L'idea iniziale e la sua realizzazione:

L'Unione Meteorologica del Friuli Venezia Giulia sin dalla sua nascita ha avuto tra i suoi obiettivi fondamentali quello di agevolare gli scambi di idee e di esperienze tra gli appassionati di meteorologia. Questo obiettivo viene raggiunto in modi diversi, spesso affrontando dei problemi specifici. È questo il caso della realizzazione dello strumento che viene brevemente illustrato qui di seguito: il mulinello da campo.
L'idea di costruire uno strumento che fosse in grado di misurare il campo elettrico terrestre nacque ad alcuni soci dell'Unione che si occupano di ricerca sui temporali e l'elettrificazione delle nubi. Mentre il principio fisico per la costruzione dello strumento era ben chiaro nella mente dei promotori dell'iniziativa, la realizzazione dello strumento necessitava specifiche competenze di meccanica, di elettrotecnica e di elettronica. Tali competenze emersero naturalmente grazie alla profonda amicizia esistente tra alcuni soci dell'Unione e un gruppo di amici che si occupano di trasmissioni radio e radioastronomia amatoriale, oltre che di meteorologia.
Fu così che grazie alle interazioni esistenti tra gli elementi del gruppo FENICS F.V.G. ed alcuni soci dell'UMFVG il mulinello da campo venne realizzato. La realizzazione ha viste impegnate risorse dell'Unione e del gruppo FENICS, inoltre, nella fase di acquisizione dei dati, l'Osservatorio Meteorologico Regionale ha contribuito in modo sostanziale mettendo a disposizione delle attrezzature e le competenze per le tarature e l'analisi dei dati rilevati.

Principio di funzionamento

Ricordiamo che due corpi carichi elettricamente si attraggono o si respingono a seconda che le loro cariche siano di segno opposto o siano dello stesso segno. Questo fenomeno viene chiamato forza elettrostatica ed è il risultato della presenza del campo elettrico generato dai corpi. Prendiamo come esempio due piastre metalliche parallele con le facce poste ad una certa distanza e collegate ad una batteria, vedi figura 1. Una piastra collegata al polo positivo e l'altra al negativo. Queste sistema di piastre viene chiamato un condensatore.

Fig.1 - Distribuzione delle linee del campo elettrico tra le due piastre di un condensatore

In un condensatore il campo elettrico è orientato dalla piastra positiva verso quella negativa e le linee del campo sono parallele tra di loro e ortogonali alle piastre. Il valore del campo elettrico E misurato tra le due piastre dipende da due grandezze: la differenza di potenziale V applicata alle piastre e alla loro distanza d, in formula:E = V/d, E si misura in V/m, cioè Volt al metro.
La nostra troposfera può essere immaginata come la regione di spazio esistente tra le due piastre di un condensatore. Il terreno è una delle piastre, mentre la seconda piastra si trova idealmente sopra le nostre teste. La carica elettrica di questa seconda piastra varia continuamente nel tempo e da luogo a luogo. In condizioni normali e di bel tempo, studi eseguiti in diverse parti del globo concordano che il campo elettrico terrestre al suolo e al livello del mare è dell'ordine di centinaia di Volt al metro. Ciò è veramente stupefacente ed attraente.

Costruzione dello strumento:

Dopo una prima esperienza, servita soprattutto per prendere confidenza con il problema, suggerimenti specifici per la costruzione di uno strumento con caratteristiche sia meccaniche che elettriche affidabili sono venuti dall'università di Socorro nel New Mexico, USA dove da decenni un équipe di scienziati lavora ai problemi relativi la misura del campo elettrico terrestre. Grazie ai consigli ottenuti è stato steso uno schema di funzionamento dello strumento che viene riportato nella figura 2.

Fig. 2 - Sintetico schema dello strumento

Lo strumento è composto da pochi elementi. Un corpo metallico a forma cilindrica alta 5 cm con la faccia esterna aperta che contiene il rotore, cioè la parte ruotante, e lo statore, la parte fissa, dello strumento. Tutti sono realizzati in acciaio inox. Il rotore è fissato direttamente sull'asse del motore, mentre lo statore è fissato sul fondo di questo cilindro ma isolato dallo stesso. La costruzione dello strumento doveva, essere economica, quindi è stato utilizzato molto materiale di recupero, tra cui un motore passo passo corredato di scheda di controllo, in grado di ruotare a 4670 giri al minuto, un cilindro del diametro di 13 cm, lungo 20 cm e spesso 18 mm di acciaio inox, un raccordo per tubi sempre dello stesso diametro, ma di alluminio ed una serie di dischi di alluminio spessi 3 centimetri.

Fig. 3 - Spaccato dello strumento fotografato mentre viene eseguita la prova del motore

Completate le parti meccaniche, è seguita la costruzione del circuito elettronico. Tutti gli integrati sono montati su zoccoli di buona qualità per evitare falsi contatti e permettere la sostituzione veloce in caso di guasto. Il circuito di amplificazione è composto da due canali: uno definito insensitivo e l'altro sensitivo. Tutti e due i circuiti sono composti da amplificatori lineari e non necessitano di regolazioni.
Il circuito sensitivo ha uno stadio di amplificazione in più che ne aumenta il guadagno a 10 o a 64 volte rispetto al canale insensitivo.

Fig. 4 - Visione complessiva della circuiteria dello strumento

Lo strumento viene alimentato con tre tensioni stabilizzate; due alimentazioni da -15 / +15 Volt per il circuito amplificatore e una da +15 Volt per il motore passo passo..

Fig. 5 - Lo strumento montato sul supporto ed in fase di misura.

Lo strumento si completa con un campionatore di segnali che è in grado di memorizzare i valori che misura. Sono stati anche sviluppati due software in ambiente Windows: uno per controllare il campionatore, l'altro per visualizzare graficamente i dati. Con il primo si possono eseguire intervalli di campionamento compresi tra 1/20 di secondo e 60 secondi e si genera un file in formato ASCII che contiene le misure, mentre con il secondo si rappresenta graficamente il segnale registrato, lo si può ingrandire, stampare o salvare in vari formati grafici.

Fig. 6 - Tipico grafico che rappresenta le variazioni del campo elettrico terrestre durante la manifestazione di un temporale.

Taratura dello strumento

Lo strumento viene tarato ogni quattro mesi circa. Il primo passo per la taratura è quello di conoscere il fattore di distorsione del campo elettrico dovuto al supporto metallico che sostiene lo strumento. Per valutare questo effetto, durante una giornata di bel tempo, si installa lo strumento con la faccia rivolta verso l'alto. Si lascia lavorare lo strumento stando lontani da esso e si registrano i valori del campo per una decina di minuti. Poi, si sistema lo strumento in condizioni normali con la faccia rivolta verso il basso. Si registrano il campo per circa una decina di minuti. Dividendo la media dell'intensità del campo elettrico misurato con la faccia in su per quella ottenuta con lo strumento a faccia in giù, si ottiene il fattore di distorsione.
Successivamente è necessario convertire i milliVolt, rilevati dallo strumento, in unità di misura del campo elettrico cioè Volt al metro. Per raggiungere questo obbiettivo bisogna utilizzare una attrezzatura supplementare che produce un campo elettrico uniforme e costante. Si utilizzano due piastre di acciaio inox di almeno 50 cm x 50 cm e spessore 1,5 mm o 2,0 mm. Una di queste è dotata, al centro, di un foro del diametro leggermente più grande dell'imboccatura dello strumento. È necessario disporre anche di un generatore di alta tensione che deve fornire una serie di tensioni sia positive che negative con valori da 5 V a oltre 1000 V.
Si installa lo strumento con la faccia rivolta verso l'alto. Si appoggia sopra la sua faccia la piastra con il foro senza coprire il rotore e i sensori; si dispone sopra la stessa degli isolatori regolati a 10 cm e sopra di essi si appoggia la seconda piastra. Si collega a terra, lo strumento, la piastra con il foro ed anche la piastra superiore.
Dopo 5 minuti di registrazione, si toglie il collegamento di terra alla piastra superiore e si applica ad essa la prima tensione campione positiva o negativa, iniziando dal valore più basso o da quello più alto. Si registra per altri 5 minuti e poi si aumenta la tensione e si continua così sino al valore massimo. Terminata la prima scala di valori, si inverte la polarità delle tensioni e si riesegue la sequenza, vedi figura 7.
In questo modo lo strumento si trova a misurare il campo elettrico tra le piastre di un condensatore carico. Lo strumento, leggendo questo campo, fornisce una sequenza di misure che sono funzione del campo elettrico esistente tra le piastre. Tale campo è noto in quanto dipende solo dalla differenza di potenziale esistente tra di esse e dalla loro distanza. Per esempio, se le piastre distano 10 cm e a quella superiore applichiamo 100 V il campo elettrico generato è di 1000 V/m.

Fig. 7 - Uno dei grafici eseguiti per la taratura dello strumento

Attuale utilizzo dello strumento

Lo strumento viene utilizzato per l'osservazione di un singolo evento temporalesco e per studiare l'andamento del campo elettrico di bel tempo in una data località. Attualmente il mulinello da campo è ospitato da un socio dell'Unione che lo gestisce garantendone l'alimentazione elettrica, le operazioni di taratura e di back up dei dati. Lo strumento è posizionato in aperta campagna nella pianura tra Udine e Cividale, in località Ziracco di Remanzacco ed ha fornito interessanti misure in occasione di temporali forti, nevicate, precipitazioni più o meno intense e ovviamente bel tempo. I dati vengono acquisiti con una risoluzione temporale di un secondo e quasi quotidianamente sono trasferiti anche nella banca dati dell'Osservatorio Meteorologico Regionale, il quale sta fornendo in comodato d'uso il calcolatore che è interfacciato con lo strumento. I dati sono a disposizione dei soci dell'Unione semplicemente facendo richiesta motivata al seguente indirizzo:

Dario B. Giaiotti
Via Oberdan, 18/A
33040 Visco (UD)
e-mail dario.giaiotti@osmer.fvg.it