Aspetto tipico di un fulmine (dal sito NOOA)
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Provate a strusciare le vostre scarpe su un tappeto e allora diventerete una
"nube temporalesca" pronta a rilasciare l'energia elettrostatica che avete
accumulato. Avvicinatevi ad un oggetto metallico e scatterà una scintilla;
questo perché strusciando i piedi avete assorbito dal tappeto una quantità di
elettroni e così vi siete caricati negativamente, mentre una maniglia metallica,
che può essere assimilata alla terra, è carica positivamente. E' noto che gli
opposti si attraggono, così quando siete sufficientemente vicini vi sarà una
scarica di elettroni che fluiranno da voi verso la maniglia per ripristinare la
vostra "neutralità elettrica". Quando un fulmine parte da un temporale e si
scarica a terra esso trasporta milioni di volt di elettricità, più di quanta
tutte le centrali elettriche degli Stati Uniti messe insieme, potrebbero
produrre in quel breve istante.
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. 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.
Aspetto tipico di un fulmine (dal sito NOOA)
Come nascono
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.
Scariche elettriche all'interno di
una nube (da "A Lightning Primer" - NASA)
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.
Sequenza di fulmini (dal sito NASA)
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.
COME NASCE E SI MUOVE
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 LEADER
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.
-POTENZA
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.
QUATTRO TIPI
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
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.
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).