Sviluppo di un codice FDTD per la simulazione dei campi elettromagnetici generati dai fulmini in presenza di interfaccia tra terra e mare

Abstract

L'obiettivo di questa ricerca è analizzare i LEMPs e le loro interazioni sia con la superficie terrestre sia con l'ambiente marino. Lo studio inizia con un'analisi teorica dei campi elettromagnetici sotto l'ipotesi di terreno perfettamente conduttore (PEC), concentrandosi sulla separazione delle componenti: statica, induttiva e di radiativa. Una volta isolate le componenti, è possibile esaminare su ciascuna di esse l'influenza della distanza di osservazione, dei parametri chiave che modellano la corrente di fulmine, i.e., il tempo di salita, la velocità di propagazione, nonché del modello di attenuazione della corrente adottato. Un aspetto essenziale dello studio consiste nell'indagare l'effetto della conduttività del suolo sui campi elettromagnetici. Ciò include l'esame di come le diverse proprietà del terreno influenzino il comportamento del campo in presenza di una conduttività finita. Poiché tale analisi non è affrontabile esclusivamente per via analitica, uno degli obiettivi principali della tesi è lo studio di tali effetti tramite un codice computazionale, basato sul metodo numerico Finite-Difference Time-Domain (FDTD), capace di calcolare i campi in presenza di suolo realistico e aria. La fase finale della ricerca si focalizza sull'interfaccia terra-mare, ovvero sull’analisi delle modalità in cui la transizione tra terra e mare influenza i LEMPs. Lo studio è volto a quantificare le variazioni di quest’ultimi in corrispondenza di diverse configurazioni del fondale marino, assumendo morfologie semplificate o batimetrie realistiche. Questo è stato reso possibile grazie all’implementazione di un codice FDTD in grado di integrare fini variazioni geometriche del fondale marino e gestire la discontinuità all'interfaccia. Particolare attenzione sarà rivolta a come la variabilità geografica e la morfologia della costa impattino sulla propagazione e sulla riflessione dei campi, prendendo come riferimento lo scenario costiero di Genova.

The objective of this research is to analyze Lightning Electromagnetic Pulses (LEMPs) and their interactions with both the Earth's surface and the marine environment.

The study begins with a theoretical analysis of electromagnetic fields under the Perfect Electrical Conductor (PEC) ground hypothesis, focusing on the separation of the static, inductive, and radiative components. Once these components are isolated, it is possible to examine the influence of the observation distance, the key parameters modeling the lightning current—namely rise time and propagation velocity—and the specific current attenuation model adopted.

A fundamental aspect of the study consists of investigating the effect of soil conductivity on electromagnetic fields. This includes examining how different ground properties influence field behavior in the presence of finite conductivity. Since such an analysis cannot be addressed solely through analytical means, one of the primary goals of this thesis is to study these effects via a computational code. This is based on the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) numerical method, capable of calculating fields in the presence of realistic soil and air.

The final phase of the research focuses on the land-sea interface, specifically analyzing how the transition between land and sea influences LEMPs. The study aims to quantify variations in these pulses in relation to different seabed configurations, assuming either simplified morphologies or realistic bathymetries. This was made possible through the implementation of an FDTD code capable of integrating fine geometric variations of the seabed and managing the discontinuity at the interface. Particular attention is devoted to how geographical variability and coastal morphology impact field propagation and reflection, using the coastal scenario of Genoa as a reference.