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Tuoni e fulmini! I fenomeni elettrici dell'atmosfera

Campo e struttura elettrica dell'atmosferaOltre a scoprire struttura e composizione dell'atmosfera, cerchiamo di capire uno dei fenomeni dove può essere senza dubbio protagonista: la sua attività elettrica.

20 Agosto 1975. Parco Nazionale delle Sequoie in Sierra Nevada. Sopra una collina con poca vegetazione tre fratelli Sean, Michel e Mary stavano trascorrendo una giornata di vacanza fra amici. Dei grossi nuvoloni si addensarono all’orizzonte. Ad un certo punto si accorsero che i loro capelli restavano stranamente sospesi in aria e l’anello che Mary portava al dito se sollevato in aria emetteva uno strano ronzio. Improvvisamente cominciò a grandinare e loro scapparono per cercare riparo, scendendo una ripida scalinata; Sean (il più piccolo, 12 anni) era in fondo. Un improvviso bagliore seguito da un esplosione li accecò, un fulmine colpì Sean sul polso e si scaricò sulla sua mano appoggiata a un corrimano metallico. Un uomo che afferrava il corrimano in un punto più basso morì. Sean si salvò, ma riportò ustioni di terzo grado sul polso e sulla mano.

Durante le giornate di tempo buono (fair weather), esiste una differenza di potenziale dai 200.000 ai 500.000 Volts fra la superficie della Terra e la ionosfera (80 km). A tale differenza di potenziale è associata una densità di corrente estremamente bassa, circa 2 pA/m2 (2 picoAmpere su metro quadrato; 2 pA corrispondono a 2 millesimi di miliardesimo di Ampere). Questa differenza di potenziale è mantenuta dall’attività temporalesca (ci sono circa 2000 temporali in atto sulla Terra in ogni momento; da 30 a 100 fulmini nuvola-Terra in ogni secondo per un totale di 5.000.000 di fulmini al giorno).

Come si caricano elettricamente le nubi?

È un fenomeno non del tutto studiato e capito. Ci sono sostanzialmente due teorie per spiegare il motivo per cui una nube temporalesca acquista carica elettrica (positiva alla sua sommità, negativa alla base). Prima di illustrarle occorre comunque tener presente che la presenza dei cumulonembi rappresenta di gran lunga la situazione più favorevole per lo sviluppo dei fulmini, ma non è l’unica.I fulmini possono, infatti, verificarsi anche in altre situazioni, come tempeste di sabbia, bufere di neve o nuvole di polvere vulcanica. Si può addirittura parlare di “fulmine a ciel sereno”: in rarissimi casi si sono registrati fulmini con cielo coperto ma senza precipitazione in atto e addirittura con cielo sereno!

La teoria convettiva e la teoria gravitazionale

Secondo la teoria convettiva gli ioni liberi nell’atmosfera (che a loro volta possono formarsi per gli attriti delle particelle di acqua e ghiaccio dovuti alle forti correnti ascendenti e discendenti presenti nelle nubi temporalesche) sono catturati dalle goccioline d’acqua e quindi portati dalle correnti convettive interne alle nubi, creando così le regioni cariche.

Secondo la teoria gravitazionale, invece, le particelle cariche negativamente sono più pesanti di quelle cariche positivamente e quindi si separano a causa della forza di gravità. Secondo questa teoria ci devono essere processi di scambio di carica elettrica fra particelle di diversa dimensione. Si parla di processi induttivi o processi non-induttivi. Sembra che il più importante sia il processo non-induttivo fra i cristalli di ghiaccio e la grandine (chiamato ghiaccio-ghiaccio). Processo che si spiega con le proprietà termo-elettriche del ghiaccio. Infatti il difetto di ioni OH3+ nel ghiaccio è più grande del difetto di ioni OH- e questo difetto aumenta con la temperatura. Quando particelle di ghiaccio calde e fredde entrano in contatto, le particelle più fredde (cristalli di ghiaccio) si caricano di segno +, mentre le più calde (grandine, nevischio, groupel) di segno -.

Anche se questa è oggi la teoria più quotata, sembra non essere del tutto soddisfacente (ad esempio non spiega i fulmini osservati nelle nuvole con assenza di ghiaccio). Le teorie sono ancora troppo speculative e c’è bisogno di ulteriori misure sia nelle nuvole sia di più accurate esperienze di laboratorio. Con l’avanzare delle ricerche sembra tuttavia che la spiegazione vada ricercata in una combinazione di meccanismi.

Il fulmine

Stupenda immagine con fulminiIl fulmine è forse uno dei fenomeni più spettacolari della natura e da sempre ha suscitato la fantasia e l’interesse degli uomini. È un prodotto soprattutto dei temporali, i quali contengono energia pari o superiore a dieci bombe atomiche, del tipo sganciato su Hiroshima nell’Agosto del 1945. È dopo le alluvioni e le piene improvvise la seconda causa di morte per fenomeni meteorologici.

Il calore di un singolo fulmine ha intensità inimmaginabili: in milionesimi di secondo la temperatura può raggiungere i 33.000°C, circa cinque volte la temperatura della superficie del Sole. Gli effetti prodotti sono impressionanti, può ridurre gli alberi delle navi in segatura sparsa per il mare, fondere i metalli bucando le campane delle chiese, trasformare delle catene in sbarre di ferro saldate tra loro. Questo stesso calore, provoca un'espansione improvvisa ed esplosiva dell'aria, che noi percepiamo con il rumore del tuono.

Da non confondere con il lampo, che è la luminosità prodotta dal fulmine. Si può calcolare la distanza approssimativa di un temporale contando i secondi che separano il momento di osservazione del lampo e la percezione del tuono. Moltiplicando tale numero per 330 m/s (velocità di propagazione del suono nell’aria) si può ottenere la distanza alla quale si è verificato il lampo.
Infine, se questa misura aumenta nel tempo, evidentemente quel temporale si sta allontanando da noi.

Tipi di fulmini

Avendo capito che i fulmini altro non sono che scariche elettriche fra regioni caricate elettrostaticamente con polarità opposte, non ci sorprende che possano esistere tre tipi principali di fulmini (di intensità diversa, secondo la quantità di carica accumulata e in relazione alla distanza fra i due poli):

  • Fulmine nube-suolo;

  • Fulmine nube-nube (internube);

  • Fulmine intranube.


Il fulmine nube-suolo può essere di tipo discendente (il fulmine procede dalla nube verso la terra) o ascendente (dalla terra verso la nube). Il verificarsi dell’uno o dell’altro tipo dipende dalla posizione geografica e dalla presenza di punte sul territorio. Tenuto conto del verso della corrente, i fulmini possono essere anche classificati in positivi e negativi.

I fulmini nube-suolo sono i meno frequenti ma i più studiati (naturalmente sono anche i più pericolosi per le attività umane).

Esistono anche altri tipi di fulmini, molto particolari, rari e di cui si sa molto poco:

  • Fulmine nube-cielo, fulmine dell’alta atmosfera, noto anche come red sprites (spiriti rossi);

  • Palla di fuoco, (ball lightning): o anche fulmine sferico o globulare, estremamente raro, generalmente non pericoloso, appare come una sfera di fuoco, dal diametro di qualche metro, che danza per alcuni secondi, lasciando allibiti gli spettatori;

  • Fuochi di S. Elmo, un velo incandescente di forma varia che si forma attorno alle punte di qualsiasi oggetto sporgente (estremità di alberi di nave, cime di piante d’alto fusto, guglie, ecc…). Prende il nome del patrono dei marinai.

     

Dinamica di un fulmine

L’aria è un isolante, nel senso che le molecole che la formano normalmente si trovano allo stato neutro e quindi perché ci sia il passaggio di corrente elettrica, l’aria deve essere “ionizzata”, cioè devono essere strappati elettroni a delle molecole che diventano così ioni positivi, elettroni che poi sono catturati da altre molecole, formando gli ioni negativi. Perché questo avvenga c’è bisogno di energia, che d’altronde all’interno di un temporale non manca. Il fulmine è un processo di scarica a valanga, nel senso che è la stessa energia prodotta dal fulmine che ionizza ulteriori particelle d’aria (gli ioni accelerati dal campo elettrico hanno energia cinetica superiore all’energia di estrazione degli elettroni e quindi producono con gli urti la ionizzazione delle particelle d’aria).

Fasi di un tipico fulmine nube-terra

  1. Scarica leader (o scarica iniziale, “stepped-leader”): un po’ di elettroni (carica negativa) guidati e sospinti dal forte campo elettrico, cominciano a scendere a zig-zag dalla nube (30/50 metri alla volta, pausa di poche decine di millisecondi, altro tratto ecc... Questo processo costituito da questa serie di “colpi” richiede un centesimo di secondo, e riesce a formare un canale ionizzato lungo anche 8 km).

  2. Come la scarica leader scende, da terra parte la scarica costituita da cariche positive, normalmente dal punto più alto.

  3. Quando le due si incontrano (ad un altezza media di 30-50 metri), il circuito si chiude, il canale è formato e si instaura una forte corrente elettrica nel canale stesso (largo poco più di una matita).

  4. A questo punto una potente scarica di ritorno (“return stroke”), porta una corrente da terra verso la nube, che risale ad una velocità di 130 milioni di metri al secondo (poco più di 1/3 della velocità della luce). Una volta creato il canale ionizzato altri fulmini possono utilizzarlo (producendo una caratteristica luce intermittente) con formazione o meno di ulteriori canali secondari.

La carica totale depositata da un fulmine può arrivare attorno ai 5-10 Coulomb. Come abbiamo già evidenziato, un fenomeno spesso associato alla discesa della prima scarica “pilota” è la formazione dei canali di carica ionizzata di segno opposto rispetto alla parte inferiore della nube, che si propagano, partendo dal suolo, verso la nube stessa oppure verso il canale discendente (di solito da punte o strutture isolate e più alte). Questi canali ascendenti si chiamano “upward leader” possono raggiungere il canale discendente, aiutandolo così a chiudere il percorso, ma a volte si esauriscono rapidamente, senza che si formi poi il fulmine. Talvolta, invece, il canale ascendente è abbastanza forte da raggiungere la nube direttamente, senza cioè incontrare un canale discendente. Si ha così la formazione di un fulmine ascendente.

Dati caratteristici medi di un fulmine nube-suolo

  • Lunghezza: anche decine di km;

  • Larghezza: poco più di una matita;

  • Differenza di potenziale: diverse centinaia di milioni di Volt;

  • Corrente: il valore medio è di 20.000 A, ma si può avere un range di valori da 2kA fino a 200kA, per i fulmini negativi (quelli positivi, più rari e meno conosciuti, sono ancora più potenti);

  • Temperatura: 33.000°C;

  • Velocità: anche un terzo della velocità della luce (che è di circa 300 milioni di metri al secondo);

  • Tempo: la scarica leader raggiunge il punto di congiunzione in 20 millisecondi, la scarica di ritorno in 70 millisecondi raggiunge la nube;

  • Il Rumore del tuono può essere sentito fino a 20-25 km di distanza.


Per concludere non possiamo non ricordare che occorre sempre prestare la massima attenzione quando si ha a che fare con i temporali. I fulmini sono pericolosi e sempre in agguato. Per questo vi consigliamo di leggere l'articolo dedicato proprio agli effetti dei fulmini sul corpo umano e sicurezza.

Si ringraziano:

  1. Renzo Bellina, di professione insegnante, è laureato in Fisica presso l’università di Trieste. Ha svolto il ruolo di previsore presso il centro meteorologico regionale del Friuli Venezia Giulia.

  2. Marina Bernardi, CESI-SIRF, http://www.fulmini.it.