine viene preceduta da una scarica di intensità minore chiamata "step leader", questa "corrente parassita" è composta da cariche elettriche che ricercano la strada più semplice per raggiungere il potenziale elettrico di carica opposta (la corrente elettrica un po' come l'acqua segue il percorso più breve). Quando la strada è aperta, la ionizzazione è tale da far partire la scarica vera e propria che è ciò che chiamiamo fulmine. Questa scoperta è stata possibile grazie alle fotocamere ad altissima velocità, come esposto nel video seguente.



La maggior parte dei fulmini sono chiamati negativi. perchè la scarica elettrica avviene dalla base della nuvola che possiede una carica negativa e la superficie del suolo che si ricopre di cariche positive (nonostante il suolo sia negativo). Più rari sono i fulmini positivi, dove l'arco elettrico parte dalla sommità della nube e scarica direttamente al suolo negativo. Questi ultimi sono molto più potenti dei primi, inoltre da non molto tempo è noto che quando avviene una scarica positiva si genera anche una scarica verso la ionosfera, queste scariche sono chiamate sprites (sono stati osservati anche in concomitanza con fulmini negativi) e rientrano nella categoria dei fenomeni elettrici transienti (TLE).



Fulmini positivi (+) e negativi(-).


Esistono diversi altri fenomeni elettrici ancora poco conosciuti e la cui formazione è solo oggetto di speculazioni e sono sempre catalogati sotto la voce di TLE (Transient Luminous Event). Ma non è finita, i fulmini hanno così tanta energia che i fotoni sono talmente veloci da entrare nel dominio dei raggi X e gamma e sostanzialmente quasi ogni fulmine emette brevi flash in raggi X e gamma. Altri fenomeni gamma sono stati osservati nelle nubi temporalesche, questa volta però sono eventi di lunga durata (runaway breakdown - vedi più avanti) e sembra che siano elettroni prodotti dai raggi cosmici e accelerati dai campi elettrici presenti all'interno dei temporali. Per aumentare la confusione recentemente sono stati osservati dai satelliti in orbita, anche raggi gamma in condizioni di assoluto cielo sereno.



Esempio di alcuni eventi elettrici in atmosfera chiamati TLE.


L'osservatorio di raggi cosmici LOFAR in Olanda ha trovato un metodo d'avanguardia per determinare il potenziale elettrico delle nubi tramite la deflessione dei muoni "cosmici". Questa tecnica seppur giovane e probabilmente da affinare ha evidenziato che la differenza di potenziale nelle nubi sfiora il miliardo di Volt! Un problema grosso nella formazione dei fulmini, in effetti è che il potenziale elettrico delle nubi non sarebbe sufficiente per innescare l'arco elettrico, ecco quindi che il ruolo dei raggi cosmici sarebbe determinante per innescare la scintilla principale. Le cascate elettrofotoniche, all'interno degli sciami di raggi cosmici secondari hanno un grande potere di ionizzazione, questo può influire sulla quantità di cariche elettriche e agevolare il percorso dello "step leader". Se prendiamo come riferimento la legge di Paschen, possiamo semplicemente osservare che i raggi cosmici influiscono sul parametro γ (il coefficiente di elettroni secondari) che si trova al denominatore, se questo aumenta, la scintilla puo generarsi con una tensione minore (considerando costanti gli altri parametri).

Un'altra spiegazione di come i raggi cosmici possono agevolare la scarica elettrica è la teoria di "runaway breakdown", questa teoria è stata presa in considerazione grazie alla scoperta dei segnali radio provenienti dai fulmini, brevemente consiste nel fatto che elettroni veloci, in certe condizioni - come nei campi elettrici delle nubi - possono accelerare la loro velocità e interagendo con la materia producono altri elettroni accelerati creando una moltiplicazione di elettroni a valanga. Questa teoria funziona, solo se sono presenti elettroni iniziali aventi le caratteristiche appunto di quelli degli sciami dei raggi cosmici.


Stazione scientifica Tien-Shang in Kazakistan [3].


Per mantenere carico il condensatore terrestre servono un migliaio di temporali in ogni istante e una domanda che può sembrare banale è: da dove arrivano tutte le cariche elettriche necessarie a sostenere questo circuito? La risposta è da cercare nello spazio, il Sole disperde una grande quantità di plasma nello spazio che è chiamato vento solare, ma questo non è altro che un fiume di cariche elettriche che rifornisce due serbatoi situati nella magnetosfera terrestre: le fasce di Van Allen. Queste zone dello spazio possono essere altrettanto considerate dei condensatori che a loro volta si scaricano e gradualmente iniettano particelle cariche (elettroni e protoni) nella ionosfera. Il vento solare in relazione all'intensità dei fulmini è stato oggetto anche di un'approfondita ricerca [4], uno dei tanti lavori che sottolineano come il funzionamento del nostro pianeta dipende direttamente dal Sole più di quanto vogliamo credere.

Dal punto di vista della ricerca coi raggi cosmici, LOFAR sta aprendo molte porte interessanti, gli sciami delle particelle cosmiche in atmosfera emettono onde radio, e LOFAR è uno dei pochi osservatori che ricostruisce la forma dello sciame attraverso i segnali radio. Le ricerche in corso sulla relazione tra fulmini e raggi cosmici sono innumerevoli, dal punto di vista didattico, qualche anno fa abbiamo anche effettuato un tentativo per mettere in relazione i dati registrati con i rivelatori di muoni AMD5 con quelli di un improvvisato prototipo di rivelatore di fulmini. I problemi però sono numerosi, in particolare il numero di falsi segnali registrati in una abitazione è molto alto e interpretato dal rivelatore come fulmine. Il progetto iniziale chiamato SCALMANA (Signal Comparison Among Lightning and Mean Astroparticle Number Activity) anche per questioni di tempo da dedicarvi è stato accantonato. Tuttavia LOFAR ha indicato un'altra via: dato che il flusso di muoni viene in qualche modo alterato dal potenziale elettrico nelle nubi, i rivelatori di ADA potrebbero trovare una relazione anche tra le tempeste e i raggi cosmici.

Marco Arcani



Mappa in tempo reale da Euclid.org.


 

[1] Semanticscholar

[2] Academia

[3] American Institute of physics

[4] Iopscience


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Astroparticelle - schegge per lo sviluppo della conoscenza...


⚛ In primo piano

Astroparticelle.it compie 10 anni!

Era il 19 maggio 2010 quando per qualche misterioso impulso decisi di registrare il dominio "astroparticelle.it" dedicato allo studio sui raggi cosmici. Sono passati solo dieci anni, eppure nel frattempo sono cambiate moltissime cose; dieci anni fa le nozioni sulle particelle cosmiche erano confinate in qualche sintetico paragrafo di pochi libri di astronomia, oppure trattate in pubblicazioni specializzate. In dieci anni si può dire che a livello popolare e scolastico ora questa materia è sicuramente conosciuta. La spinta principale credo sia dovuta al centenario del 2012 che ha rilanciato questi temi a livello popolare e ha alimentato la scrittura di molti articoli e libri, tuttora credo siano quattro i libri in italiano reperibili sui raggi cosmici. Nel 2012 insieme alla spedizione VHANESSA in mongolfiera è stato inaugurato il primo "International Cosmic Day" e nel 2013 è nato il nostro progetto ADA, così questa disciplina scientifica non poteva non dilagare anche in ambito scolastico.


La homepage così come appariva nel 2010.

In questa decade sono stati fatti anche grandi passi in campo tecnologico, basti pensare alle tomografie a muoni, al rilevamento dei raggi cosmici tramite le onde radio o all'utilizzo degli isotopi cosmogenici nel campo della datazione di elementi ed eventi geologici e molto altro. Credo che un piccolo merito sulla divulgazione della fisica dei raggi cosmici sia da attribuire a questo portale, a tutte le persone che vi hanno collaborato e che hanno saputo intuire le potenzialità di questa materia incredibilmente multidisciplinare. Sono davvero molti quelli che hanno contribuito al sito astroparticelle, ai suoi esperimenti e al progetto ADA, persone anzi direi scienziati che dovrei ringraziare uno ad uno, ma che evito di elencare solo per il terrore di dimenticare qualcuno (ma presto ci dovrò provare). Attualmente sono oltre trentotto gli studiosi coinvolti nel progetto ADA e più di cento gli iscritti che ricevono la newsletter annuale.

Per celebrare i dieci anni erano in progetto alcune novità, la situazione COVID-19 ha ovviamente bloccato anche questo, ma il 2020 non è ancora finito e vedremo se nei prossimi mesi sarà possibile recuperare qualcosa...

M.A.


Conferenza streaming online 25.05.2020 ore 21.00

Il ruolo dei raggi cosmici nello studio di pianeti e meteoriti
Rel. Marco Arcani

Particelle subatomiche generate dalle stelle si diffondono nello spazio, sono chiamate astro-particelle o raggi cosmici. La fisica dei raggi cosmici è una scienza multidisciplinare che negli ultimi decenni ha visto una rapida evoluzione in molti dei suoi settori, come quello della datazione degli elementi. Le raffinate analisi di laboratorio abbinate ai modelli di intelligenza artificiale permettono oggi di ottenere risultati molto più precisi rispetto a qualche decina di anni fa. I raggi cosmici come proiettili bombardano perennemente l’atmosfera e modificano gli elementi chimici che incontrano in aria e al suolo. Il carbonio radioattivo o C-14 è l’isotopo più noto creato dalle particelle cosmiche, con questo elemento si possono datare i reperti organici, cioè quelli “viventi” come tessuti naturali, opere in  legno ed esseri del regno animale. Esistono tanti altri elementi prodotti dai raggi cosmici che permettono oggi di datare le rocce e gli eventi geologici e climatici nel passato. Ma c’è molto di più, coi neutroni cosmici possiamo sapere se il suolo dei pianeti che studiamo contiene l’essenza della vita, ovvero l’acqua. Le meteoriti invece ci raccontano la storia del sistema solare attraverso la scrittura delle particelle cosmiche incise nella loro intima natura. La radiazione cosmica che può essere letale per le forme di vita, mostra anche la sua faccia opposta andando a seminare elementi utili alla creazione di un’atmosfera e un ambiente adatto per la formazione di vita primordiale a base di carbonio. Questo è quello che si osserva nelle atmosfere di pianetini del sistema solare come Titano (il satellite maggiore di Saturno) e nei pianeti extrasolari simili alla Terra.





Muon Monitor in real time




News dal Mondo


A caccia di "elfi" in Argentina 12.06.2020

Potenti fulmini che trasportano più di 100 kA di corrente possono generare anelli di luce in espansione alla base della ionosfera a circa 85 chilometri dalla superficie terrestre. Queste manifestazioni elettromagnetiche sono state chiamate "elfi" e sono state avvistate per la prima volta dallo space shuttle nel 1989. L'osservatorio di raggi cosmici Auger in Argentina sta aiutando gli scienziati a studiare questi fenomeni attraverso i suoi telescopi a luce fluorescente...


Image: Timo Kantola

Fonte: EOS


AMS rivela un peculiare spettro di ioni 05.05.2020

AMS è lo spettrometro di massa collegato alla stazione spaziale internazionale, dopo aver raccolto milioni di dati su neon, silicio e magnesio è emerso che lo spettro di questi elementi ha molte similitudini con quello di elio carbonio e ossigeno analizzato nel 2017. La caratteristica osservata è che il flusso in relazione all'energia si discosta dalla relazione lineare tipica per questi ioni, con diverse ondulazioni sovrapposte. Una prima interpretazione  suggerisce che i raggi cosmici siano modultai da un turbolento e magnetizzato mezzo interstellare. Il silicio ha un'alta propabilità di essere frammentato in nuclei più piccoli, trovarlo intatto insieme ad altri elementi pesanti, potrebbe significare che arrivi da più vicino, in sostanza prodotto da sorgenti differenti rispetto ad altri elementi...

Fonte: APS


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