Quello del campo elettrico atmosferico è un argomento assai ampio e importante (si pensi ad esempio ai suoi effetti sulle radiopropagazioni e di conseguenza sulle telecomunicazioni). Inoltre al campo elettrico atmosferico sono da ricondurre i fenomeni elettrici che avvengono nella nostra atmosfera, fra i più violenti delle quali ricordiamo i fulmini, i fulmini globulari, i lampi ed i fuochi di Sant'Elmo.

Le caratteristiche del campo elettrico atmosferico sono influenzate in misura determinante dall'esistenza di cariche elettriche separate nell'atmosfera, fatto questo che è la conseguenza di processi di ionizzazione fra cui i principali sono la ionizzazione prodotta dai raggi cosmici e dalle sostanze radioattive e la separazione delle cariche nei temporali. A questi si aggiungono una serie di processi di ionizzazione secondari (per esempio: elettrificazione delle polveri e degli aerosol).

La ionizzazione è il processo in virtù del quale molecole atmosferiche neutre o altre particelle sospese divengono elettricamente cariche dando rispettivamente origine ai piccoli ed ai grandi ioni. Ad esempio una molecola dell'aria può ionizzarsi per collisione con una particella ad alta energia, generando una coppia di ioni (per esempio: una molecola carica positivamente e un elettrone). A loro volta tali ioni possono interagire con particelle atmosferiche neutre formando nuovi ioni. Altro esempio è dato dalla separazione di cariche per rottura di una goccia d'acqua in moto nell'atmosfera, in virtù della quale si originano gocce più grandi a carica positiva e gocce più piccole a carica negativa (effetto Lenhard, dal nome del fisico tedesco che lo scoprì).

L'azione dei vari agenti di ionizzazione si misura in paia di ioni prodotti per centimetro cubo per secondo ed è simboleggiata da I. Ad esempio a livello del mare i raggi cosmici contribuiscono per circa 2 I, i gas radioattivi per 5 I ed i materiali radioattivi naturali presenti nel suolo e nelle rocce per circa 4 I. A 5000 m d'altezza invece la ionizzazione è dovuta ai soli raggi cosmici e tale contributo raggiunge il suo massimo a 13 km di quota, livello oltre il quale decresce in virtù della crescente rarefazione dell'atmosfera che riduce il numero di molecole bersaglio per i raggi cosmici.

Il fenomeno del temporale affascina da sempre l'uomo e dunque gli studi di tale elettrometeora sono in atto da alcuni secoli (fra i primi risultati scientifici si ricordano quelli ottenuti da Beniamino Franklin che nel 1752 condusse il famoso esperimento dell'aquilone). In particolare negli ultimi 50 anni sono stati individuati una serie di meccanismi in grado di spiegare il fenomeno della separazione delle cariche nei temporali. Tuttavia rimane a tuttoggi aperto il problema dell'individuazione del peso che i vari meccanismi hanno sull'effettivo manifestarsi di tale fenomeno. Questa carenza conoscitiva è un problema non da poco in quanto i temporali (in ogni istante sul nostro pianeta ne sono mediamente in atto dai 3000 ai 6000) sono il principale responsabile del mantenimento del campo elettrico atmosferico. Infatti nelle giornate di bel tempo la superficie terrestre risulta carica negativamente mentre l'alta atmosfera è carica positivamente, con un campo elettrostatico atmosferico in superficie di circa 100 volt per metro (l'intensità è di circa 10-12 A per metro quadro, un valore assai basso), diretto verticalmente in senso tale da condurre cariche positive verso il basso e decrescente d'intensità con la quota in modo tale che salendo a 10.000 m d'altezza il suo valore è di soli 5 volt per metro.

Come spiegare il persistere di questo campo se l'aria interposta fra superficie e alta atmosfera può lasciar passare cariche positive dall'alto verso il basso in quantità sufficiente a neutralizzare la differenza di potenziale in brevissimo tempo? Evidentemente ammettendo che il campo elettrico si rigeneri di continuo, il che ha luogo principalmente per effetto dei temporali. Infatti in vicinanza dei temporali e al di sotto di nubi convettive si osserva un accumulo di cariche negative in superficie e positive alla sommità dei cumulonembi, accumulo opposto rispetto a quello tipico dell'atmosfera in condizioni di bel tempo e che compensa la progressiva neutralizzazione in atto.

Un ulteriore fenomeno in coincidenza del quale si assiste a una separazione di cariche con sensibili effetti sul campo elettrostatico atmosferico è quello del foehn. Alle fluttuazioni del campo elettrico sembra sia almeno in parte da ricondurre l'impatto del foehn sulla salute degli esseri viventi e dell'uomo.

Si ricorda infine l'influenza della ionizzazione sui processi di condensazione che conducono alla formazione delle nubi. In proposito la teoria del fisico Shaviv pone in relazione le ciclicità presenti nella quantità di raggi cosmici che giungono nella bassa atmosfera con la quantità di nubi che si formano e dunque con le temperature terrestri (nel senso che al crescere della quantità di raggi cosmici che giungono nei bassi strati crescerebbe la quantità di nubi basse prodotte con conseguente diminuzione delle temperature). Per inciso si ricorda che per effetto del vento solare la quantità di raggi cosmici che raggiungono i bassi strati è più ridotta in periodi, come quello attuale, caratterizzati da elevata attività solare.

Riferimenti bibliografici

Glossary of Meteorology, "American Meteorological Society", Second Edition, 2000.
(http://www.met.tamu.edu/personnel/faculty/orville/Glossary.htm).
Dalla brezza all'uragano - meteorologia moderna, F. Fantauzzo, 1976, ETS, Pisa, 276 pp.
Celestial driver of Phanerozoic climate?, N.J. Shaviv, 2003, "GSA Today", luglio 2003.