Capitolo II
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MECCANISMO DI SCARICA PER GRANDI DISTANZE (FULMINE)
GENERALITA’
Il punto di partenza per la nascita dei fulmini é la separazione di carica presente nelle nubi; essa dà
luogo ad un eccesso di carica positiva nella parte superiore della nube ed un eccesso di carica
negativa in quella inferiore. Pertanto la nube é assimilabile ad un enorme dipolo dell’ordine dei
chilometri.
Fig. 1.1 – Distribuzione di carica nella nube e campo elettrico nello spazio nube-terra.
Lo spazio tra nube e terreno é sede di un campo elettrico più o meno elevato a seconda della carica
elettrica contenuta. Se, sulla nube o sul terreno, il campo elettrico supera il valore critico per
l’innesco della scarica si ottiene la scarica atmosferica. Tale scarica può svolgersi entro una nuvola,
fra nuvole (lampi), fra una nube e l'aria circostante o fra una nube e terra.
I fulmini che interessano il terreno si possono classificare in base a due elementi:
Segno della carica della nube
Se la carica della nube é positiva si ha un fulmine positivo, se invece la carica della nube é negativa
si ha un fulmine negativo.
Ubicazione del raggiungimento del campo critico
Se il campo critico si raggiunge sulla nube si ha una scarica discendente se invece il campo critico
si raggiunge sul terreno si ha una scarica ascendente (é la direzione di moto del leader che
determina quella del fulmine).
In base a questi due elementi si possono avere quattro diversi tipi di fulmine:
1) ascendenti positivi;
2) ascendenti negativi;
3) discendenti positivi;
4) discendenti negativi.
In Italia si hanno principalmente fulmini discendenti negativi.
SCARICA DISCENDENTE
La scarica inizia dalla parte inferiore della nube a causa dell'intenso campo elettrico locale, favorita
dalla rarefazione atmosferica (nella curva di Paschen si é a sinistra del punto relativo alla pressione
atmosferica e quindi la tensione di scarica é più bassa, di conseguenza a parità di geometria la
scarica é favorita sulla nube piuttosto che sul terreno). Si forma quindi un canale ramificato che si
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propaga verso il terreno detto leader. Esso é più complesso del leader visto precedentemente: é
possibile distinguere il Leader Core, un nucleo altamente conduttore (gradiente longitudinale di
tensione pari a 100 V/cm, contro i 5÷10 kV/cm degli streamer) che ha un diametro dell’ordine di
alcuni centimetri, circondato da un involucro di carica spaziale molto meno conduttrice, il Corona
Leader, il cui raggio é pari anche a qualche decina di metri.
Il leader procede a zig–zag a seconda delle condizioni locali, con componente di moto
preponderante in direzione perpendicolare al terreno (parallelamente al campo elettrico
“medio”).Ciò é spiegabile in quanto su lunghe distanze si hanno variazioni molto significative della
pressione e dell’umidità dell’aria che possono agevolare od ostacolare localmente l’avanzamento
del leader. Tale modo di procedere é del tutto casuale dato che casuali sono le variazioni delle
caratteristiche dell’aria nei vari punti.
L’avanzamento del leader avviene per scatti successivi: percorso un tratto di qualche decina di
metri, il leader si ferma per un tempo pari a 20÷50 µs . Pertanto la velocità di avanzamento di ogni
gradino (considerando valori medi e quindi Lgradino ≈ 10 m e tgradino ≈ 30 µs) é di 0.3 m/µs che é pari
ad un millesimo della velocità della luce.
Il canale discendente procede verso terra, abbassando sempre più la carica sulla nube: il campo
elettrico sul terreno aumenta. Tale fenomeno si manifesta specialmente sulle sporgenze (tralicci)
ove il corona degenera in una controscarica ascendente (pari a qualche decina di metri) che incontra
il canale discendente. Si ottiene allora la cosiddetta scarica di ritorno (Return Stroke), la parte
visibile del fulmine, che si propaga verso l'alto lungo il canale con velocità pari a 0.1÷0.5c,
ottenendo lo smaltimento a terra delle cariche depositate lungo il canale discendente.
Si passa ora a calcolare la corrente del leader.
Si suppone di avere un tratto di lunghezza pari a 10m (Ltratto) e il tempo che si impiega a percorrerlo
sia di 30µs (∆Tratto). La lunghezza totale del fulmine sia di 30 Km (Lfulmine) e si suppone che la carica
(Q) lungo il percorso del fulmine sia pari a 5 C .
La corrente di leader iL vale:
dQ ∆QTratto
iL =
=
dt ∆tTratto
Inoltre:
5C
Q
5
∆QTratto =
⋅ LTratto ≅
⋅ 10 m = ⋅ 10 −2 C
Lf
3000 m
3
Pertanto:
5
⋅ 10 −2 C
∆QTratto 3
C
5
iL =
≅
= ⋅ 10 3 ≅ 600 A
s
∆tTratto 30 ⋅ 10 −6 s 9
Siccome il leader avanza a una velocità circa 1000 volte inferiore a quella della luce, nel caso del
return stroke , in cui si hanno velocità almeno 100 volte superiori, la corrente aumenterà di almeno
100 volte: si ottengono valori da 600 A a più di 60 kA.
Cessata la corrente di fulmine, sulla nube c’é ancora carica sufficiente e quindi, fra l'estremità
superiore del precedente condotto e la nube, si sviluppano delle scariche ramificate che drenano
queste cariche rendendole disponibili per un nuovo condotto discendente. Se questo avviene in un
tempo minore di 100 ms, si ha una scarica oscura (Dark Leader) che si sviluppa lungo il canale
creando le condizioni per una nuova scarica a terra (la scarica oscura non si ramifica e avanza con
continuità verso terra ad una velocità di circa 2 m/µs, depositando lungo il canale una carica minore
che non il primo condotto). Se invece questo avviene in un tempo maggiore di 100 ms la scarica
oscura può convertirsi in un avanzamento a gradini; se questi seguono il percorso del primo
condotto ionizzato, sono più corti e più frequenti che non quelli della prima scarica, altrimenti
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presentano caratteristiche identiche. Se infine i tempi sono maggiori di qualche centinaio di ms , il
secondo canale può svilupparsi come il primo, su un percorso del tutto diverso.
Esiste inoltre il fenomeno delle scariche multiple (solo per fulmini negativi, sia discendenti sia
ascendenti). L’intervallo fra i vari colpi é in genere compreso fra 0,2 e 0,02 secondi e il numero
delle scariche componenti può arrivare anche a 30, ma il valore più frequente é di 2 o 3 scariche
parziali.
I principali processi che hanno luogo in una scarica discendente sono riportati in Fig. 1.2.
Fig. 1.2 – Principali fasi di una scarica di fulmine discendente.
.
Tab. 1.1 – Caratteristiche normali di una scarica negativa di fulmine discendente.
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Si vede ora il tempo impiegato per la propagazione del leader, tTOT.
Dalle ipotesi precedenti:
tTOT ≅ tTratto ⋅ ntratti
cioè t TOT é dato dal prodotto del tempo impiegato a percorrere ciascun tratto per il numero di tratti.
Utilizzando i valori del calcolo di iL si ha:
numerotratti = nTratti =
Lf
LTratto
≅
3000
= 300 = 3 ⋅ 10 2
10
t Tratto = ∆t Tratto ≅ 30 ⋅ 10 −6 s = 3 ⋅ 10 −5 s
Quindi:
tTOT ≅ 3 ⋅ 10 −5 s ⋅ 3 ⋅ 10 2 = 9 ⋅ 10 −3 s
che, grosso modo, coincide con il
t TOT
riportato nella Fig. 1.2.
Si calcola ora il tempo che viene impiegato dal return stroke, tRS.
Essendo in tal caso la velocità delle cariche dell’ordine di quella della luce ( v RS ≅ 0,5 c ), si ha:
t RS =
Lf
v RS
≅
3000 m
= 20 µ s
0,5 ⋅ 300 m µ s
Se assumiamo invece che v RS = 0,1 c , avremo:
t RS =
Quindi:
Lf
v RS
≅
3000 m
= 100 µ s
0,1 ⋅ 300 m µ s
20 µ s ≤ t RS ≤ 100 µ s
in ottimo accordo con quanto riportato nella Fig. 1.2.
SCARICA ASCENDENTE
Si verifica quando sono presenti delle strutture molto alte ed appuntite sulle quali é possibile che,
durante l’attività temporalesca (scariche fra nubi), possano verificarsi gradienti tali da dare origine a
scariche ascendenti (leader ascendente). La sua estensione può arrivare fino a migliaia di metri
(scarica ascendente negativa; talora nel testo é anche indicata come controscarica) ottenendo gradini
che si ramificano, depositando lungo il percorso cariche di polarità opposta a quella della nube.
Il fenomeno (frazioni di secondo), é accompagnato da correnti modeste, mai superiori a qualche kA.
Se il canale ascendente incontra canali di scarica tra nubi o canali discendenti parzialmente
sviluppatisi, esso costituisce una via tra le nubi cariche ed il terreno portando alla scarica di fulmine.
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CARATTERISTICHE DELLA SCARICA DI FULMINE
Si analizzano le caratteristiche “medie”, del fulmine tipico.
FORME D’ONDA TIPICHE
Si possono avere due tipi di forma d’onda che si caratterizzano per il profilo di corrente:
Corrente ad impulso: Impulso di corrente con fronte ripido (0,5÷100 kA µs ), durata relativamente
breve (10÷100 µs all'emivalore) e ampiezza dell'ordine di 2÷200 kA
Corrente continuativa: Corrente con andamento irregolarmente piatto con almeno alcuni
millisecondi di durata (ampiezza di 10÷500 A, ma talora anche qualche kA per i fulmini negativi e
qualche decina di kA per quelli positivi). Essa potrebbe seguire un impulso oppure potrebbe
formarsi con un lento incremento di corrente e durare fino a qualche decimo di secondo.
Si rileva, in genere, che i fulmini ascendenti iniziano con una corrente continuativa di circa 100 A e
della durata di centesimi di secondo mentre i fulmini discendenti iniziano con una corrente ad
impulso.
Per quanto riguarda la scarica principale, essa ha il fronte inizialmente dolce e quindi più ripido.
Tale dolce pendenza corrisponde a una forte resistenza presente nei primi istanti (ramificazioni del
leader non ben saldate con quelle della controscarica). Successivamente la conduttività e la
pendenza aumentano, fino a 20 kA µs . Per le scariche successive (impulsi di una scarica multipla)
il fronte risulta essere sempre ripido. Le scariche successive, trovando un canale fortemente
ionizzato, presentano una notevole ripidità del fronte (fino a 70 kA µs con tempo alla cresta ≤1 µs )
(vedi Fig. 1.3).
Fig. 1.3 – Tipiche forme d’onda di correnti di fulmine.
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POLARITA’ DELLA SCARICA (caratteristiche associate)
La polarità di una scarica fra terra e nube é quella della carica della nube (l'80÷90% delle scariche
fra terra e nube sono negative).I fulmini negativi sono spesso multipli (impulsi ben distinti se di
ampiezza notevole, sovrapposti ad una corrente continuativa se deboli) mentre i fulmini positivi
sono quasi sempre singoli (impulso lungo, 1000 µs all'emivalore, e “piatto”, che spesso degenera
in una corrente continuativa di qualche kA).
Il leader carico negativamente, ascendente o discendente, avanza sempre a gradini (a ogni tratto si
illumina solo l'ultimo tratto se il fulmine é discendente, l'intero canale se il fulmine é ascendente). Il
leader ascendente carico positivamente prima non si vede (fino a 60 m), poi si vede a tratti fino a
150 metri, quindi assume forma visibile continua.
Il leader discendente carico positivamente avanza e si illumina con continuità.
Al fulmine discendente positivo é associata una controscarica di polarità negativa, assai lunga, fino
a 2000 m, mentre al fulmine discendente negativo é associata una controscarica positiva, molto più
corta, tra 20 e 70 m. In ogni caso, la corrente di controscarica, é qualche percento della corrente
d’impulso.
I fulmini di tipo positivo sono quelli ai quali é associata una corrente molto elevata; questa é dovuta
al fatto che nei fulmini positivi la carica che scende dalla nube é positiva e quindi é quella che si
trova nella parte superiore della nube per cui il condotto positivo é molto più lungo di quello
negativo dato che deve attraversare in altezza tutta la nube, vi é quindi un maggior contenuto di
carica nel condotto, di conseguenza la corrente é superiore, si ha però che l’andamento del fronte
non é così ripido dato che si incontra una contro scarica negativa molto lunga.
FATTORI CHE INFLUENZANO LE CARATTERISTICHE DEI FULMINI
Sono le caratteristiche orografiche della zona e il periodo dell’anno in cui si verifica il temporale
Configurazione orografica
Zone montagnose: si ha piccola distanza fra la terra e una nube, pertanto si hanno scariche a terra
prima che la nube sia ben carica. Questo fatto, unito alla modesta lunghezza del condotto di
fulmine, fa si che vi sia poca carica lungo il condotto comportando un’intensità di corrente di
fulmine abbastanza piccola. Essendo le nubi vicine al suolo si hanno in prevalenza fulmini
ascendenti (causa le asperità del terreno) e molto più frequenti che in pianura.
Zone pianeggianti: si ha grande distanza fra la nube e la terra, pertanto solo raramente il campo
elettrico é tale da consentire un fulmine fra nube e terra. In questo caso le nubi risultano ben cariche
e si hanno lunghi canali di scarica ottenendo pochi fulmini con corrente elevata. Essendo le nubi
lontane dal suolo prevalgono i fulmini discendenti (profilo altimetrico regolare)
N.B.: la corrente di picco é proporzionale alla carica contenuta nel condotto di fulmine, a sua volta
proporzionale alla lunghezza del condotto: tanto più lungo é il condotto tanto maggiore é la corrente
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di picco (nelle nubi si ha che la zona inferiore é negativa mentre quella superiore é positiva
ottenendo maggiore intensità di corrente massima per polarità positiva).
Periodo dell'anno
Estate: vi é notevole altezza delle nubi sul suolo ottenendo molte scariche tra nube e nube. Si ha
una brusca variazione del campo elettrico al suolo in presenza di una struttura appuntita portando a
una scarica ascendente (molto più frequenti di quelle discendenti). Avendo il canale grande
lunghezza, si ha una carica di qualche centinaio di Coulomb con correnti dell'ordine del migliaio di
ampere per tempi dell'ordine del decimo di secondo.
Altre stagioni: le nubi sono più basse; si ha scarica a terra prima che la nube sia ben carica e inoltre
sono meno frequenti le scariche fra nubi e quindi i fulmini ascendenti da queste causate.
DATI STATISTICI
Si riportano nelle figure seguenti (Fig. 1.4, Fig. 1.5) i risultati dei rilievi effettuati a Monte San
Salvatore (Lugano) dal Prof. Berger. Qui le condizioni ambientali sono più simili a quelle di
ripetitori e ponti radio piuttosto che di linee elettriche ed edifici in pianura. Risultano pertanto
applicabili solo i dati relativi ai fulmini discendenti.
Fig. 1.4 - Valori di cresta della corrente per fulmini positivi.
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Fig. 1.5 - Valori di cresta della corrente peri fulmini negativi.
Come si vede, i fulmini discendenti sono preponderanti rispetto a quelli ascendenti e questo si ha
specialmente per gli alti valori di corrente.
Dai diagrammi delle Figg.1.4 e 1.5, é possibile determinare i diagrammi di probabilità cumulata nei
quali si legge quale é la probabilità di avere un fulmine con corrente di cresta non superiore ad un
certo valore. Dai diagrammi di questo tipo, é poi possibile effettuare la progettazione probabilistica
dei sistemi di schermatura.
PARAMETRI PIU’ SIGNIFICATIVI AI FINE DEL DIMENSIONAMENTO DEI SISTEMI
ELETTRICI DI AT
Valore di cresta della corrente
Ad esso corrisponde il valore massimo della sovratensione atmosferica; essa andrà a sollecitare i
dielettrici presenti nelle apparecchiature colpite. Di esso si tiene conto sia nel dimensionamento
degli elettrici che nel posizionamento delle funi di guardia (che servono per proteggere le linee e le
apparecchiature dalla fulminazione diretta). E’ importante anche per quanto riguarda il
dimensionamento delle protezioni come gli scaricatori.
Carica totale trasportata dalla corrente di fulmine
Essa non dipende tanto dal valore di picco ma é legata al numero di fulminazioni e dalla polarità
della scarica (se é positiva la carica é maggiore). La carica totale trasportata é importante, dato che
ad essa é legata la valutazione dell’energia dissipata.
Tale valutazione é importante per gli scaricatori dato che durante il loro funzionamento la tensione
é costante indipendentemente dalla corrente: l’energia dissipata in esso é pari al prodotto VQ .
Energia passante:
∫i
2
dt
E’ una quantità importante dato che é legata all’energia che é dissipata nei conduttori ohmici (in
essi durante la scarica ciò che resta costante é la resistenza). Il prodotto della resistenza per questa
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quantità fornisce l’energia dissipata. Si ha quindi una sollecitazione termica dei conduttori che può
anche danneggiarli.
Derivata della corrente: (di dt ) Max
Ad essa é legata la caduta di tensione massima che si può avere sui conduttori lungo i quali scorre la
corrente di fulmine. Tale caduta di tensione é data dal prodotto dell’induttanza di linea per
(di dt ) Max . Essa può creare delle sovratensioni tra le calate e le parti metalliche poste in prossimità
di queste.
STRATEGIE DI PROTEZIONE DALLE FULMINAZIONI
1) protezione: scongiurare la fulminazione diretta del componente (ad es. mediante funi di guardia,
nel caso delle linee aeree);
2) attenuazione delle sovratensioni: ridurre, in caso di fulminazione, la massima sovratensione sul
componente mediante un componente protettore (scaricatore o spinterometro);
3) dimensionamento (probabilistico): si dimensiona il componente colpito, quando possibile con
criteri probabilistici, in modo tale che la distruzione del componente in seguito a fulminazione abbia
una probabilità sufficientemente bassa. Per far ciò si ricorre a diagrammi come quelli di Fig. 1.4. e
Fig. 1.5 (adattati alle varie zone).
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