Introduzione
I fulmini rappresentano uno dei fenomeni atmosferici più spettacolari e potenzialmente pericolosi, giocando un ruolo cruciale nella dinamica delle tempeste e nel bilancio energetico dell'atmosfera. La loro presenza è strettamente legata alla formazione delle nubi temporalesche, in particolare i cumulonembi, mentre sono molto più rari o assenti in presenza di altre formazioni nuvolose.
Figura 1: Tipologia di nubi, schematizzazione (fonte Wikipedia)
Queste nubi, imponenti, a forte sviluppo verticale, si formano in condizioni di instabilità atmosferica, caratterizzata da forti moti convettivi. L'aria calda e umida viene sollevata rapidamente, raffreddandosi e condensandosi in goccioline di nube. La continua ascesa dell'aria permette la formazione di particelle di ghiaccio, cristalli e neve nella parte superiore della nube, mentre gocce di pioggia e graupel (neve granulare) si trovano nella parte inferiore. Diversi studi concordano nell’affermare che l'altezza dei cumulonembi influisce sul numero di fulmini prodotti, poiché un maggiore sviluppo verticale favorisce una marcata stratificazione delle particelle sospese. Le particelle di ghiaccio più piccole e leggere, cariche negativamente, tendono ad accumularsi nella parte superiore della nube, mentre le particelle più pesanti, come i chicchi di grandine e le gocce di pioggia, cariche positivamente, si concentrano nella parte inferiore. E’ proprio in questa fase che avviene il processo di carica, in quanto le particelle, collidendo tra loro, si caricano elettrostaticamente. Questa formazione e disposizione di cariche crea differenze di potenziale elettrico sia all'interno delle nubi sia tra le nubi e il suolo, condizioni che sono alla base dei fulmini. I fulmini quindi non sono altro che enormi scariche elettriche intense e improvvise che avvengono per riequilibrare queste differenze di potenziale, quando l’isolamento dell’aria non è sufficiente ad arginare la forza di attrazione delle cariche. Per chi ha qualche reminiscenza di fisica, in pratica, è lo stesso fenomeno che avviene tra le armature di un condensatore quando il materiale dielettrico viene perforato da una scarica, ovvero un flusso di corrente all’interno di un materiale isolante. Quando il campo elettrico all'interno della nube supera la rigidità dielettrica dell'aria (circa 3 milioni di volt per metro), si verifica una scarica elettrica.
Fasi di un fulmine
Il fulmine, così come appare ai nostri occhi, è una scia luminosa che segue un percorso più o meno tortuoso e si esaurisce in circa 0.2-0.5 secondi. Tuttavia, in questo breve lasso di tempo avviene una serie di fenomeni distinti e consecutivi che il nostro occhio non riesce a distinguere. Di seguito una breve descrizione delle varie fasi, considerato un fulmine nube-suolo discendente, il più studiato dati gli effetti potenzialmente distruttivi sulle cose.
Di seguito:
• Formazione di una zona ionizzata locale:
• Inizia vicino alla base della nube (nel caso di un fulmine discendente nube-suolo).
• Si forma una area tipicamente allungata chiamata "streamer", canale, una zona di aria ionizzata di dimensioni ridotte dove le molecole d'aria sono separate in ioni positivi e negativi a causa del forte campo elettrico.
• Estensione del canale ionizzato:
• La ionizzazione iniziale si estende creando un canale ionizzato di qualche decina di metri. Questo canale viene prolungato da canali simili attraverso una progressione a passi successivi, noto come "stepper leader", indicativamente di 50 - 100 metri ciascuno. La velocità di formazione è di circa 150 mila metri/sec (dai 50 ai 100 metri al microsecondo). La formazione di ogni nuovo step è intervallata da una pausa di circa 50 microsecondi, in direzione discendente.
• Questa fase si forma senza alcuna emanazione di luce, quindi invisibile ai nostri occhi.
• Raggiungimento del suolo e chiusura del circuito:
• Quando il canale ionizzato dello “stepper leader” raggiunge il suolo, le cariche di polarità opposta nel terreno vengono richiamate verso la nube lungo il canale. Questo rappresenta la chiusura del circuito elettrico nube-suolo e il conseguente passaggio di corrente. Questo stadio è l'innesco di un'onda di ricombinazione ionica che percorre a ritroso tutto il canale, producendo luce (lampo) e alte temperature (circa 30.000 K in un canale di pochi centimetri di diametro). Questa è la fase in cui vediamo il vero e proprio fulmine.
• Colpo secondario o di ritorno:
• È ciò che causa la scia luminosa visibile ai nostri occhi e l'onda sonora del tuono.
• Il fulmine è completo e, a volte, si esaurisce in circa 100 millisecondi dall'innesco dello streamer.
• Dart leader e colpo di ritorno successivo:
• Altre volte, lungo il percorso del colpo di ritorno, rimane un canale parzialmente ionizzato dove si era formato il leader a passi. Questa traccia viene sfruttata per un successivo processo di ionizzazione verso terra, detto "dart leader". Questo chiuderà il circuito e creerà un secondo colpo di ritorno, con conseguente passaggio di corrente e luminosità. Tutto il processo dura circa 50-100 millisecondi e può ripetersi più volte.
• Colpi successivi di fulmine:
• Ciascun colpo di ritorno successivo al primo è chiamato colpo successivo di fulmine.
• Circa il 55% dei fulmini è composto da più colpi successivi di corrente, fino a 10-20 colpi, con una media di 2-3 colpi per fulmine.
• Il percorso dei colpi successivi è solitamente lo stesso del primo e appare come re-illuminazioni dello stesso percorso, che l'occhio umano non riesce a percepire come distinte, ma appena in grado di notare variazioni di luminosità (tremolio).
• In alcuni casi, il canale viene percorso solo in parte e il punto di impatto al suolo del colpo successivo è diverso da quello del primo colpo.
• Leader ascendenti:
• Durante lo sviluppo del leader a passi, spesso dalle punte al suolo si generano ionizzazioni sufficienti ad innescare dei leader ascendenti (da suolo verso nube).
• Questi leader ascendenti sono sostenuti dal campo generato all'avvicinarsi del leader discendente. In questo caso, il leader discendente non incontra direttamente il suolo, ma uno di questi leader ascendenti, chiudendo il circuito e provocando il successivo passaggio di cariche e di corrente.
Figura 2: fasi di formazione fulmine (fonte atmo.arizona.edu)
Categorie di fulmini
Gli effetti fisici causati dalla scarica nell’atmosfera sono peculiari, in quanto la liberazione di tali quantitativi di energia in tempi così brevi determina l'emanazione di luce (lampo) e onde d'urto sonore (tuono). Tipicamente un osservatore distante vede il lampo sensibilmente prima di sentire il tuono, poiché il suono viaggia a velocità molto inferiore a quella della luce (1238 km/h circa contro 300.000 km/s) e quindi percepirà un ritardo di circa tre secondi per ogni chilometro di distanza dal fulmine. E’ facile capire come simili fenomeni, in tempi antichi, si attribuissero a divinità.
Poiché la generazione di una scarica avviene tra punti a differente potenziale, si possono identificare sostanzialmente quattro tipologie differenti di scariche in funzione dei punti di innesco e della polarità.
Figura 3: Tipologia di scariche in funzione della polarità (fonte Web)
Si usa comunemente classificare i fulmini in una serie di categorie:
- i fulmini nube-suolo (Cloud-to-Ground, CG) si sviluppano tra una nube temporalesca e il terreno sottostante;
- i fulmini intra-nube (Intra-Cloud, IC) si generano tra centri di carica opposta che si trovano all’interno della stessa nube;
- i fulmini nube-nube (Cloud-to-Cloud, CC) si generano tra centri di carica opposta che si trovano all’interno di due nubi limitrofe;
- i fulmini nube-aria (Cloud-to-Air, CA) si scaricano da una nube nell’aria circostante. Per brevità, ci si riferisce spesso ai fulmini IC, CC e CA con l’unica categoria degli IC, in modo da ottenere due sole categorie distinte di fulmini, quelli che raggiungono il suolo (CG) e quelli che non lo raggiungono (IC).
È possibile distinguere i fulmini anche in base al segno della carica elettrica che trasportano: si ottiene così una separazione tra fulmini positivi e negativi. In relazione a quanto visto precedentemente la carica positiva dovrebbe distribuirsi tra le particelle più pesanti, ma in questo processo la temperatura può modificarne la polarità: tipicamente una temperatura inferiore ai -15 C° fa in modo che siano le cariche negative a caricare le particelle più grandi, modificando così la polarità di scarica (in pratica la temperatura influisce sulla fase della particella). La problematica della polarità è stata trattata da diversi studi. Si ricorda la Teoria di Wilson (1920): cattura preferenziale di elettroni e cariche negative da parte di gocce d'acqua in caduta polarizzate per induzione ⇒ piogge ʺnegativeʺ, e la Teoria di Simpson (1927): il meccanismo Wilson è integrato dalla formazione di ioni positivi a partire da gocce d'acqua polverizzate da correnti ascensionali ⇒ piogge ʺpositiveʺ.
Un’ultima classificazione, che si utilizza solo per la categoria dei fulmini CG, distingue in fulmini discendenti ed ascendenti, a seconda che la scarica si propaghi dalla nube verso il terreno o viceversa; in genere i fulmini ascendenti si verificano solamente in corrispondenza di strutture elevate come torri e grattacieli mentre i fulmini discendenti possono svilupparsi su qualsiasi tipo di terreno e sono perciò molto più comuni.
Figura 4 Procedendo da sinistra: intranube, tra nube e nube, tra parte bassa negativa di una nube e suolo positivo e tra parte alta positiva di una nube e suolo negativo [Public Domain per le prime tre immagini e C.D. Ahrens e R. Henson per la quarta]
Caratteristiche elettriche di un fulmine
Ciò che comunque impressiona, oltre alla spettacolarità del fenomeno in sé, è l’effettiva energia che una singola scarica è in grado di liberare. Da un punto di vista elettrico il fulmine ha le seguenti caratteristiche:
Figura 5: Caratteristiche elettriche (fonte Wikipedia)
Ovviamente non esistono strumenti in grado di misurare direttamente la tensione di una scarica. Il valore, in miliardi di volt, può essere stimato misurando la lunghezza della scarica in funzione della costante dielettrica dell’aria, anche se le dinamiche di formazione della stessa a cui prima si è fatto cenno (scarica pilota, scarica leader e dart leader) possono abbassare tale valore anche di un ordine di grandezza. L’energia stimata di un fulmine tipico si attesta su un picco di 5 GigaJoule per un tempo di circa 50 microsecondi, per una potenza di picco di circa 100 Terawatt. Alla DeLorean bastavano 1,21 Gigawatt e 88 miglia orarie, quindi Doc poteva dormire sonni tranquilli.
In questa trattazione si saltano volutamente fenomeni meno comuni che includono i fulmini a superficie blu, (che si estendono dalla sommità della nube verso la stratosfera), e i jet giganti, che possono raggiungere altitudini di oltre 50 chilometri. Sono stati osservati fulmini anche durante tempeste di sabbia, bufere di neve e nelle nuvole di cenere vulcanica o comunque di vasti incendi (fulmini a secco). Ovviamente le dinamiche di formazione delle scariche sono differenti rispetto a quelle che avvengono all’interno dei cumulonembi ma l’analisi specifica, peraltro in qualche caso ancora oggetto di discussione, esula da questa semplice trattazione.
Figura 6: Etna, eruzione del 2022, fulmini in nubi vulcaniche (fonte Meteoweb.eu)
Pericolosità dei fulmini
E’ opportuno infine evidenziare la pericolosità, a livello statistico, del fulmine per le vite umane. In media la frequenza del fenomeno (quanti fulmini scoccano) è elevata, nell' ordine dei 1,5 milioni all'anno sul territorio nazionale, mentre i decessi si attestano numericamente su valori di parti per milione.
Non esiste una banca dati centralizzata che raccolga esclusivamente dati su morti per fulmini in Italia. Tuttavia, le statistiche internazionali e i rapporti delle autorità locali suggeriscono che i decessi causati da fulmini sono rari, in quanto localizzati in aeree specifiche (montagna, spiagge, mare, campi aperti e alberi isolati) e ovviamente in concomitanza di eventi temporaleschi. A livello globale, si stima che circa 24.000 persone muoiano ogni anno a causa dei fulmini, e circa 240.000 restino ferite. Alcuni siti riportano in Italia dai 15 a 20 morti all’anno (sul periodo degli ultimi 10 anni) contro una stima di circa 3000 morti/anno a causa di incidenti stradali. Visto che non è mai il caso di sfidare la fortuna è utile ricordare le regole base per abbassare il rischio. Se si viene sorpresi da una tempesta, quando ci si trova all'aperto, il consiglio è di trovare un riparo, possibilmente in un edificio o all'interno di un'auto. Bisogna ricordare di non ripararsi mai sotto un albero (soprattutto se isolato). Se si è in acqua, piscina o mare, uscire immediatamente dall'acqua. La regola è cercare di non stare esposti in ampi spazi aperti o colline isolate.
Conclusioni
In conclusione, i fulmini rappresentano uno dei fenomeni naturali più affascinanti e potenti del nostro pianeta. Sebbene abbiano il potere di causare danni significativi e mettano in pericolo vite umane, essi svolgono anche un ruolo cruciale nel bilanciare l'energia atmosferica e nel sostenere l'equilibrio elettromagnetico della Terra. La comprensione approfondita di questi fenomeni può aiutarci non solo a migliorare le tecnologie di previsione e prevenzione, ma anche ad apprezzare la complessità e la bellezza della natura.
La ricerca continua sui fulmini ci offre la possibilità di scoprire nuovi aspetti di questo potente fenomeno e di sviluppare strategie sempre più efficaci per proteggere le comunità. In questo modo, possiamo trasformare la paura dei fulmini in un rispetto informato e una curiosità scientifica. Mentre osserviamo un fulmine illuminare il cielo notturno, siamo affascinati della straordinaria potenza della natura e consapevoli dell'importanza di continuare a studiare e comprendere meglio il mondo che ci circonda.
