fulmini

Allo scopo di aiutare a comprendere concetti importanti nel sito espressi, di seguito vengono presentati brevi concetti di Meteorologia organizzati con un indice da cliccare.

DEFINIZIONE

TIPOLOGIA

FISICA DEL FULMINE

PARAMETRI DEL FULMINE

COME NASCE E SI MUOVE

IL FULMINE NUBE-SUOLO

PERICOLOSITA' ED EFFETTI BIOLOGICI

NORME DI SICUREZZA

I fulmini sono delle scariche elettriche transitorie con alta intensità di corrente. Il fulmine avviene nell’atmosfera e si presenta ai nostri occhi come una traccia luminosa. Questo accade quando in una regione dell’atmosfera si raggiunge una differenza di potenziale sufficiente perchè il campo elettrico associato possa causare la rottura del dielettrico (aria).

Per poter dare origine ad una differenza di potenziale è necessario che in due regioni diverse e relativamente vicine dell’atmosfera, o tra una regione dell’atmosfera e la crosta terrestre, si creino degli accumuli di cariche opposte. Il processo di formazione delle cariche in grado di generare tali accumuli è il meccanismo convettivo all’interno di un temporale o di una turbolenza atmosferica.

Una volta create le aree con carica opposta, se la differenza di potenziale tra di esse è sufficiente a creare una scarica, come tra poli opposti di una batteria, avverrà il passaggio di corrente e il conseguente illuminamento del percorso di carica.

La situazione propizia più classica per la produzione di fulmini è data dal temporale, costituito da nuvole dette cumulonembi. I fulmini più facilmente osservabili sono quelli fra una nuvola e il suolo, ma sono comuni anche scariche fra due nuvole o all'interno di una stessa nuvola. Inoltre qualsiasi oggetto sospeso nell'atmosfera può innescare un fulmine, si sono osservati infatti fulmini tra una nuvola e un aeroplano, e tra un aeroplano e il suolo.

L'espansione del canale ionizzato genera anche un'onda d'urto rumorosissima, il tuono. L'intensità elettrica di un fulmine varia tipicamente tra i 10 e i 200 kiloampere. Generalmente si descrive il fulmine come una singola scarica, ma sono molto frequenti i casi in cui si verificano una serie di scariche in rapida successione. Tipicamente l'intervallo di tempo tra una scarica e l'altra può oscillare tra i 5 e i 500 millisecondi, e la serie nel complesso può durare anche 1,5 secondi.

I temporali e le nubi temporalesche si formano quando l’atmosfera contiene aria fredda nella regione superiore e aria calda e umida negli strati inferiori. In questo caso l’aria calda tende a salire velocemente in flussi verticali formando le nubi, mentre l’aria fredda scende.

Le nubi temporalesche possono avere dimensioni diverse, da nubi di estensione verticale di qualche chilometro ai temporali giganti con nubi di estensione fino a 20 km.

L’altezza media rispetto al suolo di una nuvola temporalesca è di circa 8-10 km, anche se queste misure sono molto legate alla zona geografica di formazione.

In Italia si presentano tipicamente due tipi di temporali, quelli con fronti estesi provenienti dall’Europa occidentale e quelli localizzati, generati da convezione sul territorio.

All’interno di un temporale vi sono correnti d'aria, dovute ai gradienti termici, e particelle d’acqua e ghiaccio. Dall’interazione di questi elementi si ha la formazione di cariche separate che si dispongono in regioni opposte della nube.

TIPO	SIMBOLO
Fulmine da nube a suolo, polarità negativa	- CG
Fulmine da nube a nube, polarità negativa	- IC
Fulmine da nube a suolo, polarità positiva	+ CG
Fulmine da nube a nube, polarità positiva	+ IC

Consideriamo due corpi conduttori vicini e con cariche di segno opposto. Se tra i due corpi è presente materiale isolante, le cariche, pur attraendosi, non possono incontrarsi.Ma ogni materiale isolante possiede un limite. Se le cariche aumentano, aumenta anche il loro effetto, ovvero la differenza di potenziale tra i due corpi, ed esse finiscono col perforare l'isolante.

Questo meccanismo si verifica, durante i temporali, tra nuvole (normalmente nembi o cumuli distanti tra i 300 e i 1000 metri dal suolo) e terra, con l'aria come materiale isolante interposto. In circa l'85% dei casi sono le cariche negative a portarsi nella parte inferiore delle nuvole e a richiamare quelle positive sulla superficie terrestre (induzione elettrostatica).

Se la differenza di potenziale tra nuvola e terra supera un valore compreso tra gli 80 milioni e il miliardo di volt, l'aria viene perforata dalle cariche elettriche e si ha il fulmine, con una corrente che ha un valore medio di 10000 ampere e un valore limite pari a 200000 ampere. Un fulmine potrebbe alimentare una lampada da 100 Watt per tre mesi.
La perforazione non è istantanea. Dalla nuvola parte una scarica iniziale (detta "scarica pilota" o "scarica leader") non visibile, che procede a scatti con una velocità di 100 chilometri al secondo. Dalla terra parte una scarica di segno opposto, detta di richiamo. Al momento dell'incontro tra le due scariche si ha il fulmine, una scarica finale chiamata scarica di ritorno.
La corrente raggiunge il picco massimo in un tempo brevissimo pari a qualche microsecondo, mentre globalmente il fenomeno può durare tra qualche decina e qualche centinaia di microsecondi.
Al suo interno il fulmine può sviluppare una temperatura di 15000 °C. Il calore espande l'aria ed è questa espansione che provoca il tipico rumore del fulmine, ovvero il tuono. Poichè il suono si propaga a 340 metri al secondo, mentre la luce a 300000 chilometri al secondo, si ha una differenza tra la visione del fulmine (lampo) e la percezione del tuono, che è tanto più rilevante, quanto più lontano si è avuta la scarica elettrica.

Per calcolare la distanza in metri tra noi e il fulmine, basta moltiplicare per 340 i secondi che passano tra il lampo e il tuono.

Tra tutti i possibili percorsi, il fulmine probabilmente seguirà quello più breve o comunque quello che offre un minore impedimento al passaggio della scarica elettrica.
Sulla Terra si hanno 16 milioni di temporali all'anno ovvero circa 44 mila al giorno, con la caduta di 100 fulmini al secondo. Mediamente, in Italia, il numero di fulmini per chilometro quadrato in un anno (Nt) risulta pari a due. Ma non tutte le zone sono interessata allo stesso modo dal fenomeno.

PARAMETRI DEL FULMINE :
I parametri principali che identificano un singolo colpo di fulmine sono sicuramente:

La distribuzione di corrente per fulmini negativi è nota da numerosi esperimenti, e il valor medio di corrente è di 30 kA, con un intervallo che va dai 2 kA ai 200 kA. Il tempo di salita della corrente per il primo colpo di ritorno è di qualche microsecondo, mentre è meno di un microsecondo per i colpi successivi.Il tempo all’emivalore per il primo colpo è di circa 50-100 microsecondi. In generale i colpi positivi presentano tempi più lunghi.

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 lo 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.

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

Ogni fulmine nube-suolo è in realtà formato da più componenti, che nell’insieme prendono il nome di fulmine.

Il fulmine nel suo complesso ha una durata media di 0.2 sec., mentre le singole componenti hanno durata di decine di millisecondi e vengono chiamate colpi.

Di solito per ogni fulmine ci sono due o tre colpi, intervallati da pause. Se si osserva ad occhio nudo un fulmine può capitare di vedere l’immagine intermittente; questo significa che si stanno percependo i vari colpi.

Il fulmine inizia a propagarsi quando si crea un canale di carica ancora molto debole e leggermente visibile, che incomincia a svilupparsi verso terra.

Questo canale procede per passi successivi, ciascuno dei quali è lungo circa 50 m, con pause di circa 50 msec. Questo canale è chiamato "stepped-leader".

Quando lo stepped-leader tocca terra o incontra un canale analogo ascendente, il circuito nube-suolo viene chiuso e si ha passaggio di corrente.

La corrente illumina il canale ionizzato fin qui rimasto oscuro generando così la classica striscia luminosa; questa fase è chiamata "return stroke" (colpo di ritorno).

La velocità del colpo di ritorno è circa 1/3 della velocità della luce. Durante il passaggio di corrente si ha un brusco cambiamento di temperatura e di densità nel canale ionizzato lasciato dallo stepped-leader. Questo brusco cambiamento origina un’onda di pressione che si propaga e che viene percepita come tuono. Il canale di carica ionizzato ha un diametro di qualche centimetro, mentre la temperatura raggiunge i 30.000 K.

A questo punto il fulmine può esaurirsi, oppure dell’altra carica può passare nel canale preesistente, discendendo verso la terra in un secondo processo oscuro, chiamato dart-leader, depositando altra carica lungo il canale; di nuovo al raggiungimento della terra si avrà passaggio di corrente con un secondo illuminamento, e così via per due o più dart-leader.

Solitamente questo processo è più veloce dello stepped-leader e di solito non presenta rami secondari, come invece capita spesso al primo colpo.
La carica totale depositata da un fulmine si aggira sui 5-10 Coulomb.
Un fenomeno spesso concomitante alla discesa dello stepped-leader o alla presenza di una nube temporalesca, è la formazione di canali di carica ionizzata di segno opposto alla parte inferiore della nube, che si propagano verso essa o verso il canale discendente partendo da terra (tipicamente da punte o strutture isolate).

Questi canali, chiamati "upward leader" ( canali ascendenti), possono incontrare effettivamente il canale discendente, aiutandolo così a chiudere il percorso, o possono morire dopo poco senza aver originato il fulmine.

Caso estremo è quello in cui il canale ascendente è così forte che riesce a raggiungere la nube prima di incontrare un canale discendente. Questo da origine ad un fulmine ascendente.

Un corpo colpito da un fulmine viene riscaldato per effetto Joule, e le grandi correnti in gioco possono, a seconda dei casi, incendiarlo o fonderlo all'istante;

Quando un fulmine colpisce una persona, si parla di folgorazione: in una frazione di un secondo un fulmine può danneggiare il cervello e arrestare il battito cardiaco.

Dato che l'impulso elettrico è caratterizzato anche da alte frequenze, parte della corrente scorre sull'esterno del corpo, ustionando in particolar modo la pelle (curiosamente, questo effetto è comunemente detto effetto pelle).

Si stima che in tutto il mondo, nell’arco di un anno, più di mille persone vengano colpite da un fulmine.

Anche se una persona non viene colpita direttamente, un fulmine può comunque provocare danni gravi.

Se il fulmine si scarica su un albero, questo esplode a causa della improvvisa vaporizzazione della linfa, proiettando schegge.

Le principali informazioni sono riportate qui senza alcuna pretesa di completezza, ma solo con l'unico scopo di sottolineare la gravità del pericolo che il fulmine può rappresentare.

Si suggerisce, a chi volesse maggiori informazioni o a chi avesse subito danni da fulminazione, di contattare il proprio medico di fiducia o un centro medico specializzato.

Il corpo umano può essere soggetto a fulminazione diretta, sia principale che secondaria, o a fulminazione indiretta per corrente di ritorno nel terreno.

Gli effetti della fulminazione diretta sono ovviamente i più gravi, e possono portare, a volte, fino alla morte.

Sono stati effettuati molti studi, sia su cavie che sugli incidenti occorsi a persone.

La perdita di conoscenza può durare da qualche minuto a qualche ora e si possono avere perdite di conoscenza anche successive.

Le bruciature di solito si trovano in concomitanza del punto d’entrata e di uscita del fulmine, oltre che in corrispondenza di oggetti metallici come catenine, chiavi o borchie dei vestiti e delle scarpe. Gli oggetti metallici infatti si fondono al passaggio di corrente sprigionando notevole calore. L’intenso calore in vicinanza della testa può causare anche danni cerebrali.

Per ridurre al minimo il rischio di incidenti durante un temporale è molto importante tener ben presente che:

- Tutti gli oggetti più alti rispetto all’ambiente circostante hanno una maggior probabilità di essere colpiti da un fulmine (ad es. un albero, un palo, un traliccio, una cima o una cresta in montagna, ecc...).

- Dopo aver colpito un oggetto, la corrente di un fulmine si disperde nel terreno, per questo motivo se ci si trova vicino all’oggetto colpito e si è a contatto col suolo, la corrente di dispersione potrebbe passare attraverso il corpo.

- Un fulmine può entrare all’interno degli edifici se sono collegati a strutture esterne (ad es. un’antenna, una tubazione, ecc...) percorrendo conduttori elettrici o strutture metalliche.

- I luoghi chiusi, soprattutto se metallici (ad es. un’automobile, un camper, ecc...), o in cemento armato (ad es. una casa, un capannone, ecc...), sono zone sicure se, come descritto nel punto precedente non ci sono mezzi che possono condurre un fulmine all’interno.

In una casa esistono conduttori o strutture che potrebbero favorire il passaggio della corrente di un fulmine dall’esterno all’interno; solitamente i principali sono: il cavo di discesa dell'antenna televisiva, i cavi dell'impianto elettrico, quelli telefonici o dell’ADSL (in quest’ultimo caso se si possiede una linea in fibra ottica si è maggiormente al sicuro poiché questa, essendo fatta di plastica e di piccole percentuali di vetro, non è un buon conduttore per l’elettricità), le tubazioni dell’impianto idraulico, di quello di condizionamento o della distribuzione del gas.

- Staccare il cavo dell’antenna dal televisore o dal videoregistratore (se si possiede un impianto satellitare è consigliato staccare anche il suo cavo d’antenna, soprattutto se l’antenna parabolica è posizionata sullo stesso palo dell’antenna televisiva).

- Staccare dalla presa di corrente apparecchiature sensibili quali televisori, computer, lettori DVD, ricevitori satellitari, fax, impianti stereo o simili apparecchiature (nel caso di computer è buona norma staccare anche il cavo telefonico, quello di rete LAN o di linea ADSL o ISDN); potrebbero venire seriamente danneggiate in caso un fulmine si dovesse propagare attraverso l’impianto elettrico o telefonico.

- Se si sta utilizzando un computer portatile staccare il cavo di alimentazione (e altri cavi quali quello telefonico o di rete LAN), si può continuare ad utilizzarlo senza pericolo con l’alimentazione a batteria.

- Non utilizzare apparecchi elettrici a contatto con il corpo quali l’asciugacapelli, il ferro da stiro o simili.

- Non eseguire riparazioni all’impianto elettrico, a quello telefonico o ad altri tipi di impianti (ad es. di allarme, citofonico, ecc...).

- Evitare di toccare rubinetti, tubi dell’acqua, caloriferi o strutture metalliche a contatto con l’esterno.

- Non utilizzare il telefono se non in caso di emergenza (è invece sicuro utilizzare un telefono cordless).

- E’ inoltre sconsigliato accendere il camino dato che la colonna ascendente d’aria calda potrebbe fungere da canale privilegiato per il fulmine.

In caso di temporale l’automobile è considerata un buon rifugio, poiché è una gabbia metallica (funziona come una gabbia di Faraday), che, tramite le gomme bagnate, condurrà verso terra la corrente del fulmine; in più la breve distanza della macchina da terra permette di innescare un arco elettrico creando una messa a terra sicura.

- Non dare alimentazione elettrica attraverso la chiave, sia per evitare di toccare parti a diretto contatto con la carrozzeria, sia per evitare che eventuali apparecchiature elettroniche possano essere danneggiate in caso di fulminazione (ad es. autoradio, impianto di navigazione satellitare, centralina dell’ABS, dell’iniezione, degli airbag, del climatizzatore, ecc...).

- Se il mezzo non avesse una carrozzeria metallica non deve essere in alcun modo considerato sicuro (ad es. alcune roulotte, automobili decappottabili con capotte in plastica, vecchi automezzi con carrozzeria superiore in plastica, ecc...).

E’ bene tener presente che un temporale in barca può essere molto pericoloso, sia per la navigazione, ma soprattutto per i fulmini.

- Se la costa presenta pareti elevate, e la navigazione lo permette, meglio andare sottocosta.

- In barca a vela l’albero è particolarmente esposto ai fulmini, per questo mettetevi lontani dallo stesso e da altre strutture metalliche

- Se possibile, in base alle norme di navigazione, si può buttare l’ancora facendola passare attorno all’albero, un eventuale fulmine si scaricherà in mare attraverso la catena.

- Se il temporale perdura e non si allontana, riprendere la navigazione e portarsi velocemente in un’altra zona, spesso infatti i temporali potrebbero essere un evento circoscritto alla zona in cui vi trovate.

- In barca a vela è buona norma che tutte le strutture metalliche siano ben connesse attraverso cavi elettrici fra loro e con il bulbo, in modo che se si viene colpiti da un fulmine, questo abbia sempre un veloce percorso verso l’acqua.

- L’aereo è considerato un mezzo sicuro, anch’esso, come l’automobile, si comporta come una gabbia di Faraday e permette alla scarica di rimanere all’esterno del veicolo. Inoltre è dotato di dispositivi di sicurezza per la protezione degli impianti elettrici e di navigazione e di solito vola al di sopra delle nuvole temporalesche.

- In treno, sempre per il principio della gabbia di Faraday non si corre alcun pericolo.

- Le funivie, le funicolari o simili, come l’automobile, si comportano come una gabbia di Faraday e sono anch’esse sicure.

Le zone di montagna sono un luogo particolarmente esposto ai fulmini a causa della loro elevata altitudine dal suolo. Inoltre alcuni percorsi (le cosiddette “strade ferrate”) sono equipaggiati con cavi o scalette di metallo che potrebbero attirare fulmini.

- Prima di effettuare una gita informarsi sempre sulle condizioni meteorologiche della zona (in montagna il tempo può cambiare molto rapidamente).

- Se si viene sorpresi da un temporale durante un’escursione cercare di scendere di quota o di trovare un rifugio chiuso, in ogni caso allontanarsi in fretta da ogni rialzo dal suolo, cima o cresta esposta.

- Non ripararsi sotto gli alberi, specie se sono isolati, e allontanarsi il più possibile da essi. Gli alberi sono particolarmente esposti ai fulmini e se l’albero è isolato il rischio è ancora maggiore.

- Se vi trovate all’interno di un rifugio o di un bivacco allontanatevi dalle finestre e seguite le regole di comportamento all’interno degli edifici chiusi.

- In caso non sia possibile raggiungere un rifugio o un bivacco, un anfratto o una grotta possono essere ripari ideali purché non si tocchi la nuda roccia, inoltre ricordatevi di non rimanere all’ingresso ma portatevi il più all'interno possibile.

- Se si è costretti a rimanere all’aperto fate attenzione ad evitare alberi o “punte” di qualsiasi genere e assumete una posizione accucciata con la testa tra le ginocchia (non stendersi a terra) meglio se in un affossamento.

- Togliersi di dosso gli oggetti metallici e tenerli lontani (orologio, collane, ramponi, piccozza, moschettoni, bastoni da trekking, ecc...) ed evitare di utilizzare il cellulare (soprattutto se ha l’antenna sporgente).

Quando ci si trova al mare o al lago è bene ricordarsi che l’acqua è un buon conduttore, per cui se un fulmine colpisce la superficie, è bene sapere che la corrente si disperderà attraverso l’acqua, colpendo eventuali bagnanti. Bisogna ricordarsi anche che la spiaggia è un luogo aperto e piano, dove un ombrellone o una persona in piedi possono fungere da “punta”.

- Se non fosse possibile allontanarsi dalla spiaggia e dagli ombrelloni, ripararsi in un luogo chiuso oppure assumere una posizione accucciata con la testa tra le ginocchia (non stendersi a terra), meglio se in un affossamento.

- Non praticare sport all’aperto (ad es. ciclismo, nautica, golf, scalate, pesca, ecc...).

- Se non è possibile trovare riparo assumere una posizione accucciata con la testa tra le ginocchia (non stendersi a terra) in una zona lontana da “punte” (campanili, torri, spuntoni di roccia, ombrelloni, pali, tralicci, recinzioni, ecc...) e meglio se in un affossamento.

Come accennato in precedenza è consigliato rimanere lontani da condutture metalliche e impianti elettrici.

- Restare in un luogo chiuso quale la roulotte (se di metallo) o, come già detto, in automobile.

- Se non si hanno a disposizione altri rifugi, rimanere in tenda accucciati con la testa tra le ginocchia (non stendersi a terra) e il più lontano possibile dai pali metallici.