Filmati dettagliati rivelano finalmente cosa scatena i fulmini

 

Filmati dettagliati rivelano finalmente cosa scatena i fulmini

Gli scienziati non sono mai stati in grado di spiegare adeguatamente da dove vengono i fulmini. Ora le prime osservazioni dettagliate del suo emergere all'interno di una nuvola hanno esposto come i campi elettrici diventano abbastanza forti da far volare i fulmini.


Durante un temporale estivo nel 2018, un fulmine epocale è balenato sopra una rete di radiotelescopi nei Paesi Bassi. Le registrazioni dettagliate dei telescopi, che sono state elaborate solo di recente, rivelano qualcosa che nessuno ha mai visto prima: un fulmine che si avvia effettivamente all'interno di una nuvola di tuoni.


In un nuovo documento che sarà presto pubblicato sulla rivista Geophysical Research Letters, i ricercatori hanno usato le osservazioni per risolvere un lungo dibattito su ciò che innesca il fulmine - il primo passo nel misterioso processo con cui i fulmini nascono, crescono e si propagano al suolo. "È piuttosto imbarazzante. È il processo più energetico del pianeta, abbiamo religioni incentrate su questa cosa, e non abbiamo idea di come funzioni", ha detto Brian Hare, un ricercatore di fulmini all'Università di Groningen e co-autore del nuovo documento.

L'immagine da manuale scolastico è che, all'interno di una nuvola di tuoni, la grandine cade mentre i cristalli di ghiaccio più leggeri salgono. La grandine sfrega via gli elettroni caricati negativamente dei cristalli di ghiaccio, portando la parte superiore della nuvola a caricarsi positivamente mentre la parte inferiore si carica negativamente. Questo crea un campo elettrico che cresce fino a quando una gigantesca scintilla salta attraverso il cielo.

Eppure i campi elettrici all'interno delle nuvole sono circa 10 volte troppo deboli per creare scintille. "La gente ha mandato palloni, razzi e aeroplani nei temporali per decenni e non ha mai visto campi elettrici abbastanza grandi", ha detto Joseph Dwyer, un fisico dell'Università del New Hampshire e un co-autore del nuovo documento che si è interrogato sulle origini del fulmine per oltre due decenni. "È stato un vero mistero il modo in cui questo accade".

Un grande impedimento è che le nuvole sono opache; anche le migliori telecamere non possono sbirciare all'interno per vedere il momento dell'inizio. Fino a poco tempo fa, questo ha lasciato agli scienziati poca scelta se non quella di avventurarsi nella tempesta - qualcosa che hanno provato fin dal famoso esperimento dell'aquilone di Benjamin Franklin del 1752. (Secondo un resoconto contemporaneo, Franklin attaccò una chiave a un aquilone e lo fece volare sotto un temporale, osservando che l'aquilone si elettrizzava). Più recentemente, palloni meteorologici e razzi hanno offerto istantanee dell'interno, ma la loro presenza tende a interferire con i dati creando artificialmente scintille che non si verificherebbero naturalmente. "Per molto tempo non abbiamo davvero saputo quali sono le condizioni all'interno di un temporale nel momento e nel luogo in cui il fulmine inizia", ha detto Dwyer.

Così Dwyer e il suo team si sono rivolti al Low Frequency Array (LOFAR), una rete di migliaia di piccoli radiotelescopi per lo più in Olanda. LOFAR di solito guarda le galassie lontane e le stelle che esplodono. Ma secondo Dwyer, "si dà il caso che funzioni molto bene anche per misurare i fulmini".

Quando i temporali rotolano sopra la testa, c'è poca astronomia utile che LOFAR può fare. Così, invece, il telescopio sintonizza le sue antenne per rilevare una raffica di circa un milione di impulsi radio che emanano da ogni lampo. A differenza della luce visibile, gli impulsi radio possono passare attraverso le nuvole spesse.

Usare i rivelatori radio per mappare i fulmini non è una novità; antenne radio costruite appositamente hanno osservato a lungo le tempeste nel New Mexico. Ma queste immagini sono a bassa risoluzione o solo in due dimensioni. LOFAR, un telescopio astronomico all'avanguardia, può mappare l'illuminazione su una scala metro per metro in tre dimensioni, e con un frame rate 200 volte più veloce di quello che gli strumenti precedenti potevano raggiungere. "Le misurazioni del LOFAR ci stanno dando la prima immagine veramente chiara di ciò che sta accadendo all'interno del temporale", ha detto Dwyer.

Un fulmine che si materializza produce milioni di impulsi radio. Per ricostruire un'immagine 3D del fulmine dall'accozzaglia di dati, i ricercatori hanno impiegato un algoritmo simile a quello utilizzato negli allunaggi dell'Apollo. L'algoritmo aggiorna continuamente ciò che è noto sulla posizione di un oggetto. Mentre una singola antenna radio può solo indicare la direzione approssimativa del flash, l'aggiunta di dati da una seconda antenna aggiorna la posizione. Mettendo costantemente in loop migliaia di antenne di LOFAR, l'algoritmo costruisce una mappa chiara.

Quando i ricercatori hanno analizzato i dati del lampo dell'agosto 2018, hanno visto che gli impulsi radio provenivano tutti da una regione larga 70 metri in profondità all'interno della nube temporalesca. Hanno subito dedotto che lo schema degli impulsi supporta una delle due principali teorie su come il tipo più comune di fulmine viene avviato.

Un'idea sostiene che i raggi cosmici - particelle provenienti dallo spazio esterno - si scontrano con gli elettroni all'interno dei temporali, innescando valanghe di elettroni che rafforzano i campi elettrici.

Le nuove osservazioni indicano la teoria rivale. Inizia con gruppi di cristalli di ghiaccio all'interno della nube. Le collisioni turbolente tra i cristalli a forma di ago spazzano via alcuni dei loro elettroni, lasciando un'estremità di ogni cristallo di ghiaccio caricata positivamente e l'altra negativamente. L'estremità positiva attira elettroni dalle molecole d'aria vicine. Altri elettroni fluiscono dalle molecole d'aria che sono più lontane, formando nastri di aria ionizzata che si estendono da ogni punta di cristallo di ghiaccio. Questi sono chiamati streamer.

Ogni punta di cristallo dà origine a orde di stelle filanti, con le singole stelle filanti che si diramano ancora e ancora. Le stelle filanti riscaldano l'aria circostante, strappando in massa elettroni dalle molecole d'aria in modo che una corrente più grande fluisca sui cristalli di ghiaccio. Alla fine una stella filante diventa abbastanza calda e conduttiva da trasformarsi in un leader - un canale lungo il quale una striscia di fulmini a tutti gli effetti può improvvisamente viaggiare.

"Questo è ciò che stiamo vedendo", ha detto Christopher Sterpka, primo autore del nuovo lavoro. In un filmato che mostra l'inizio del flash che i ricercatori hanno fatto dai dati, gli impulsi radio crescono esponenzialmente, probabilmente a causa del diluvio di streamers. "Dopo che la valanga si ferma, vediamo un leader del fulmine nelle vicinanze", ha detto. Negli ultimi mesi, Sterpka ha compilato più filmati di inizio fulmini che sembrano simili al primo.

Il ruolo chiave dei cristalli di ghiaccio si combina con le recenti scoperte che l'attività dei fulmini è scesa di oltre il 10% durante i primi tre mesi della pandemia COVID-19. I ricercatori attribuiscono questo calo alle chiusure, che hanno portato a meno inquinanti nell'aria, e quindi meno siti di nucleazione per i cristalli di ghiaccio.

"I passi stabiliti da LOFAR sono certamente molto significativi", ha detto Ute Ebert, un fisico dell'Università di Tecnologia di Eindhoven nei Paesi Bassi che studia l'innesco dei fulmini ma non è stato coinvolto nel nuovo lavoro. Ha detto che i filmati di iniziazione di LOFAR offrono un quadro da cui partire per costruire accurati modelli e simulazioni di fulmini, che fino ad ora sono stati frenati da una mancanza di dati ad alta risoluzione.

Ebert nota, tuttavia, che nonostante la sua risoluzione, il filmato di iniziazione descritto nel nuovo documento non immagina direttamente le particelle di ghiaccio che ionizzano l'aria - mostra solo ciò che accade immediatamente dopo. "Da dove viene il primo elettrone? Come inizia la scarica vicino a una particella di ghiaccio?", ha chiesto. Pochi ricercatori ancora favoriscono la teoria rivale che i raggi cosmici iniziano direttamente il fulmine, ma i raggi cosmici potrebbero ancora giocare un ruolo secondario nella creazione di elettroni che innescano le prime stelle filanti che si collegano ai cristalli di ghiaccio, ha detto Ebert. Esattamente come le stelle filanti si trasformano in leader è anche una "questione di grande dibattito", ha detto Hare.

Dwyer spera che LOFAR sarà in grado di risolvere questi processi su scala millimetrica. "Stiamo cercando di vedere quelle prime piccole scintille che si staccano [dai cristalli di ghiaccio] per catturare l'azione di iniziazione proprio all'inizio", ha detto.

L'iniziazione è solo il primo di molti passi intricati che il fulmine compie sulla sua strada verso il suolo. "Non sappiamo come si propaga e cresce", ha detto Hare. "Non sappiamo come si collega al suolo". Gli scienziati sperano di mappare l'intera sequenza con la rete LOFAR. "È una capacità completamente nuova, e penso che aumenterà la nostra comprensione dei fulmini a passi da gigante", ha detto Julia Tilles, una ricercatrice di fulmini al Sandia National Laboratories nel New Mexico.



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