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PREMESSA TEMPORALE CARATTERISTICHE DEL FULMINE GLI EFFETTI IL RISCHIO E I DANNI COS'E IL RISCHIO Il FULMINE non è altro che il risultato dato da una o più scariche di energia elettrica che in una breve frazione di minuto secondo, si vengono a creare fra due o più nuvole temporalesche sature di energia elettrica - ognuna con polarità diversa e cioè di segno contrario ( Polo Positivo = a + ; Polo Negativo = a - ). Tali scariche elettriche, si sprigionano con diverse ramificazioni (Fra nuvole), spingendosi verso il basso ( Zona più umida e più conduttrice) costituendo un unico " Fascio o Tronco" - distorto - e assumendo una sola polarità. Il "Tronco o Fascio" scendendo ancora verso il basso, incontra sempre un punto della Massa Terrestre di Polarità Contraria. Poichè i segni sono contrari, il Fulmine (Tronco o Fascio) generato e di potenziale superiore all'altro polo, lo colpisce inesorabilmente, scaricandosi. Qualsiasi cosa sulla Massa Terrestre può costituire segno di polarità contraria. per esempio,una persona che cammina con un ombrello con supporti metallici; una persona all'aperto o anche sotto un albero, una barca in mare ,un aeroplano, un albero,un palo metallico,una struttura in metallo,una bicicletta, una centrale elettrica, ecc,ecc.
Un temporale si forma quando una massa d'aria molto umida presenta una stratificazione verticale instabile. Affinché si verifichi un temporale occorrono due condizioni : presenza di aria molto umida e formazione di una corrente d'aria calda ascendente. E' possibile distinguere tre tipi di temporale: - Temporale di calore Gli strati d'aria calda più' vicini al terreno sono riscaldati dal calore solare irradiato dal suolo. A seguito del riscaldamento gli strati d'aria inferiore si dilatano e si innalzano. Si forma cosi un canale d'aria calda ascendente. - Temporale orografico In questo caso la corrente ascendente si forma perché l'aria calda vicina al suolo e' spinta dal vento. - Temporale frontale Il temporale frontale si verifica quando un fronte di aria
fredda arriva in zona dove staziona aria calda. L'aria fredda che e' più
densa e quindi più pesante, si insinua sotto quella locale più' calda
costringendola ad alzarsi. I temporali di calore frequenti nelle zone
tropicali, necessitano di un forte riscaldamento del suolo e della
contemporanea presenza di aria molto umida. La maggior parte dei temporali in
Italia inizia con l'arrivo di un fronte di aria fredda (temporale frontale).
La formazione di temporali orografici e' favorita dalla presenza di catene
montuose. Una nuvola temporalesca viene a formarsi quando l'aria calda e'
costretta a sollevarsi e si raffredda rapidamente. Ad una determinata altezza,
l'aria raggiunge una temperatura alla quale diventa satura di vapore acqueo;
il vapore si condensa e forma la nuvola. Se l'aria contiene poco vapore
acqueo, il fenomeno si esaurisce con l'aumentare dell'altezza. Se nell'ascesa
la temperatura dell'aria scende al di sotto di 0°c le gocce d'acqua gelano. E'
questo un punto critico dell'evoluzione temporalesca: dalla formazione del
ghiaccio nelle nuvole dipende lo sviluppo di grandi quantità' di elettricità'.
Si possono distinguere tre stadi della nuvola temporalesca: giovinezza,
maturità e vecchiaia. Lo stadio giovanile è caratterizzato dalla presenza di
una forte corrente di aria calda ascendente. L'aria calda non è distribuita in
modo uniforme alla nuvola. La durata di questo stadio è di circa 10-15 minuti.
Lo stadio di maturità dura circa 20-30 minuti. In questa fase la nuvola cresce
ulteriormente: la condensazione di vapore acqueo alimenta la formazione di
precipitazioni. Le particelle (pioggia, neve, grandine)vengono dapprima
trasportate verso l'alto dall'aria calda ascendente, poi con l'aumentare della
loro quantità e grossezza lasciano l'aria calda ascendente e la trasformano
infine in corrente d'aria discendente. Nella vecchiaia (Parte di nuvola), l'aria calda
ascendente è completamente esaurita. La precipitazione di pioggia e grandine,
diminuisce progressivamente. Nell'italia settentrionale i temporali avvengono soprattutto in estate; nell'italia meridionale in Inverno. Sull'Italia centrale per tutto l'anno. Tale distribuzione di frequenza è spiegabile dal fatto che per la formazione di un temporale è necessaria la presenza di masse d'aria calda e umida. La probabilità che si formi un temporale è più elevata nel pomeriggio quando gli strati d'aria vicini al suolo raggiungono il massimo riscaldamento.Il meccanismo di formazione delle cariche elettriche all'interno di una nuvola non è ancora ben noto. L'ipotesi è l' elettrizzazione per "strofinio" tra le minuscole particelle d'acqua e di ghiaccio. In una nuvola temporalesca esistono cariche di entrambe le polarità. Di regola la parte superiore della nuvola è carica positivamente, quella inferiore è carica negativamente.
A volte, nella zona di carica negativa si può formare una piccola carica positiva. In condizioni di bel tempo, il valore del campo elettrico al suolo è praticamente nullo. In presenza di una nuvola temporalesca invece il valore del campo elettrico sale a 0.3-0.4 KV/cm e nelle vicinanze del punto di caduta del fulmine il valore del campo può arrivare, per la durata del fulmine, fino a 4 KV/cm. I fulmini però cadono sul territorio nazionale non in modo uniforme. Una prima relazione tra il numero di fulmini caduti ogni anno per chilometro quadrato è in funzione diretta del cosiddetto livello CERAUNICO Td, secondo la seguente relazione: 1,25 Nt = 0,04 * Td dove: - Il parametro Td o meglio livello ceraunico è un indice della frequenza dei temporali in una determinata zona e rappresenta il numero dei giorni temporaleschi all'anno in una determinata zona. E' considerato temporalesco un giorno in cui è stato udito almeno un Tuono. - Il parametro Nt costituisce il valore medio del numero di fulmini a terra all'anno per Kmq (densità di fulmini a terra). Altri parametri che influenzano la densità dei fulmini sono la consistenza del terreno, la presenza del mare o di laghi. Calcoli statistici hanno stato stabilito una distribuzione media di questa densità, che viene utilizzata come riferimento per il dimensionamento dei sistemi di protezione contro i fulmini, con una densità minima di 1,5 fulmini/anno per Kmq, media di 2,5 fulmini/anno per Kmq, fino ad una densità massima di 4 fulmini/anno per Kmq. La norma CEI 81-3 (2^ edizione) riporta, per ogni comune il relativo valore medio del numero dei fulmini a terra per kmq (Nt). Non potendo presentare tutta la lista dei comuni con il relativo valore, viene riportato per ogni provincia il valore minimo e massimo riportato nella norma. (tab. 1 )
La rilevazione dei fulmini a terra viene effettuato con strumenti sensibili al campo elettromagnetico prodotto dalla corrente da fulmine. Fino a pochi anni fa tali strumenti erano abbastanza rudimentali e costituiti essenzialmente da un Misuratore di Campo Elettromagnetico associato ad una antenna a filo orizzontale tarata nella gamma di frequenza che si riteneva tipica del fulmine a terra. Questo strumento però non consentiva di avere una rilevazione precisa sia perché dava una posizione approssimativa del punto di caduta del fulmine, sia perché non permetteva di rilevare la corrente vera e propria da fulmine e sia perché a causa dell'ampio raggio di azione non distingueva i fulmini a terra dai fulmini fra nubi. Con le moderne tecnologie ed in particolare in seguito all'uso del calcolatore e di nuovi strumenti di enorme precisione, sarà possibile, nel giro di pochi anni, avere un livello ceraunico ed un valore di Nt molto più precisi di quelli utilizzati tuttora dalla norma, i quali saranno poi aggiornati. La rigidità dielettrica dell'aria è di circa 30 KV/cm mentre il campo elettrico al suolo in prossimità del punto di caduta del fulmine non supera i 4 KV/cm. La rigidità dielettrica dell'aria di 30 KV/cm, è riferita a condizioni ideali di aria pulita e asciutta. In realtà invece a causa dell'umidità, di corpuscoli e di pulviscolo atmosferico(Inquinamento) la tenuta dell'aria viene a deteriorarsi a tal punto che la rigidità dielettrica non supera di solito i 4 KV/cm. Intensità di campo elettrico di quest'ordine di grandezza possono essere superate a causa di variazioni locali della concentrazione della carica all'interno della nuvola e, a terra, sulla sommità di strutture alte e snelle. Ci sono in questo caso condizioni favorevoli affinché si manifesti una scarica elettrica tra nuvole o tra una nuvola e la terra. Nella scarica di un fulmine si possono identificare principalmente tre fasi: (1)- formazione del canale di fulmine, (2)- formazione della controscarica, (3)- sviluppo della scarica di ritorno. Se prendiamo in esempio un fulmine che abbia origine dalla nuvola (fulmine discendente) si può notare che la scarica si genera nella parte inferiore della nuvola a causa dell'intenso campo elettrico locale e della rarefazione dell'aria (la tensione di scarica tra elettrodi approssimativamente, a parità di ogni altra condizione, varia proporzionalmente con l'aumentare della pressione del gas interposto tra i due elettrodi). Questo significa che la probabilità che si manifesti una scarica elettrica tra nuvola e terra è maggiore quanto più è minore la pressione dell'aria. In seguito sotto l'azione del campo elettrico, la scarica si propaga verso terra assumendo la forma di un canale ramificato.Questo canale è costituito da un nucleo altamente conduttore(plasma ionizzato)del diametro di circa 1 cm, circondato per effetto corona da una carica spaziale, di raggio variabile fra qualche metro e qualche decina di metri, la polarità uguale a quella delle cariche contenute nella parte inferiore della nuvola, in genere negativa. La scarica si propaga in aria arrestandosi nel punto in cui il campo elettrico è inferiore alla rigidità dielettrica dell'aria. La carica elettrica discendente della nube si accumula nel canale e rinforza il campo elettrico, finché la scarica riprende verso il basso. Il canale procede a "zigzag"(caratteristica tipica del fulmine). Poiché la direzione di avanzamento è determinata dalle mutevoli condizioni locali. La carica elettrica depositata lungo il canale è in genere di alcuni Coulomb; la corrente associata al trasporto di questa carica è dell'ordine di centinaia di Ampere. Quando il canale del fulmine arriva in prossimità del suolo(10-100 m)il campo elettrico diventa così alto da dar luogo, sul terreno, specie su strutture alte e snelle, a fenomeni a effluvio.(effetto corona).Si forma pertanto un canale di controscarica che si sviluppa verso l'alto fino ad incontrare il canale discendente. La lunghezza del canale di controscarica è in genere di alcune decine di metri. Quando il canale discendente incontra quello di controscarica il punto "fulminato" è univocamente determinato ed ha inizio la scarica a terra delle cariche depositate lungo il canale discendente. Questo fenomeno può essere visto anche come il passaggio di cariche elettriche di segno opposto a quelle del canale di fulmine, e quindi positive, che fluiscono dal terreno verso il canale di fulmine per neutralizzare la carica negativa presente nel canale stesso. In definitiva si ha un passaggio di corrente attraverso la struttura colpita: tale corrente prende il nome di corrente di fulmine. Questo processo è accompagnato dal manifestarsi "della scarica di ritorno" che si propaga verso l'alto lungo il canale con una velocità compresa fra il 10% ed il 50% di quella della luce. La scarica di ritorno illumina vivamente il canale e le sue ramificazioni; essa costituisce la parte visibile del fenomeno della fulminazione. L'intensità della corrente scaricata a terra attraverso la struttura colpita, è molto maggiore di quella del canale di fulmine che si propaga dalla nuvola a terra. Ciò è causato dal fatto che, pur essendo la carica in gioco uguale in ambedue le fasi, nel primo caso (nube-terra) la carica si abbassa dalla nube verso terra con una velocità pari allo 0,1% di quella della luce; nella seconda fase invece la velocità è uguale al 10%-50% di quella della luce. Ecco spiegato il perché la corrente nel canale discendente varia da pochi Ampere a qualche centinaia di Ampere, mentre nella fase di scarica a terra si possono raggiungere intensità di corrente di migliaia di Ampere. La carica elettrica disponibile sulla nuvola può raggiungere anche qualche migliaio di Coulomb. La carica portata a terra dal canale di fulmine è invece dell'ordine di alcuni Coulomb; può così accadere che dopo la prima scarica (o primo colpo) il canale di fulmine si scarichi di nuovo. Un fulmine è quindi costituito spesso di più "colpi di fulmine" successivi (fulmine multiplo): in genere 2 o 3, ma possono superare anche la decina. La durata complessiva di un fulmine può essere superiore a 1 secondo. Quando l'intervallo fra due scariche successive è superiore a 50 ms esse vengono percepite singolarmente dall'occhio umano così che il fenomeno luminoso si presenta intermittente. Abbiamo analizzato fino ad ora solo i fulmini discendenti cioè che si propagano dalla nuvola a terra; ci sono però anche i fulmini ascendenti che come dice il nome si propagano dal basso verso l'alto. Il canale di questi ultimi può avere origine su strutture al suolo, specie se alte e snelle. Su queste strutture infatti in presenza di nuvole temporalesche , si creano campi elettrici così elevati da superare la rigidità dielettrica dell'aria. Il canale di fulmine ascendente, strutturalmente simile a quello dei fulmini discendenti, si sviluppa verso l'alto estendendosi per centinaia e a volte di migliaia di metri. In questo caso non si ha una controscarica della nuvola perché le cariche di quest'ultima sono immerse nell'aria o meglio nel dielettrico. In definitiva le cariche elettriche si disperdono in aria (effluvio) e il fenomeno si esaurisce in qualche decimo di secondo, con correnti dell'ordine del kiloAmpere, senza che si formi la scarica di ritorno. Questo tipo di fulmine è più frequente di quanto non si pensi ma riguarda solo le strutture molto alte e snelle. In pratica i fulmini ascendenti si verificano solo per strutture più alte di 80 metri. Convenzionalmente, si definisce la polarità di un fulmine quella della carica posseduta dalla parte della nuvola con la quale avviene lo scambio delle cariche elettriche. Dalle analisi temporalesche risulta che il 90% dei fulmini sono negativi. La sostanziale differenza tra i fulmini positivi e quelli negativi è che i primi sono spesso costituiti da più colpi,(scariche che si susseguono) mentre i secondi sono sempre costituiti da un solo colpo. Dalle rivelazioni fatte fin ad ora risulta che il 70% dei fulmini positivi supera il valore di corrente di 20 KA mentre solo il 19% di quest'ultimi raggiunge e supera il valore di 200 KA. Le frequenze associate alla corrente di fulmine vanno da 1 a 100 KHz per i fulmini negativi e da 0,3 a 100 KHz per i fulmini positivi. Sono presenti comunque numerose armoniche di modesta ampiezza che raggiungono talvolta, anche frequenze di alcuni MHz. L'elevata corrente della scarica di ritorno comprime e riscalda l'aria interessata nel canale del fulmine. Al cessare della corrente l'aria, non più compressa si espande violentemente e l'onda d'urto determina l'effetto acustico noto come "TUONO". Per quanto riguarda le correnti da fulmini esse non sono affatto influenzate dalle caratteristiche della struttura colpita. Il canale dei fulmini, infatti, ha un'impedenza propria e non della struttura colpita ma simile alla massa di terra. Ne consegue che il valore della corrente da fulmine non coincida in modo apprezzabile con il tipo di struttura colpita. Il calore sviluppato per effetto Joule dal passaggio della corrente da fulmine è pertanto proporzionale alla resistenza propria della struttura. Conseguentemente per evitare pericoli di incendio, occorre offrire al fulmine un dispersore di terra alternativo a quello della struttura, con la più bassa resistenza possibile. Al fine di studiare in modo più preciso gli effetti e le conseguenze dei fulmini, questi ultimi, visto che in natura si generano casualmente, vengono provocati artificialmente. Per fare questo si lanciano nelle nubi cariche dei razzi che portano dietro di loro lunghi fili metallici alle cui estremità inferiori sono collegati appositi strumenti di misurazione. Impedire la formazione del fulmine è un impresa quasi impossibile perché l'unica soluzione sarebbe quella di neutralizzare la carica della nuvola. Per fare questo sarebbe necessario immettere nell'aria cariche di segno opposto a quelle della nuvola. Visto che la carica della nuvola e di circa 1000 Coulomb per riuscire a neutralizzarla utilizzando un semplice parafulmine occorrerebbero tempi di gran lunga maggiori rispetto al tempo in cui si manifesta il temporale. Si parla di fulminazione diretta di una struttura quando il
fulmine colpisce direttamente la struttura stessa. Per fulminazione indiretta
si intende invece il complesso dei fenomeni che interessano la struttura,
allorché il fulmine cade nei pressi della struttura stessa. La linea elettrica
esterna, a sua volta, può essere oggetto di fulminazione diretta o indiretta,
come detto sopra e con effetti e danni diversi. Nel caso di fulminazione
diretta, un fulmine che colpisce una struttura provoca effetti localizzati
lungo il percorso seguito dalla corrente di fulmine per scaricarsi al suolo.
Tali effetti sono di natura termica (fusioni, bruciature, inneschi di incendi,
ecc.), meccanica (sbrecciamenti di muri, rottura di elementi metallici,
disancoraggi di cavi, ecc.) ed elettrochimica. La corrente di fulmine che
fluisce nella struttura o nell'impianto di protezione induce inoltre
sovratensione sui circuiti elettrici interni e nelle parti metalliche interne
di notevoli dimensioni lineari. Tali sovratensioni possono dare origine a
scariche pericolose e danni ai circuiti. La dispersione della corrente di
fulmine nel terreno determina una tensione totale di terra alla quale sono
sottoposti gli impianti esterni e le parti metalliche a potenziale zero
entranti nella struttura; essa crea inoltre gradienti di potenziale nel suolo
che potrebbero essere pericolosi per l'uomo (tensione di passo). Nel caso di
fulminazione indiretta, come già detto, il fulmine può provocare danni
all'interno di una struttura anche senza colpire la struttura stessa,
propagandosi in genere attraverso le linee elettriche entranti nella
struttura, o più semplicemente per induzione elettromagnetica. Ritornando agli
effetti generali provocati da un fulmine, essi si dividono, come accennato
sopra, in effetti termici, meccanici e chimici. Nei primi l'energia sviluppata
nel punto nel punto di impatto del fulmine può essere sufficiente per fondere
o addirittura perforare i materiali metallici e a maggior ragione può causare
l'incendio di materiali combustibili o infiammabili che si trovano nelle
vicinanze. Negli effetti meccanici, il passaggio di corrente determina sforzi
elettrodinamici di entità direttamente proporzionale al quadrato del valore
della corrente e inversamente proporzionale alla distanza fra i conduttori.
Queste sollecitazioni possono provocare la rottura degli ancoraggi, degli
elementi dell'impianto di protezione esterno (parafulmine, ecc.) e dei corpi
metallici della struttura. Una corrente di 100 KA (superata dal 5% dei
fulmini) provoca su due conduttori paralleli, lunghi 1 metro , una forza di 4
KN se distano 50 cm; di 400 KN se distano 0,5 cm. Forze di questo tipo sono
infatti in grado di schiacciare un cavo multipolare, provocando l'estrusione
dell'isolante con conseguente corto circuito tra i conduttori. Nei danni
chimici l'effetto elettrolitico dovuto al passaggio della corrente di fulmine
è molto modesto perché tale è la carica elettrica trasportata dal canale del
fulmine. Gli effetti chimici sono appunto trascurati perché sono quasi del
tutto irrilevanti rispetto agli effetti prodotti negli altri due casi. Le
sovratensioni entranti in un edificio tramite una linea elettrica sono nella
maggior parte dei casi innoqui per le persone, salvo casi particolari di
fulminazione diretta della linea nelle immediate vicinanze dell'edificio. Il
fulmine può comunque generare tensioni indotte sia in strutture metalliche sia
in qualsiasi altro tipo di corpo che in qualche modo sia riconducibile ad una
spira.
I danni che il fulmine può produrre sono: - perdita di vite umane; - perdita inaccettabile del servizio pubblico essenziale (interruzione dell'erogazione di acqua, del servizio telefonico o televisivo, dell'energia elettrica, del gas, ecc.); - perdita di patrimonio culturale insostituibile (incendio di musei) (Archivi di Stato); - perdita economica (incendio di depositi incustoditi). Le cause di questi danni sono dovute come già detto a: - tensioni di passo o di contatto; - sovratensioni; - incendi; - esplosioni. I danni che un fulmine può provocare sono comunque di ogni tipo. In ambienti dove è presente una certa umidità, come ad esempio elettrodotti interrati, per effetto Joule dovuto all'improvviso rialzarsi della temperatura, l'umidità evapora istantaneamente con possibilità di esplosione, capace di demolire anche muri in pietra. Il rischio relativo ad un evento sfavorevole, in un dato periodo di tempo, è il prodotto del numero di eventi che si possono verificare in quel periodo di tempo, per la probabilità che l'evento provochi danno per l'entità media del danno prodotto dal singolo evento. Se ci si riferisce alla frequenza annuale, il rischio corrisponde all'ammontare dei danni che, in media, tutti gli eventi causano in un anno. Nel caso di fulminazione di una struttura, il rischio rappresenta perciò l'entità media dei danni che i fulmini possono provocare alla struttura in un anno. Numericamente, il rischio relativo alla fulminazione è dato dal prodotto del danno che un fulmine mediamente può provocare nella struttura, per la frequenza di danno, cioè per il numero medio di fulmini all'anno che colpiscono la struttura e producono il danno. I vari tipi di rischio non sono fra loro facilmente paragonabili e sommabili, perché dovrebbero essere ricondotti ad un'unica unità di misura, ad esempio monetaria il che non è sempre accettabile. Per quanto teoricamente tutti i tipi di danno siano riconducibili ad una perdita economica misurabile in termini monetari, ciò non appare opportuno quando i beni perduti costituiscono valori sociali, come la vita umana, il patrimonio culturale, i servizi pubblici indispensabili, ecc. In questi casi ogni danno va valutato e qualificato con l'opportuna unità di misura. Di conseguenza la Norma considera separatamente i quattro rischi e ritiene tollerabile il rischio complessivo relativo alla fulminazione quando ognuno dei quattro rischi è inferiore al limite prestabilito dalla Norma stessa. Le componenti che influiscono sul rischio sono: | |
