Antenne, fulmini e strane coincidenze
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La ripetitività di certi eventi impone alcune riflessioni:
Come mai le antenne con contenitore in resina sono le più colpite da questo genere di eventi?
Chi ha la passione della radio, sa perfettamente che l'installazione di una o più antenne sul tetto di casa, implica automaticamente una situazione in cui si va a fare i conti con gli eventi atmosferici come vento e fulmini.
A molti di noi infatti è capitato di subire danni particolarmente gravi se un fulmine o altri fenomeni elettrostatici importanti hanno colpito le nostre antenne.
Allo stesso modo in occasione di eventi simili, capita di condividere queste brutte esperienze, con altri appassionati del settore che hanno anch'essi subito danni, andando ad acquisire così un piccolo bagaglio di conoscenze che portano di conseguenza a riflettere sulle casistiche e sulle modalità con cui questo genere di fenomeni si manifesta.
Prima di continuare a scrivere cercando di spiegare i fenomeni in questione, vorrei precisare che non c'è assolutamente l'intenzione di denigrare alcun prodotto commerciale o puntargli contro il dito come se si stia facendo la caccia alle streghe, anche perché la strana casistica include dei prodotti che sono da tempo veramente molto validi.
A questo punto è importante cercare di capire i fenomeni elettrici dell'atmosfera e bisogna prima di tutto illustrare come questi fenomeni si generano e a cosa sono dovuti, soprattutto perché molti di questi fenomeni elettrici oltre a produrre danni, concorrono anche a modificare molti parametri nell'attività radio stessa.
Bisogna innanzitutto precisare che i fenomeni elettrici che interessano l'atmosfera sono veramente tanti e fanno parte di uno stato elettrico globale che appartiene a tutto il pianeta e che è il risultato finale di un'ampia serie di cause.
Per tutte queste cause che andremo a vedere dopo, si stabilisce quindi uno stato elettrico globale, dove da una parte c'e la superficie terrestre e dall'altra c'è l'elettrosfera, una zona nell'atmosfera ad un'altezza fra i 15 e i 20 Km, dove avviene una particolare concentrazione di cariche elettriche.
Si può anche dire che la superficie terrestre e l'elettrosfera costituiscono le due armature un po' atipiche di un immenso condensatore che ricopre l'intero pianeta.
Esattamente come succede in un condensatore le cariche elettriche possono migrare libere per tutta la lunghezza delle armature, quindi si può immaginare che su tutta la superficie terrestre c'è un numero enorme di cariche elettriche che sono libere di spostarsi in tutte le direzioni e la stessa cosa succede per l'elettrosfera.
La velocità di spostamento non è elevata per il motivo che sia la superficie terrestre che l'elettrosfera non sono conduttori perfetti.
In mezzo fra elettrosfera e la superficie terrestre c'è l'aria come dieletrico, le nuvole come zone di diverso potenziale elettrico, una certa quantità di acqua sotto forma di vapore acqueo e pulviscolo atmosferico costituito da polvere terrestre, pollini, sabbia desertica, polveri inquinanti, ceneri naturali e vulcaniche, ecc. che per natura restano in sospensione nell'aria e reagiscono allo strofinamento con le molecole dell'aria creando anch'esse altre cariche elettriche.
Quindi è evidente che, anche se l'elettrosfera e la superficie terrestre possono in qualche modo essere intese come le armature di un grande condensatore, in mezzo ci sono numerosi elementi che costituiscono variabili capaci di modificare continuamente la carica elettrica delle due armature.
Infatti proprio grazie allo spostamento delle masse d'aria, sia grandi che piccole, che il potenziale fra elettrosfera e superficie terrestre cambia continuamente.
Il continuo movimento di molecole delle grandi masse d'aria, per effetto del vento, delle correnti ascendenti e discendenti e allo strofinamento del pulviscolo, ma anche per la pioggia con tutto quello che si porta dietro, concorrono a generare cariche elettriche per via degli elettroni strappati dalle ultime orbite degli atomi delle molecole che fanno parte di tutto ciò che c'è in sospensione insieme all'aria.
Tutti sappiamo che la quantità di vento non è uniforme su tutto il pianeta, quindi ci sono zone di calma e zone di tempesta e allo stesso modo tali situazioni concorrono alla distribuzione della quantità di cariche elettriche fra l'elettrosfera e la superficie terrestre.
Per queste differenze di potenziale fra la superficie terrestre e l'elettrosfera, su entrambe si verificano delle correnti superficiali, quindi per farci un'idea di quello che circonda noi abitanti del pianeta terra, possiamo immaginare che mentre noi facciamo la nostra vita, enormi quantità di cariche elettriche si spostano sotto i nostri piedi e intorno a noi andando sempre nella direzione dove c'è un potenziale elettrico opposto.
Questo ricordando prima di tutto che, anche se abbiamo figurato la superficie terrestre e l'elettrosfera come due armature di un condensatore, si tratta comunque di armature non perfette per via del fatto che entrambe non sono ottimi conduttori, un particolare questo che non bisogna mai dimenticare.
Se perciò si intende la superficie terrestre come un'armatura caricata a potenziale negativo rispetto all'elettrosfera, di sono comunque zone della superficie terrestre che hanno una carica diversa rispetto ad altre e avendo queste potenziali diversi ci sarà sempre una migrazione di cariche elettriche.
Giusto per fare un esempio facile da comprendere, se in Basilicata c'è forte vento e in Puglia c'è calma piatta, si potrebbe ipotizzare che la superficie terrestre che interessa quest'ultima essendo ad un potenziale "meno negativo" rispetto all'elettrosfera, quindi positivo rispetto alla zona di superficie terrestre di pertinenza della Basilicata, ci sarà di conseguenza una migrazione di cariche elettriche di polarità negativa da quella zona verso la Puglia.
Comunque le cariche negative sono attratte dalle cariche positive e in questo continuo migrare, risentono sempre dell'effetto dell'elettrosfera caricata positamente, quindi nell'eterno spostamento tendono a posizionarsi su tutto ciò che è in alto, seguendo strutture metalliche, gli elettrodotti, gli alberi percorsi dalla linfa e le superfici umide delle costruzioni dell'uomo; comunque le nostre antenne saranno continuamente interessate da questo fenomeno migratorio per il fatto che i tetti delle case essendo più vicini all'elettrosfera, rappresentano un percorso preferenziale.
Oltretutto non bisogna dimenticare che spesso in prossimità della superficie terrestre l'aria è più carica di umidità e proprio questa favorendo la migrazione di cariche elettriche si ionizza creando certi tipi di DUCT capace di portare molto lontano le trasmissioni su frequenze alte come le VHF e UHF.
Allo stesso modo con cui l'umidità dell'aria permette alle cariche elettriche di passare di tetto in tetto, da casa a casa, da albero ad albero, concorre comunque a una lenta e continua migrazione verso l'elettrosfera delle cariche elettriche che stazionano nei punti alti del suolo terrestre, quindi anche passando dalle nostre antenne.
In particolar modo, le cariche elettriche che tendono a migrare attraverso l'umidità dell'atmosfera, andando verso l'elettrosfera, hanno l'abitudine di accumularsi prima di proseguire, in prossimità di tutto ciò che è a forma appuntita, quindi insieme alle foglie degli alberi, proprio le nostre antenne, costituendo un fenomeno di dispersione simile al "vento elettrico", ma molto meno intenso.
Ci sono diversi tipi di dispersione elettrica atmosferica, ma quello che interessa le antenne in generale, visto che sono provviste di "punte" così come le foglie degli alberi è molto moderato e dipende molto dalla situazione meteorologica, in particolare dal grado di umidità dell'aria.
In condizioni di meteo sereno e uno stato di umidità normale, questo fenomeno è sufficiente a creare una dispersione continua di cariche elettriche verso l'elettrosfera, contribuendo a mantenere una situazione stabile e non critica.
Nel video "effettopunte.wmv" presentato da Francesco Gullo, si evidenzia il vento elettrico su un conduttore a punta, mediante l'uso di un generatore Van De Graaf.
Come detto quindi la situazione resta non critica in condizioni di meteo sereno e stabile, mentre la situazione comincia ad andare verso l'instabilità quando alcuni parametri atmosferici cominciano a variare.
A chi non è capitato qualche volta di prendere la scossa scendendo dall'automobile? O ancora alzandosi da una poltrona con il rivestimento sintetico?
Quando e perché questo accade?
Succede quando l'aria diventa molto asciutta e l'umidità dell'aria impedisce la dispersione delle cariche elettrostatiche che si accumulano con il rotolamento delle gomme dell'auto che funzionano come un generatore Van De Graaf
Allo stesso modo se la porzione di atmosfera sopra le nostre teste viene interessata d'aria molto asciutta, la migrazione di cariche elettriche dalla superficie terrestre verso l'elettrosfera sarà impedita, così che su tutto ciò che è a forma appuntita ci sarà un accumulo di cariche elettriche che non riesce ad essere smaltito verso l'elettrosfera.
Più si accumulano cariche sulle strutture metalliche in alto e più aumenta la Differenza di Potenziale fra la superficie terrestre e l'elettrosfera e questa è una delle tante condizioni che fa saltare quella situazione di "stabilità" esposta in precedenza.
Se a questo fenomeno se ne aggiungono altri come perturbazioni, vento forte e pioggia, tutti fenomeni capaci di strappare elettroni dalle molecole che compongono l'atmosfera compresi i pulviscoli, si può giungere rapidamente a condizioni tali da portare la Differenza Di Potenziale fra l'elettrosfera e la superficie terrestre a livelli altissimi, tali da trasformare la normale dispersione elettrica in vento elettrico e successivamente in una scarica molto rapida, cioè il fulmine, che sotto il passaggio molto veloce e intenso di elettroni, fa aumentare la temperatura dell'aria in maniera istantanea fino a temperature intorno ai 30.000°, andando a creare con la dilatazione dell'aria istantanea, un'onda d'urto molto potente che a sua volta si diffonde nello spazio a notevole distanza e che prende il nome di "Tuono".
Non a caso le tempeste elettriche più distruttive si verificano proprio in occasione di aria molto asciutta o addirittura in assenza di pioggia.
A questo punto occorre fare alcune osservazioni:
I fulmini si verificano in presenza di nubi che sono molto più basse rispetto all'elettrosfera, quindi essendo un concentramento molto grande di cariche elettriche, potremmo dire che rappresentano altre armature intermedie nel condensatore rappresentato da elettrosfera e superficie terrestre.
Queste possono assumere potenziali diversi rispetto alla superficie terrestre e all'elettrosfera, ma anche rispetto ad altre nuvole vicine e che in ogni caso possono dare luogo a fulmini qualora i livelli di DDP fossero elevati.
Comunque le nuvole possono avere potenziali di segno variabile in base alle cause meteorologiche che hanno provocato l'accumulo di cariche in esse, per questo ci sono fulmini che partono da terra e fulmini che arrivano a terra in base alla carica che ha la nuvola rispetto alla superficie terrestre.
In ogni caso, dato che un fulmine si manifesta quando è stata accumulata una quantità di cariche sufficiente a provocare la scarica, che parta da terra o che arrivi sulla terra, gli effetti della scarica sono pressochè identici, magari potrebbero cambiare i punti sensibili sulla superficie terrestre in caso di arrivo o di partenza dal suolo.
Come abbiamo visto più volte, l'effetti esplosivi del fulmine si manifestano principalmente nell'aria, per via del fatto che essendo un cattivo conduttore, il passaggio violento di elettroni provoca un innalzamento istantaneo della temperatura dell'aria con una certa espansione, simile a quello che succede in una esplosione e gli effetti si moltiplicano in caso l'aria in mezzo fra la superficie terrestre e le nuvole, sia particolarmente asciutta.
Ma è purtroppo anche vero che spesso, quando la scarica dovuta al passaggio violento di elettroni interessa gli impianti elettrici, ovunque la scarica incontra resistenza nel passaggio violento, ha effetti esplosivi.
Anche se alcuni scenziati hanno opinato che l'esperimento di Franklin sia mai stato eseguito realmente, questo non toglie che le sue teorie siano assolutamente esatte, per cui se la scarica di un fulmine colpisce un conduttore di opportuna sezione che da un'altezza significativa dal suolo arriva fino ad un buon impianto di terra, viene veicolato verso questa, senza che nel conduttore si manifestino fenomeni distruttivi significativi.
La teoria del funzionamento del parafulmini, indica che con un buon impianto di dispersione a terra, i fulmini possono essere accompagnati a disperdersi senza creare danni, ma c'è anche un altro particolare che a molti sfugge ed è poco chiaro, ossia il fatto che le punte spinterometriche che vengono inserite in un impianto di parafulmini, di fatto creano quel poco di dispersione elettrica sufficiente a scaricare nell'atmosfera le cariche elettriche evitando preventivamente l'accumulo di queste e la conseguente scarica del fulmine, quindi un doppio effetto positivo.
In ogni caso resta il fatto che le nostre antenne siano oggetti metallici con punte che sono nel punto più alto delle nostre abitazioni, di conseguenza sono molto più esposte rispetto al resto dell'intera abitazione, esattamente come i parafulmini ed è anche normale che siano continuamente sotto l'effetto di accumuli e migrazioni di cariche elettriche verso l'elettrosfera.
Quindi così come si fa con gli impianti di parafulmini, collegando l'antenna ad un buon impianto di dispersione a terra, si possono evitare danni seri all'abitazone ed agli impianti, nonchè alle apparecchiature.
Questo è vero a patto che la stessa antenna sia capace di trasferire la carica del fulmine senza distruggersi, in questo caso il danno si limiterrebbe alla sola antenna.
Effettivamente la soluzione di collegare un'antenna elettricamente cortocircuitata ad un impianto di dispersione oltre che essere obbligatoria per rispettare le normative degli impianti elettrici, è realmente necessaria quando la stessa è collegata ad apparecchiature radio che non possono essere fermate (ponti radio), quindi occorre che tali antenne siano particolarmente robuste e capaci di condurre la scarica del fulmine verso l'impianto di dispersione senza venire distrutte.
Ma quanti di noi OM, CB, SWL, hanno modesti impianti di antenna non collegati adeguatamente ad un impianto di dispersione a terra?
Tanti... Considerando anche il fatto che chi ha collegato l'antenna all'impianto di dispersione con metodi non adeguati a sostenere il passaggio della scarica del fulmine, ha riscontrato che questa soluzione può essere anche più distruttiva rispetto a non collegarla affatto, più che altro per la frequenza con cui gli eventi si ripetono..
Un altra considerazione da fare è che un'antenna non collegata alla terra, sicuramente non è in grado di condurre la scarica di un fulmine senza danni, ma tuttavia riuscirebbe in qualche modo a disperdere l'accumulo di cariche in eccesso nell'atmosfera sotto l'effetto della dispersione elettrica verso l'aria.
Quindi la soluzione definitiva sta nel poter installare un'antenna veramente robusta in grado sopportare la scarica di un fulmine e collegarla gia sul palo di sostegno o al traliccio, direttamente ad un impianto di dispersione seguendo alla lettera le regole per questo genere di installazioni, come l'inclinazione massima del conduttore per il collegamento, ecc., diversamente è meglio non collegarla e sperare che il peggio non arrivi mai.
E poi ci sono i casi eccezionali che mi hanno spinto a scrivere questa pagina, cioè una tipologia di antenne che a prescindere se sono collegate o meno ad un impianto di dispersione adeguato, spesso restano distrutte dopo la scarica di un fulmine.
Si tratta di antenne costruite con un contenitore esterno di protezione in resina, molto diffuse ed apprezzate fra i radioamatori sono le Diamond e le Comet, ma ne esistono diversi modelli anche per l'uso VHF civile professionale.
Dalle varie esperienze condivise fra i radioamatori, questo genere di antenne sembra essere quello che più frequentemente subisce danni seri dalle scariche dei fulmini.
Molte testimonianze compresa la mia, raccontano che queste antenne siano state le uniche ad essere colpite e distrutte da un fulmine in mezzo a un parco antenne anche abbastanza articolato.
Come mai accade questo?
Con buona probabilità il fatto è dovuto proprio al contenitore in resina che isolando l'antenna dall'aria circostante impedisce di disperdere costantemente l'accumulo di cariche elettriche in eccesso in migrazione dalla superficie terrestre verso l'atmosfera circostante.
In questo modo, se nei dintorni dell'antenna si dovessero creare le condizioni di accumuli di cariche elettriche, le antenne chiuse in un contenitore in resina sono quelle che andrebbero ad accumulare una quantità maggiore di cariche elettriche rispetto a tutto ciò che è intorno, proprio perchè non hanno la possibiltà di disperderle nemmeno se l'aria intorno è particolarmente umida.
Di fatto diventerebbero come veri e propri acchiappafulmini.
La cosa più brutta per noi radioamatori, più o meno come una maledizione, è che queste antenne hanno delle prestazioni veramente ottime e che per il modo in cui sono costituite, non possono essere concepite senza il contenitore in resina, quindi per un amante delle VHF/UHF è molto difficile farne a meno o scegliere una soluzione alternativa.
Io stesso molti anni fa, appena 3 mesi dopo l'acquisto, ho sopportato la distruzione a causa di un fulmine di una una Diamond X500.
Non era mai successo che un fulmine colpisse una mia antenna e in quell'occasione fu colpita solo quella, mentre gli altri danni subiti in occasione di temporali, sono sempre stati riconducibili a sovratensioni giunte fino al mio impianto elettrico dalla rete di distribuzione elettrica esterna.
Dopo poco la rimpiazzai con una collineare 3x1/2 onda monobanda autocostruita in alluminio che continuò a funzionare per molti anni senza essere minimamente danneggiata dai temporali.
Molti miei amici e conoscenti hanno riferito casi simili in cui antenne con contenitore in resina hanno subito una cattiva sorte e avendo lavorato io stesso con le installazioni VHF civili, ho potuto vedere un'antenna collineare 4x5/8 per VHF civile con contenitore in resina e montata su un traliccio di 36 metri completamente disintegrata.
In conclusione potrei dire che se qualcuno riuscisse a costruire questo genere di antenne senza il contenitore in resina, sicuramente diverrebbe famoso e ricordato negli anni.
Saverio IK7IWF
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