Sviluppo di un codice FDTD per il calcolo dei campi elettromagnetici dei fulmini considerando la riflessione ionosferica

Abstract

Il fulmine è un fenomeno naturale di scarica ad alta corrente che genera potenti impulsi elettromagnetici dei fulmini (LEMPs). Questi sono in grado di propagarsi su lunghe distanze e possono interagire sia con il suolo che con l'atmosfera terrestre. Comprendere il comportamento dei LEMPs è essenziale per mitigare i loro impatti sulle tecnologie moderne, come i sistemi di telecomunicazioni, le reti elettriche e gli apparecchi di navigazione. Le perturbazioni indotte dai fulmini possono interferire con i segnali radio, degradare la precisione del GPS e causare malfunzionamenti nei sistemi elettrici, sottolineando la necessità di proseguire la ricerca in questo ambito.

Inoltre, una corretta comprensione dei LEMPs può fornire utili spunti per lo studio delle proprietà elettromagnetiche dell'atmosfera. L'ionosfera, una regione altamente conduttiva della parte superiore dell'atmosfera terrestre, gioca un ruolo cruciale in queste interazioni. Composta da particelle ionizzate generate dalla radiazione solare e cosmica, l'ionosfera agisce come uno strato riflettente per determinate frequenze delle onde elettromagnetiche. Le sue proprietà riflettenti non solo permettono la comunicazione radio a lunga distanza, ma la rendono anche una regione fondamentale per studiare la propagazione e la riflessione dei LEMPs. Analizzando come le onde elettromagnetiche interagiscono con l'ionosfera, i ricercatori possono comprendere meglio la sua struttura dinamica e il suo comportamento. Questa conoscenza risulta particolarmente rilevante nel contesto dei sistemi di monitoraggio globale e di posizionamento, nonché nel progresso delle nostre conoscenze sui fenomeni di meteorologia spaziale.

La presente tesi si propone di fornire un'analisi completa dei campi elettromagnetici generati da una scarica di fulmine.

Lightning is a high-current natural discharge phenomenon that generates strong lightning electromagnetic pulses (LEMPs). These are able to propagate over long distances and can interact with the ground and the Earth's atmosphere. Understanding the behaviour of LEMPs is essential for mitigating their impacts on modern technology, such as telecommunications systems, power grids, and navigation equipment. Lightning-induced disturbances can disrupt radio signals, degrade GPS accuracy, and cause power system malfunctions, emphasizing the need for continued research in this area. Furthermore, a proper understanding of the LEMPS can provide useful insight to study the electromagnetic properties of the atmosphere. The ionosphere, a highly conductive region of the Earth's upper atmosphere, plays a pivotal role in these interactions. Composed of ionized particles created by solar and cosmic radiation, the ionosphere acts as a reflective layer for certain frequencies of electromagnetic waves. Its reflective properties enable long-distance radio communication but also make it a critical region for studying the propagation and reflection of LEMPs. By analysing how electromagnetic waves interact with the ionosphere, researchers can better understand its dynamic structure and behaviour. This understanding is particularly relevant in the context of global monitoring and positioning systems, as well as in advancing our knowledge of space weather phenomena. This thesis aims to provide a comprehensive analysis of the electromagnetic fields generated by a lightning strike.