Introduzione

I Fulmini Globulari vengono descritti come entità fisiche confinate in una data regione dello spazio, luminose, mobili e di forma globulare (per lo più sferica). Riferimenti ai Fulmini Globulari o Ball Lightning (BL) possono essere trovati in numerose pubblicazioni e scritti vecchi anche di centinaia di anni. Ad esempio F. Arago (1786-1853) direttore dell'osservatorio di Parigi dal 1830 in poi, nella sua opera "Thunder and Lightning" (1859) espone 30 rapporti di BL osservati fra il 1718 e la metà del XIX secolo. Ben note sono anche le descrizioni dei BL dell'Astronomo francese C.Flammarion: nell'articolo "Le victime de la foudre et ses caprices", (1904) descrive 20 osservazioni di BL di cui le prime addirittura del 1557. Anche il grande M.Faraday (1791-1867) si occupò di BL, rifiutando la teoria che li interpretava come una semplice scarica elettrica. Per Lord Kelvin (1824-1907) i BL erano pure illusioni ottiche. In Italia i primi studi sui BL si devono a I.Galli che dal 1910 al 1914 pubblicò una serie di Memorie sotto la "Pontificia Accademia Reale dei Nuovi Lincei".

Le caratteristiche di un BL, come vedremo fra poco, sono tali da distinguerlo dagli altri fenomeni elettrici che hanno luogo nella troposfera. Proprio per queste proprietà i BL sono ancora fra i fenomeni atmosferici meno compresi e una teoria che li interpreti in tutti i loro aspetti deve essere ancora scritta. Perché questa situazione? Per il semplice motivo che le descrizioni dei BL provengono da osservazioni di tipo visuale di testimoni occasionali e la quantità di informazioni che possono essere estratte sono limitate. La parte del "leone" la fanno le testimonianze Russe (ex Unione Sovietica) che da sole costituiscono quasi il 60% delle osservazioni. In ordine sparso seguono altri paesi. L'Italia è assente.
 

Per una accurata trattazione su tutte le caratteristiche note dei BL si può vedere (Barry, 1980).

Proprietà osservabili dei BL

Forma e dimensione

Nella maggior parte dei casi i BL vengono descritti come sfere. Non mancano però testimonianze su BL di forma ovale o cilindrica. Le dimensioni delle "sfere" vanno da pochi cm a diversi metri. Il diametro più comune è compreso fra 10 e 40 cm. Le dimensioni di un BL sono importanti perché permettono di calcolare la densità di energia interna, un parametro che può fare luce sul meccanismo di produzione dell'energia radiante emessa dai BL. Non è detto che il diametro "ottico" di un BL coincida con quello effettivo del fenomeno. Purtroppo non esistono osservazioni Ir o UV dei BL.
 

Colore

Nella maggior parte dei rapporti i BL vengono descritti come sfere colorate, di solito rosse, gialle o giallo-rosse. Il bianco è riportato in circa 1/5 delle testimonianze. Altri colori, come il blu e il verde, sono riportati più raramente. Non c'è nessuna correlazione fra colore e dimensioni. Il colore di un BL può indicare quali elementi chimici siano presenti, in modo analogo a quello che succede per le meteore. Ad esempio il giallo e il rosso possono essere dovuti alla presenza di idrocarburi, il bianco e il bianco-giallo alle righe di emissione della CO₂, il verde al Rame e così via.
 

Struttura

Un BL può apparire in 3 modi distinti: solido (con un involucro che sembra riflettere la radiazione dell'ambiente esterno), rotante e in "combustione". Quest'ultimo aspetto è caratteristico dei BL con piccolo diametro (< 40 cm). I BL rotanti invece sono multicolori e circondati da un involucro semitrasparente.

Moto

Il moto è la caratteristica distintiva dei BL. Può essere di vari tipi:

- Da nube a nube

- Dal suolo alle nubi (rarissimo)

- Dalle nubi verso il suolo

- Orizzontale in prossimità del suolo

- Moto random in prossimità del suolo

- Stazionario

come si può vedere il comportamento è piuttosto vario. Non c'è nessuna correlazione fra colore e tipo di moto. I BL, nella stragrande maggioranza dei casi, non si presentano con moto ascendente e questo impedisce di vederli come semplici sfere di aria calda a pressione atmosferica soggette alla sola forza di gravità. Alcuni BL sembrano attratti dagli oggetti metallici posti al suolo e ci sono testimonianze di BL in moto controvento. Evidentemente questi comportamenti sono originati da una sensibilità dei BL ai campi elettrici locali. Le velocità tipiche dei BL, stimate da osservazioni visuali, sono dell'ordine di alcuni m/s.

Suono

Certe volte le testimonianze riportano di sibili emessi dai BL, quindi una parte dell'energia contenuta nei BL viene emessa sotto forma di onde acustiche. Va ricordato che anche i fuochi di St. Elmo emettono un suono. Questa proprietà di alcuni BL non è quindi così "caratterizzante" come il moto.

Odori

Molti osservatori riportano di odori in concomitanza con la presenza del BL. Gli odori descritti di solito sono quello dell'Ozono e quello dello Zolfo. Naturalmente più la distanza fra BL e testimone è piccola più aumenta la percentuale di odori descritti. Odori come quelli descritti sono comuni nei prodotti di ionizzazione dei normali fulmini.

Vita media dei BL

Nella maggior parte dei casi la durata di un BL è dell'ordine di 1-2 secondi. Una piccola percentuale di casi riporta di durate dell'ordine del minuto o superiori. Una correlazione interessante è quella fra dimensioni e vita media: più un BL è grande maggiore è la sua durata. La relazione matematica fra queste due quantità è del tipo (Smirnov, 1993)

dove D è il diametro in cm mentre t è la vita media misurata in secondi. Come si vede dall'equazione precedente la vita media di un BL sembra compresa fra 11 e 54 secondi, tuttavia va ricordato che il valore che si ottiene è solo un valore medio, possono esistere BL con vite dell'ordine del secondo. Comunque è proprio la "lunga" vita dei BL a sfidare qualsiasi teoria che tenti di spiegarne la natura.
 

Decadimento e scomparsa

I BL decadono sostanzialmente in due modi:

- Decadimento silenzioso

- Decadimento esplosivo

Nel primo caso il BL diminuisce la propria luminosità e il proprio diametro (rapidamente oppure no) fino ad estinguersi, mentre nel secondo si ha una forte esplosione accompagnata dalla sparizione improvvisa del BL. Occasionalmente un BL si fraziona in BL più piccoli. Una piccola percentuale di testimonianze riporta di residui ritrovati dopo il decadimento.
 

Dove e quando si osservano i Fulmini Globulari

Nelle pagine precedenti abbiamo visto le principali proprietà dei BL. Qui esponiamo le condizioni meteo e i luoghi dove vengono osservati. Essendo un fenomeno troposferico è evidente che le condizioni atmosferiche saranno importanti nella formazione dei BL. Nella tabella che segue vediamo i luoghi di osservazione.
 

Notare come una grande percentuale di osservazioni avvenga all'interno di edifici. Spesso il BL penetra all'interno delle abitazioni attraverso porte e finestre chiuse. Questa proprietà dei BL è piuttosto sorprendente, considerato che in una parte dei casi non si registrano danni ai vetri a causa dell'attraversamento. Non solo ma BL sono stati osservati materializzarsi anche negli aerei, che essendo gabbie di Faraday sono elettricamente isolati dal mondo esterno. Evidentemente la struttura interna di un BL è tale da interagire poco con gli oggetti comuni. Vediamo le condizioni meteo durante l'apparizione.
 

Come si vede dalla tabella non tutti i Fulmini Globulari sono associati a temporali e dintorni. Circa il 10% viene osservato anche in condizioni di cielo sereno. Può darsi che questi "BL a ciel sereno" provengano da temporali non troppo distanti dalla zona di osservazione, ma non si può escludere che la loro sorgente sia del tutto diversa da quelle note. Quello che è certo è che la distribuzione annuale del numero di BL osservati nell'emisfero nord segue quella dei temporali, con un "picco" nel mese di luglio quando i temporali sono più frequenti. Nei mesi invernali invece, quando l'attività elettrica dell'emisfero nord è più bassa, le osservazioni di BL sono molto più ridotte.
 

Vista la correlazione della maggior parte dei BL con i temporali è ragionevole aspettarsi che la loro frequenza sia maggiore dove è maggiore il numero di scariche elettriche (fulmini). Come si distribuiscono i fulmini sulla superficie terrestre? Le osservazioni dai satelliti possono rispondere a questa domanda. I dati più recenti sono quelli del satellite NASA OTD (Optical Transient Detector), lanciato il 3 aprile 1995 e posto su un'orbita a 750 km di quota inclinata di 70° sull'equatore terrestre che viene percorsa i 100 minuti. Con un'orbita di questo tipo il satellite è in grado di esplorare quasi tutta la superficie terrestre, escluse le regioni artiche e antartiche. Il satellite ha stimato che in un anno ci sono 1.2 miliardi i fulmini. La distribuzione dei fulmini non è omogenea: sugli oceani sono relativamente pochi mentre si addensano sulla terraferma a latitudini intermedie fra equatore e tropici. L'attività elettrica è maggiore nell'emisfero nord rispetto a quello sud, dove appare piuttosto bassa. Le regioni più "temporalesche" del pianeta sono le seguenti (vedi Fig.1):

- Africa: Zaire, Sudan.

- America: Cuba, Messico (Sierra Madre).

- Asia: India (Himalaia), Malaysia-Cambogia-Vietnam.

In Europa l'attività elettrica è più modesta. Da quanto detto risulta che, per avere la speranza di osservare BL in natura con una certa frequenza, sarebbe auspicabile organizzare spedizioni "sul campo" nelle zone citate sopra. Notare come quasi tutte le testimonianze sui BL provengono dall'Europa e dalla Russia che l'OTD ci mostra a bassa attività elettrica. Come saranno i BL di zone elettricamente attive?

Fig.1 – Distribuzione dei fulmini per l'anno 1998 secondo i dati del satellite OTD.

Alcuni Fulmini Globulari osservati in Italia

Ora esponiamo tre casi di BL osservati in Italia e le cui testimonianze sono state raccolte recentemente dall'Autore. Per rispetto della privacy non vengono forniti nomi e indirizzi dei diretti testimoni. Cominciamo ad esporre due casi in cui il BL è stato osservato all'interno di abitazioni e a distanza ravvicinata (3-4 metri). Il terzo caso riguarda un BL osservato all'esterno.

Il BL di Catania

Il primo caso di osservazione di BL è particolarmente interessante. L'evento ha avuto luogo in una delle domeniche del periodo febbraio-marzo 1991 in un paese in provincia di Catania. L'appartamento in cui è entrato il BL si trova al settimo piano. Il cielo era sereno. La testimonianza è stata raccolta nel febbraio 1998. Notare come i testimoni siano più d'uno, quindi un'allucinazione è categoricamente esclusa. Lasciamo la parola al testimone diretto.

<< Erano circa le 15 di una domenica pomeriggio e stavamo (lui e altri familiari, nds) sul divano quando d'un tratto vedemmo una piccola sfera (delle dimensioni di una pallina da golf), luminosa ("frizzante") entrare in stanza attraversando il vetro chiuso del balcone, rimbalzare tre volte sul pavimento (di marmo, nds) ed esplodere fragorosamente (dopo 2-3 secondi, nds) lasciando nell'aria un forte odore misto di Zolfo e Ozono. Il fenomeno non causò alcuna bruciatura sul tendaggio della porta a vetri del balcone. >>

Dalla descrizione del testimone risulta che il BL (di colore bianco con riflessi bluastri) è entrato passando attraverso il vetro della porta del balcone senza danneggiarlo ma è bastato il pavimento per fermarne la corsa. Dalle indagini eseguite è stato possibile ricostruire la traiettoria del BL e ricavare la velocità di entrata: 4 m/s. Velocità dell'ordine di alcuni m/s per un BL sono piuttosto tipiche. Il comportamento del BL sul pavimento ricorda da vicino quello di una comune palla lasciata cadere sul pavimento con una velocità orizzontale non nulla. Dalla stima delle altezze dei tre salti compiuti (usando come riferimento i mobili del soggiorno) e supponendo che il BL fosse soggetto alla sola forza gravitazionale, è stato possibile stimare il coefficiente di restituzione e. Si trova e=0.55± 0.05. Da qui risulta che nell'urto con il pavimento il BL ha perso una frazione di energia cinetica K pari a circa il 70%. Infatti:

Per confronto una palla da golf su marmo, in un rimbalzo, perde solo il 24% della propria energia cinetica. Il valore del coefficiente e è un parametro che raramente è possibile stimare, ma può risultare utile per capire quale sia la struttura interna di un BL. I calcoli dettagliati sul BL di Catania sono stati sviluppati in un'altro articolo.

Il BL di Formello

Il BL di Formello (Roma) è una testimonianza tipica. L'evento si è verificato la mattina del 7 marzo 1999 e la testimonianza è stata raccolta il giorno stesso. Anche qui i testimoni sono due.

<< Poco dopo le 9 di mattina, mentre stavamo facendo colazione in cucina, all'esterno ha iniziato a grandinare. Pochi minuti dopo, fuori dalla finestra, si è vista una gran luce, come se un fulmine si fosse abbattuto nelle immediate vicinanze (non è stato udito alcun rumore però, nds). Contemporaneamente si è verificato un breve black-out e la stanza è stata illuminata da una luce di colore e intensità simile a quella di un flash fotografico, accompagnata da un suono simile a "sfrizzz". Il suono e la luce provenivano da una piccola palla luminosa (3-4 cm di diametro) posta a circa 1.5 metri d'altezza sul pavimento del corridoio. Dopo 2 secondi la sfera si è dissolta espandendosi rapidamente senza fare rumore. >>

Va aggiunto che non sono stati riscontrati danni all'impianto elettrico e che non è stata avvertita la presenza di alcun odore particolare. Dopo la scomparsa non è stato trovato alcun residuo. Le differenze rispetto al BL di Catania sono evidenti: qui c'era un temporale in corso, il BL era stazionario a mezz'aria ed è scomparso in silenzio senza esplosione e senza lasciare tracce olfattive.

In entrambi i casi invece il BL ha mantenuto costante la propria luminosità fino alla fase di scomparsa.

Il BL della Romagna

Nell'ultima testimonianza che riportiamo il BL è stato osservato all'aperto in un giorno di fine marzo 1985 alle 17 circa locali sul preappennino romagnolo (450 s.l.m.). Qui abbiamo un solo testimone la cui testimonianza è stata raccolta nel marzo 1999.

<< Era in corso un temporale alternato a rapide schiarite, il cielo era viola da una parte e giallo dall'altra. All'improvviso verso sud-est e a circa 70 ° di altezza sull'orizzonte (molto più in basso delle nubi, probabilmente a qualche centinaio di metri di quota) è apparsa una sfera arancione delle dimensioni di circa un metro e in moto parallelamente al suolo verso nord-ovest. La luminosità della sfera è rimasta costante. La sfera durante il percorso in aria emetteva un forte sibilo, dopo pochi secondi è esplosa con un forte "bang". >>

Cenni su teorie & esperimenti sui Fulmini Globulari

Giunti a questo punto dovrebbe essere chiaro che i Fulmini Globulari non sono un fenomeno fisico molto semplice da interpretare. Prova ne è il fatto che, nel corso degli anni, sono state formulate più di 150 teorie diverse sulla loro natura fisica. Purtroppo nessuna può essere considerata come la "teoria definitiva". A questo punto però sorge spontanea una domanda: visto che le osservazioni sui BL sono interamente dovute ai testimoni occasionali i dati raccolti sono qualitativi piuttosto che quantitativi, come è possibile costruire una teoria in queste condizioni?

A questo proposito M.A.Uman (Uman, 1968) ha messo a punto una serie di criteri che un modello di BL dovrebbe usare come guida per poter essere ritenuto un "buon modello". I criteri di Uman sono di tipo qualitativo. Ecco cosa deve "spiegare" un modello per i BL:

1- I BL hanno luminosità, dimensioni e forma costante per tempi di diversi secondi

2- I BL mostrano una considerevole mobilità

3- I BL non tendono a salire verso l'alto

4- I BL possono entrare in case ed altre strutture e possono esistere all'interno

5- I BL possono esistere all'interno di strutture metalliche chiuse

I criteri di Uman tendono a fare scartare le teorie più semplici. Il punto 1 è contro i modelli in cui l'energia emessa dai BL è di tipo termico, come un corpo che si raffreddi. Il punto 2 elimina l'effetto corona (più noto come fuoco di St.Elmo) la cui scarica resta attaccata ai conduttori. Il punto 3 è un'altra evidenza contro i BL puramente termici. Il punto 4 ma specialmente il 5 è contrario ai modelli in cui la sorgente di energia dei BL è esterna, come possono essere correnti elettriche o onde elettromagnetiche. Seguiti alla lettera i criteri di Uman favoriscono i modelli di BL in cui è presente una sorgente di energia interna.

Comunque sia, in modo molto schematico, le teorie sui BL si dividono in due grandi filoni: quelle che presuppongono che la sorgente di energia sia esterna al BL e quelle che collocano la sorgente di energia all'interno del BL stesso. Ognuna ha pregi e difetti. Vediamo brevemente due teorie rappresentative di entrambi i tipi.

Teoria elettromagnetica: P.L.Kapitza, 1955

Kapitza assunse che la lunga vita dei BL fosse dovuta alla presenza di una fonte di energia esterna e suggerì che potesse trattarsi di onde elettromagnetiche stazionarie fra nubi e suolo originate dai temporali. Supponiamo che questo sistema di onde esista e vediamo cosa può succedere. Le regioni dove le onde hanno un minimo di intensità (interferenza distruttiva) sono dette nodi, mentre quelle dove l'intensità è massima (interferenza costruttiva) sono dette antinodi. Negli antinodi l'onda elettromagnetica può essere così intensa da separare gli elettroni dagli atomi e molecole dell'atmosfera, producendo una piccola regione ionizzata (plasma). Un plasma può assorbire onde elettromagnetiche di frequenza opportuna aumentando l'energia cinetica delle cariche e provocando ulteriore ionizzazione dell'aria. Da questo processo a cascata nasce il BL che emette radiazione grazie al processo di ricombinazione ioni-elettroni. Il BL continua ad esistere fino a quando persiste il sistema di onde stazionarie che lo rifornisce di energia dall'esterno. In questa teoria il diametro del BL è pari a 0.275·l (Singer, 1963), dove l è la lunghezza d'onda della radiazione che alimenta il BL. Lavori successivi a quello di Kapitza hanno mostrato che il BL si forma negli antinodi per poi migrare in prossimità dei nodi dove tende a rimanere. Il moto erratico dei BL in questa teoria è dovuto alla variazione della configurazione del sistema di onde stazionarie, la capacità dei BL di passare dove esistono porte, finestre e caminetti è dovuto al fatto che questi costituirebbero delle "guide d'onda" per la radiazione. Il problema di questa teoria è che per formare BL di circa 30 cm di diametro l deve essere circa 1 m, quindi con una frequenza n ~ 300 Mhz (UHF). Purtroppo durante i temporali non viene prodotta radiazione di questa frequenza. Infatti le bande di comunicazione attorno a questa frequenza sono usate dagli aerei e non registrano disturbi di rilievo durante i temporali.

Tuttavia, recentemente, sono stati rilevati dei brevi impulsi radio molto intensi, originati da fulmini di eccezionale potenza, e della frequenza più o meno giusta (25-100 Mhz) per dare luogo ai BL secondo il meccanismo di Kapitza. Durante il ricevimento degli impulsi è stato rivelato anche il segnale riflesso dal suolo, condizione indispensabile per dare luogo al sistema di onde stazionarie.

Comunque sia esperimenti di laboratorio hanno dimostrato inequivocabilmente che sistemi di microonde stazionarie possono dare luogo a "sfere luminescenti" (Ofuruton & Ohtsuki, 1991).

Teoria dell'aerogel: B.M.Smirnov, 1977, 1987, 1993

Smirnov suppone che in una data regione dell'atmosfera fra nube e suolo fluisca una corrente elettrica generata da un campo elettrico esterno. L'aria può essere ionizzata e le cariche elettriche separate. Se nel plasma unipolare così formato si trovano delle particelle di aerosol atmosferico (in genere molto abbondanti in prossimità del suolo) le cariche possono venire catturate dalle particelle che possono disporsi a formare un "cluster frattale" molto poroso noto come "aerogel" . Le dimensioni delle particelle che formano l'aerogel sono dell'ordine di 1÷10 nm e visto che il BL cresce in un plasma unipolare sarà dotato di una carica elettrica. Pur essendo porosa la struttura è rigida e le reazioni chimiche all'interno del BL hanno luogo ad una velocità minore rispetto ad una sfera di plasma puro. Si spiega così la vita media relativamente lunga dei BL anche in assenza di alimentazione dall'esterno. Notare che la presenza dell'aerogel condiziona solo il modo in cui l'energia viene distribuita all'interno del BL, niente impedisce che il BL possa essere alimentato sia da un campo esterno che da una corrente elettrica (Smirnov, 1993a).

I BL "creati" in laboratorio

Durante i 160 anni di studio sui BL sono stati numerosi i tentativi di riprodurli in laboratorio. Lo scopo degli esperimenti è quello di verificare e dimostrare le ipotesi sulla natura dei BL. Alcuni degli esperimenti hanno avuto successo nel riprodurre "BL-like" del diametro di qualche cm. Ovvio che bisogna accontentarsi di lavorare su queste dimensioni ridotte: BL di dieci metri di diametro sarebbero difficili da riprodurre nei normali laboratori di fisica senza correre dei seri rischi per l'incolumità personale. Usiamo il termine "BL-like" perché non è ben chiaro se i BL prodotti in laboratorio siano identici a quelli che si trovano in natura, in particolare non vengono riprodotte tutte le caratteristiche dei criteri di Uman. La prima sperimentazione sistematica sui BL fu fatta da Tesla alla fine del diciannovesimo secolo, altri esperimenti furono condotti da Babat nel 1942. Tuttavia il primo a produrre BL-like a pressione atmosferica in laboratorio fu Kapitza negli anni '60. Kapitza utilizzò un campo di microonde stazionario come sorgente di energia esterna per poter verificare la propria teoria sui BL che abbiamo già avuto modo di esporre. Negli anni '70 Andrianov e Sinitzyn proposero che i BL nascessero dal materiale fatto evaporare dai fulmini che colpiscono il suolo e condussero esperimenti in tal senso, riuscendo però a creare sfere di plasma dalla vita troppo breve. Gli esperimenti più interessanti sono dovuti a Barry che li condusse negli anni '70. Barry riuscì a riprodurre BL-like applicando una tensione elevata a due elettrodi formati da due fili e posti in un'atmosfera standard con piccole percentuali di idrocarburi. In questo modo riuscì ad ottenere BL-like di qualche cm di diametro, vita media di qualche secondo e moto casuale. Attualmente gli esperimenti di Barry sono stati ripresi dai Giapponesi Ofuruton e Ohtsuki (Ofuruton & Ohtsuki, 1991), che hanno ottenuto BL-like con vita media più lunga aggiungendo delle fibre di cotone all'interno della miscela. Anche gli esperimenti di Tesla sono stati ripresi da Corum & Corum nel 1989 e i risultati sono incoraggianti: sono stati ottenuti BL-like con diametro che va da pochi mm a diversi cm e con vita media compresa fra 0.5 e diversi secondi. I colori vanno dal bianco al rosso. Come si vede la strada per capire i BL sia dal punto di vista teorico che sperimentale è ancora lunga, tuttavia ci sono buone speranze di riuscire a penetrare entro tempi ragionevoli anche i segreti di queste affascinanti "sfere".

Bibliografia

Barry J.D., "Ball Lightning and Bead Lightning", Plenum Press, New York, 1980.

Fryberger D. "A model for Ball Lightining", SLAC-PUB-6473, october 1994.

Ofuruton H., Ohtsuki Y.H., "Plasma Fireballs Formed by Microwave Interference in Air", Nature, Vol.350, pp.139-141, march 14, 1991.

Singer S., "The Unsolved Problem of Ball Lightining", Nature, Vol.198, pp.745-747, 1963

Smirnov B.M., "Physics of Ball Lightining", Physics Reports, Vol. 224, 1993a, pp.150-236.

Smirnov B.M., "Observational Parameters of Ball Lightning", Physica Scripta, Vol.48, 1993b, pp.638-640.

M.A.Uman, Jour. Atmos. and Terr. Phys., Vol.30, pp.1245, 1968
 

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