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COME SI FORMANO I FULMINI                           

Filmini lampi e tuoni

 

I fulmini sono delle scariche elettriche improvvise e violente che si verificano tra due nubi oppure tra una nube e la superficie terrestre a causa di differenze di potenziale molto elevate nell'ambito dell'atmosfera. Un fulmine che parte da un temporale e si scarica a terra trasporta milioni di volt di elettricità, più di quanta tutte le centrali elettriche degli Stati Uniti messe insieme, potrebbero produrre in quel breve istante. Il fenomeno si manifesta con un effetto luminoso, lampo, ed uno sonoro (tuono) che non vengono percepiti simultaneamente dall'osservatore a causa delle diverse velocità di propagazione della luce (300.000 Km/s) e del suono (340 m/s). Il lampo viene visto pertanto quasi istantaneamente, mentre il tuono viene udito dopo un intervallo di tempo tanto più grande quanto più è distante il fulmine. Normalmente un fulmine è composto da un ramo principale e da molti rami secondari, con il caratteristico aspetto a zig-zag, determinato dalla ricerca del percorso di minor resistenza elettrica. La lunghezza può raggiungere i 2-3 Km, con punte di 5 Km in Sud Africa; quando si verificano tra nubi, i percorsi possono anche raggiungere i 10-15 Km.
Esistono fulmini nube-nube e fulmini nube-terra. Oltre a questi esistono anche altre classificazioni dei fulmini in base alle caratteristiche ed alla forma.

 

Come si forma un fulmine 
Dalla fisica è noto che se si caricano elettricamente due corpi conduttori con cariche di segno opposto, non c'è passaggio di corrente elettrica se essi sono separati da un materiale isolante. Aumentando il numero delle cariche, l'intensità del campo elettrico aumenta proporzionalmente fino ad un certo limite, caratteristico di ogni isolante, oltre il quale il materiale cede istantaneamente con un passaggio violento di corrente fra i conduttori. La scarica produce la perforazione del materiale ed il valore limite del campo elettrico, oltre il quale si ha tale fenomeno, è noto come rigidità dielettrica. Nel caso dell'aria pulita e asciutta il valore del campo è di circa 30 KV/cm, che scende notevolmente, a valori inferiori a 3-4 KV/cm, in presenza di umidità, di pulviscolo atmosferico o di altre impurità. Il fulmine è l'equivalente atmosferico del fenomeno precedentemente descritto; in tal caso l'isolante è l'aria ed i due corpi conduttori sono la nube ed il suolo oppure due diverse nubi o due diverse parti di una stessa nube. E' ormai accertato che le grosse nubi temporalesche (cumulonembi) sono caricate positivamente nella parte più alta e negativamente in quella più bassa; esistono diverse teorie che cercano di giustificare tale situazione, una di esse, abbastanza attendibile, è che le separazioni delle cariche abbiano origine dalle collisioni fra i vari elementi di nube rappresentati dalle piccole gocce di acqua o dai piccoli cristallini di ghiaccio, formatisi in seguito alla condensazione o alla sublimazione del vapore acqueo. All'interno delle nubi temporalesche esistono forti correnti ascensionali e precipitazioni che innescano complessi procedimenti di crescita e di interazione dei vari elementi, determinando le collisioni sopra citate e la formazione del fulmine.

Si è ritenuto che le più piccole particelle tendano ad acquisire cariche negative, mentre le più grandi acquisiscano cariche positive. Queste particelle tendono a separarsi per effetto delle correnti ascensionali e della forza di gravità, fino a che la nube non assume lo stato elettrico precedentemente descritto (positivo in alto e negativo in basso). La suddetta separazione produce enormi differenze di potenziale sia all'interno della nube che fra la nube e la terra, che per induzione tende a caricarsi positivamente. Le differenze di potenziale possono raggiungere le centinaia o migliaia di milioni di volt, causando il superamento della rigidità dielettrica dell'aria: in tale istante scocca il fulmine. Il meccanismo della scarica è tuttavia alquanto complesso e si manifesta in due tempi:
1) Inizialmente dalla nube scende verso il suolo una scarica debole ed invisibile composta da particelle cariche negativamente, essa è detta scarica pilota (o scarica guida o stepped leader) ed avanza verso il basso con una velocità relativamente piccola (circa 100 Km/s) e con percorsi successivi di breve lunghezza (circa 50 m). Lungo tale percorso a zig-zag si crea un'intensa ionizzazione che predispone alla seconda fase.
2) Quando la scarica pilota si avvicina al suolo, da quest'ultimo parte una scarica "di ritorno" diretta verso l'alto e composta da un flusso di cariche positive presenti sulla superficie terrestre. Quando le due scariche si incontrano, esse segnano nell'aria una specie di scia di congiunzione tra cielo e terra; lungo tale traccia risale verso la nube una fortissima corrente elettrica ad una velocità stimata in circa un terzo di quella della luce. La scarica di ritorno (return stroke) può durare tra qualche decina e qualche centinaia di micro secondi e tutta l'energia trasportata da un fulmine si trasforma in luce, onde sonore, onde radio, e calore; il massimo picco di temperatura, che di solito raggiunge i 50.000 gradi, ha la durata di qualche millesimo di secondo, appena sufficiente per bruciacchiare un po' i vestiti. Il canale conduttore, creato dalla scarica guida, può ramificarsi in parecchie branche, lungo le quali si possono avere diverse scariche di ritorno giustificando così l'aspetto tutto ramificato del fulmine, simile alle radici di una pianta. Spesso lungo il canale conduttore, dopo la prima scarica, si può avere un'altra scarica guida verso il basso, che innesca un secondo fulmine. Questo può verificarsi più volte in uno o due secondi, causando l'effetto tremolante nella luce del lampo.
 

Tipi di fulmini
Si possono fare diverse classificazioni a secondo di come avviene la scarica elettrica oppure a secondo del loro aspetto. Nel primo caso si hanno:
- Scariche tra nube e terra, sono i veri e propri fulmini e sono i più pericolosi perché possono ovviamente colpire l'uomo e causare i maggiori danni. Non sono i più comuni ed il loro meccanismo è stato visto in precedenza.
- Scariche interne alle nubi, il meccanismo è simile a quello precedente e provocano quasi unicamente lampi. Sono il tipo più comune
- Scariche aeree, si producono fra due diverse nubi
A seconda del loro aspetto e delle loro caratteristiche, i meteorologi distinguono diversi tipi di fulmini, quelli più noti sono i seguenti.
Fulmini a razzo : sono una varietà di fulmine a linea in cui la scarica procedono tanto lentamente da creare l'impressione di un razzo che voli nel cielo (molto raro);
Fulmini Globulari : sono i più misteriosi essendo stati osservati sporadicamente ed essendo ancora sconosciute le cause fisiche. Essi si presentano come delle sfere luminose di vario diametro (da 2 cm ai 10 m) e colorate di rosso, arancione, giallo, bianco, e altri colori ancora. La loro durata può essere di diversi minuti. Possono essere statici o in rapido movimento a zig-zag, riuscendo persino a passare attraverso pareti, porte, finestre chiuse senza danneggiarle.
Fulmini a perla (o a collana), che appare suddiviso in segmenti ad intervalli più o meno regolari;
Fulmini superficiali : hanno l'aspetto di lingue di fuoco uscenti dall'orizzonte e sono prodotti da scariche elettriche non direttamente visibili dall'osservatore anche se può udirne il tuono. Possono verificarsi dentro una nube o dietro nubi più vicine, rendendole visibili anche a grandissima distanza. Quando il tuono non è più udibile (oltre i 15 Km) si parla di lampi di calore.
Fuochi di S. Elmo: sono scariche elettriche più o meno continue, di piccola o moderata intensità. Tali scariche provengono da oggetti elevati sulla superficie terrestre (parafulmini, alberi di nave, pennoni, etc) o da aeroplani in volo (eliche, estremità delle ali, etc).
 

 

Struttura - onde sonore del tuono

Via via che una nube temporalesca si forma, si crea al suo interno una frizione tra le particelle di ghiaccio che risalgono la nube e quelle che la discendono (in genere sono più grosse e scendono perché il loro peso supera la forza ascendente delle correnti d'aria); queste strappano alle particelle più piccole una variabile quantità di elettroni. Si crea così, all'interno della nube, una differenza elettrostatica in quanto le particelle caricate positivamente, quelle che hanno ceduto degli elettroni, risalgono la nube, mentre quelli caricati negativamente la discendono; si crea così una parte sommitale che è positiva e una parte inferiore che è negativa. La predominanza di forze negative alla base della nuvola crea delle zone d'ombra positive sulla superficie della terra, e quando la differenza tra polo positivo e negativo si fa sufficientemente grande allora parte la scarica (il fulmine) che cerca di ristabilire un equilibrio scaricando parte di questa energia verso terra. Sotto uno schema della distribuzione delle cariche in un cumulonembo..


 

                       

 

                     

                            uno schema delle possibili tipologie di fulmini
 

In realtà si è appurato che spesso i fulmini non colpiscono una volta sola ma che vi sono delle ondate di elettricità che scorrono tutte nello stesso canale, ma a causa della altissima velocità in cui questo fenomeno accade, l'occhio umano non riesce a cogliere questi singoli flussi ma ne vede uno solo. Questo fenomeno è stato scoperto grazie all'avvento di macchine fotografiche sempre più moderne che riescono a cogliere i singoli flussi di corrente all'interno dei fulmini. Non sempre i fulmini vanno dall'basso verso l'alto ma può accadere che la vicinanza dei due campi elettrici induca anche il terreno a creare una scarica che va verso l'alto. Se le due scariche, se si incontrano, danno vita ad un fulmine che si propaga in tutte le direzioni riscaldando notevolmente l'aria e creando delle "shock waves" onde di shock; queste onde non sono altro che le onde sonore del tuono. Qualche volta il fulmine raggiunge direttamente la nuvola nella sua parte positiva nella quale si disperde. Questo fenomeno è frequente sui grattaceli e le alte montagne. Quindi abbiamo visto che in realtà vi sono varie cause che inducono la formazione di diverse tipologie di fulmini: possono andare dalla nuvola verso il terreno, o dal terreno verso la nuvola o in tutti e due i sensi contemporaneamente; riassumendo si possono avere: fulmini tra nube e suolo, fulmini tra nubi e fulmini tra nube ed aria. I fulmini tra aria e suolo partono generalmente dalla base del cumulonembo (nuvola temporalesca), il colore del fulmine è indice dell'umidità dell'aria più è rossastra e più umidità vi è nell'aria, se il fulmine appare di colore bianco vuole dire che l'aria è particolarmente secca e si corre qualche pericolo di incendi. Quelli che si propagano tra nubi sono i tipi di fulmine più comune e si crea in genere all'interno della stessa nube temporalesca quando la scarica elettrica passa tra la base della nuvola, caricata negativamente, e la sommità che è positiva. Può anche accadere che i fulmini si generino tra due nubi distinte aventi cariche opposte e la scarica avviene tra la parte positiva di una e la base negativa dell'altra nube; piochè questo fenomeno avviene a grandi altezze è possibile vedere questi fulmini anche da distanze superiori a 300 Km. Accanto due schemi di due tipologie di fulmine: da nuvola ad aria e da nuvola a nuvola.
 

                  

 

 

I fulmini, tra una nube e l'aria che la circonda, avvengono quando una parte della nube, caricata positivamente o negativamente, incontra una zona d'aria che ha carica opposta. Solitamente questa manifestazione è meno intensa delle altre due e una sola scarica in genere è sufficiente a riportare equilibrio nel sistema nube-aria. Come si intuisce i fulmini sono pericolosi ma allora che succede ad un aereo quando attraversa una tempesta? Molto probabilmente verrebbe colpito da un fulmine (le medie dicono che ogni aereo viene colpito almeno una volta all'anno) ma perché non succede nulla? In realtà non è che non succede nulla ma semplicemente la corrente scivola lungo la fusoliera dell'aereo, che è conduttiva, e poi prosegue nella sua corsa. E' il principio della Gabbia di Faraday, ed è in questo modo che si possono studiare questi eventi nella massima sicurezza. Gli aerei che non possiedono una fusoliera molto conduttiva rischiano di più perché la corrente non scivola liberamente lungo la fusoliera perché il materiale non ne permette il facile flusso e tende di conseguenza a riscaldarsi come se fosse una resistenza. Può anche capitare che il lancio di razzi, più o meno grossi, durante un temporale, o condizioni meteo che favoriscono la formazione di fulmini, possa creare artificialmente un canale nell'aria in cui successivamente vi fluisce il fulmine che si scarica verso terra. Quando un fulmine colpisce il terreno come abbiamo detto scarica diversi milioni di volt in pochi istanti. Questo enorme flusso di energia può portare alla fusione del materiale che incontra, se è abbastanza sciolto come una sabbia, e il suo successivo raffreddamento lascia nel terreno la vera e propria forma del fulmine come uno stampo nell'argilla. Concludendo volevo aggiungere che non è sempre necessario la presenza di un temporale per provocare la nascita di fulmini e lampi, ma questo fenomeno può nascere anche sulle vette di vulcani attivi; questo è dovuto al movimento e alla frizione tra ceneri, lava e rocce che si muovono sulla sommità del vulcano e creano delle differenze elettrostatiche muovendo gli elettroni da una parte o dall'altra; come è successo recentemente durante l'eruzione del vulcano Sakurajima in Giappone.
 

Dinamica

Per far partire un fulmine si devono creare differenze di carica elettrica all'interno di una nuvola o tra la nuvola e il suolo. In genere la parte superiore di una nuvola ha carica positiva e quella inferiore negativa .
Queste differenze si formano per Io scontro, dentro il cumulonembo temporalesco, tra cristalli di ghiaccio che salgono e chicchi di grandine che precipitano verso il basso. I chicchi strappano ai cristalli elettroni (che hanno carica negativa) e si caricano negativamente. I cristalli acquistano, invece, carica positiva.
Non è invece chiaro perché talvolta alla base della nube ci siano zone di carica positiva.

 

                    

 

 

Scariche- fulminazioni
Le cariche della nube ne inducono altre di segno opposto a terra. Fino a che dalla nuvola scocca una scarica pilota (o "leader"), ancora invisibile, che si muove verso il suolo zigzagando a 100 Km al secondo. Quando una scarica leader discendente si incontra con una leader di segno opposto proveniente dal terreno si creano onde d'urto che provocano il tuono, e si apre un canale attraverso cui inizia lo scambio delle cariche elettriche che surriscalda il percorso fino a trentamila gradi e lo rende visibile.
 

 

 

 

 

 

Per un milionesimo di secondo nel canale del fulmine si crea un potenziale elettrico superiore a quello di tutte le centrali europee. Ma questa enorme produzione di energia dura così poco che terrebbe una lampada accesa solo per un mese.
Esistono quattro tipi di fulmine: Negativo discendente quando la scarica leader ha carica negativa e parte dalla nube, positivo discendente quando la leader ha carica positiva. Positivo (o negativo) ascendente quando ha carica positiva (o negativa) e va dalla terra alla nube.
 

Il tuono
Lungo lo stretto canale percorso dal fulmine, l'aria si riscalda, quasi istantaneamente, fino a 15.000 °C, determinando un'espansione esplosiva che ad una certa distanza si manifesta con un fragore noto come tuono. Se un fulmine cade ad una distanza relativamente breve, il tuono viene avvertito come un colpo secco; se cade lontano, il lampo è seguito da un rombo sordo e prolungato in quanto le onde sonore vengono rifratte dall'atmosfera e fatte rimbalzare da colline, montagne e altre conformazioni del terreno. Come si è già detto, la luce del lampo viene percepita istantaneamente, mentre il tuono viene udito dopo un intervallo di tempo più o meno lungo a secondo della distanza del fulmine. Tale distanza è pari a 340 metri moltiplicati per il suddetto intervallo in secondi.
Bersagli di un fulmine
Un fulmine segue generalmente il percorso di minor resistenza elettrica tra la nuvola e il suolo, che non corrisponde tuttavia al percorso più breve dal punto di vista geometrico. Ogni cosa che si sopraeleva sul suolo, come alberi, camini, edifici alti, cime di monti e persino un individuo a piedi, accorciano quindi il percorso e possono diventare il bersaglio del fulmine: più l'oggetto è alto, più è vulnerabile. La scarica elettrica di un fulmine può anche trasmettersi attraverso corpi conduttori di elettricità, come tubi metallici, fili spinati, mazze da golf, grondaie e corsi d'acqua. Secondo un'antica credenza, un fulmine non può colpire due volte lo stesso punto; l'esperienza insegna che ciò non è vero, ad esempio, nel corso di un anno, l'Empire State Building è stato colpito 48 volte, e la cima di una montagna svizzera ben 100 volte!

 


Effetti e danni provocati dai fulmini
La caduta di un fulmine può provocare sulle strutture colpite diversi effetti e precisamente:

-Termici. L'energia sviluppata da un fulmine ha la capacità di fondere materiali metallici, provocare l'incendio di materiali combustibili o infiammabili, etc. L'altissima temperatura può sgretolare un albero, facendo evaporare la linfa e, a volte, riesce a fondere la sabbia, trasformandola in schegge di vetro.
- Meccanici. Le forti correnti elettriche indotte nelle strutture metalliche colpite causano forze attrattive, di natura elettrodinamica, tali da produrre deformazioni o rotture. Nel caso di linee elettriche, le forze attrattive possono produrre schiacciamento di cavi o contatti fra conduttori con conseguenti cortocircuiti.
- Chimici. Le forti scariche causano la formazione di ozono e di composti nitrici dovuti all'ossidazione dell'azoto. In quest'ultimo caso è come se nel suolo fossero iniettate gigantesche quantità di materie azotate.
- Elettromagnetici. Le scariche sono accompagnate da forti emissioni di onde elettromagnetiche che producono disturbi nelle trasmissioni radio, in particolare nel campo delle onde lunghe e medie. Le sovratensioni indotte nelle linee elettriche e telefoniche possono causare danneggiamenti nelle apparecchiature collegate, in particolare di quelle elettroniche.
Gli effetti su una persona colpita da un fulmine sono generalmente letali, a causa dell'arresto cardiaco e respiratorio, come in qualsiasi altro caso di folgorazione. Nei casi più gravi si possono avere carbonizzazione dei tessuti dove la corrente entra ed esce dal corpo. Tuttavia sono molti i casi di persone rimaste indenni o salvate in seguito ad un pronto intervento mediante massaggio cardiaco e respirazione bocca a bocca.
 

Sicurezza e sopravvivenza
Ogni temporale è preannunciato da tuoni e quindi conviene subito cercare un riparo adeguato tenendo presente che una casa è il posto più sicuro in particolare se nelle vicinanze iniziano a cadere fulmini. Anche in casa è opportuno tuttavia seguire alcuni accorgimenti e precisamente:
 Evitare di stare vicini a superfici e ad oggetti metallici; è pure opportuno non sostare accanto alle pareti o in stanze troppo piccole.
 Non accendere apparecchi elettrici; si ricorda che l'antenna televisiva, purché opportunamente messa a terra può funzionare da parafulmine.
 Non tenere aperte le porte e le finestre.
All'aperto, in mancanza di zone riparate e sicure occorre osservare che alberi, tralicci, antenne, bandiere possono fungere da richiamo e quindi conviene rannicchiarsi su di un qualsiasi oggetto isolante, evitando di sdraiarsi per terra.
In particolare sono molto pericolosi gli alberi, specie se isolati, vecchi e pieni di cavità. La corrente passa attraverso il tronco facendo evaporare all'istante la linfa e provocando l'esplosione del tronco; se quest'ultimo è liscio e bagnato le probabilità di danneggiamento sono molto minori.
E' sconsigliabile rimanere in acqua durante un temporale, essendo essa un ottimo conduttore di elettricità. Un buon rifugio, al contrario, è l'automobile.