I fulmini sono delle violente scariche elettriche che si manifestano con l'emissione di luce (lampo) e suono (tuono).
Il calore di un singolo fulmine ha intensità inimmaginabile: in millionesimi di secondo la temperatura può raggiungere i 33.000 °C, quasi 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.
Ci sono tre tipi principali di fulmini:
1. Fulmine nube-terra
2. Fulmine nube-nube (internube)
3. Fulmine intranube
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La formazione del diverso tipo di fulmine dipende dalla ripartizione delle cariche elettriche di segno opposto dentro e attorno al cumulonembo.
1) I fulmini nube-terra sono più frequenti nell'area delle correnti ascensionali e partono dalla base della nube, caricata negativamente, e giungono al suolo caricato positivamente. La superficie terrestre e gli oggetti sopra la stessa conducono l'elettricità molto meglio dell'aria: perciò i fulmini sfruttano il "potere delle punte" seguendo il percorso più breve ed abbattendosi su montagne, campanili, antenne, grandi alberi isolati. In casi piuttosto rari i fulmini nube-terra non partono dalla base del cumulonembo bensì dalla sua sommità, caricata positivamente, e si scaricano su una parte del suolo esterna al perimetro del temporale che è caricata negativamente. Questi sono i fulmini positivi che possono raggiungere addirittura lunghezze di 40-50 chilometri per quanto riguarda la sola scarica principale (senza le ramificazioni). Evidentemente sono casi più unici che infatti vengono chiamati fulmini a ciel sereno. I più comuni sono i fulmini negativi (base della nube-terra e nube-nube) ed hanno una lunghezza che di solito non supera i 4-5 chilometri.
2) I fulmini nube-nube o lampi si producono all'interno del Cumulonembo quando la scarica elettrica passa tra la base della nube (caricata negativamente) e la sua sommità (caricata positivamente). La zona della nube ove in genere si sviluppa il maggior numero di lampi è quella a maggior concentrazione di gocce sopraffuse. Le scariche elettriche che illuminano dall'interno la struttura verticale del temporale possono essere utilizzate per valutare la consistenza e la direzione del temporale. Considerato che i lampi scoccano a quote più elevate, rispetto ai fulmini nube-suolo, sono visibili anche a più di 300 chilometri di distanza se l'aria è limpida e la zona è pianeggiante. Se invece c'è foschia sono visibili a 100-120 chilometri.
3) I fulmini nube-aria si verificano quando una scarica elettrica si propaga tra un accumulo di cariche negative o positive all'interno della nube e una zona di cariche opposte nell'atmosfera circostante. Solitamente sono fulmini molto più sottili, deboli, corti e si formano quasi esclusivamente in corrispondenza della sommità della nube.
Solo il 20% dei fulmini che si sviluppano in un temporale tocca terra. L'osservazione delle nubi non aiuta gran chè a prevedere le possibili aree colpite dai fulmini. Assume comunque una certa importanza l'individuazione delle rain curtain, ovvero la zona interessata dei rovesci, perchè i fulmini nube-suolo si attenuano temporaneamente finchè questi ultimi sono in atto. Al contrario risultano essere più pericolosi e frequenti subito prima della fascia dei rovesci poichè il canale di aria ionizzata su cui si indirizzano le scariche portanti, nella loro fase discendente, trova maggior fluidità e penetrazione tanto più l'aria è calda rispetto all'ambiente circostante.
Oltre a quelli precedentemente descritti esistono altri tipi di fulmine di particolare interesse e cioè:
Palla di fuoco, (ball lightning) fulmine sferico o globulare. Questo tipo di fulmine è estremamente raro e generalmente non è pericoloso. Appare come una sfera di fuoco dal diametro di qualche metro ed è prodotto da una parte della carica elettrica di un fulmine nube-suolo che prende la forma di una palla che può rotolare sul terreno.
Fuochi di S.Elmo. Un fulmine caratterizzato da 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..). Osservati per la prima volta sulla sommità degli alberi delle navi fu chiamato fuoco di Sant'Elmo dal nome del patrono dei naviganti. Si verifica nei casi in cui l'accumulo di cariche opposte non è sufficiente a far scoccare un fulmine, per cui appaiono alcune scintille azzurrognole sulle estremità degli oggetti appuntiti vicini alla zona temporalesca.
I fulmini a razzo sono molto rari e costituiti da una scarica che procede molto lentamente tanto da dare l'impressione di un razzo che voli.
I fulmini a perla appaiono suddivisi in segmenti ad intervalli più o meno regolari fra loro.
I fulmini superficiali hanno l'aspetto di lingue di fuoco provenienti 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 le nubi più vicine rendendole visibili anche a grandissima distanza.
Fisicamente il fulmine è determinato dal rapido passaggio di corrente che avviene fra due conduttori (le nuvole, la terra o altri oggetti) quando l'eccessiva presenza di cariche elettriche di segno opposto vengono a contatto una volta che l'isolante (l'aria) non riesce più a tenerle separate. L'aria (circa 78% azoto, 21% di ossigeno) è un isolante (le molecole che la costituiscono normalmente si trovano allo stato neutro) e quindi perché ci sia il passaggio di corrente elettrica deve essere "ionizzata". Perché questo avvenga c'è bisogno di energia e all'interno di un temporale questa non manca. Il fulmine è un processo di scarica a valanga, infatti è la stessa energia prodotta dal fulmine che ionizza le particelle d'aria circostante (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).
All'interno
dei Cumulonembi le cariche
positive sono concentrate nella parte più alta e quelle negative in
quella più bassa. Esistono varie teorie che tentano di spiegare questa
particolare disposizione e la più credibile è che tale separazione abbia
origine dalle collisioni fra i vari elementi che compongono la nube
(piccole gocce di acqua e piccoli cristalli di ghiaccio), dovute alle
forti correnti ascendenti e discendenti caratteristiche di queste
imponenti e turbolente nubi a sviluppo verticale.
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. La differenza di potenziale, che può
raggiungere i milioni di volt, supera la capacità
isolante dell'aria e a questo punto le cariche vengono a contatto
scoccando il fulmine.
Il meccanismo della scarica è complesso e si manifesta così:
1) Scarica leader (o scarica guida): inizialmente dalla nube scende verso il suolo una scarica pilota debole ed invisibile composta da particelle cariche negativamente che avanza verso il basso ad una velocità di circa 100 chilometri al secondo con percorsi successivi di breve lunghezza, procedendo a zig-zag e creando un'intensa ionizzazione. Questo processo richiede un centesimo di secondo e riesce a formare un canale ionizzato lungo anche 8 chilometri.
2) Quando la scarica guida (scarica leader) si avvicina al suolo, da quest'ultimo parte una scarica di ritorno diretta verso l'alto composta da un flusso di cariche positive presenti a terra.
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3)Quando le due si incontrano (ad un altezza media di 30-50 metri), si instaura una forte corrente elettrica nel canale (largo poco più di una matita).
4) Quando le due scariche si incontrano, segnano nell'aria una scia di congiunzione tra cielo e terra lungo la quale risale verso la nube una fortissima corrente elettrica ad una velocità stimata in circa un terzo di quella della luce (130 milioni di metri al secondo). Una volta creato il canale ionizzato altri fulmini possono utilizzarlo (producendo una caratteristica luce intermittente)
Anche se la scarica di un fulmine ha una durata di millesimi di secondo è in grado di liberare una quantità enorme di energia, pensate che si possono raggiungere:
Lunghezza: anche decine di chilometri
Larghezza: poco più di una matita
Differenza di potenziale: diverse centinaia di milioni di Volt
Intensità di corrente: 20.000 Ampere
Temperatura: 33.000 °C
Velocità: circa 130 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 fulmine assume una configurazione ramificata perchè il canale conduttore, creato dalla scarica guida (leader), si divide in molti canali lungo i quali si verificano numerose scariche di ritorno.
Se lungo lo stesso canale ionizzato, creato dalla scarica guida, passano in poco tempo diversi fulmini si crea quell'effetto di luce tremolante molto spesso visibile durante un temporale.
La tipica conformazione a zig zag di un fulmine è dovuta al fatto che la corrente non procede in linea retta cercando la via più breve per raggiungere il terreno, ma segue il tragitto dettato dalla minore resistenza elettrica dell'aria.
La struttura elettrica dell'atmosfera.
Durante le giornate di bel tempo, esiste una differenza di potenziale dai 200.000 ai 500.000 V fra la superficie della terra e la ionosfera (80 chilometri di altitudine) con associata un'intensità di corrente di circa 2 pA/m². Questa differenza di potenziale è mantenuta su valori così elevati dall'attività temporalesca in corso sulla Terra che stima in media: da 30 a 100 fulmini nube-terra in ogni secondo per un totale di circa 5.000.000 di fulmini al giorno.
Esistono
due teorie che cercano di
spiegare il motivo per cui una
nube temporalesca acquista carica elettrica positiva alla sua sommità e negativa alla
base.
La teoria convettiva e la teoria gravitazionale.
Secondo la teoria convettiva le regioni cariche di elettricità sono create dagli ioni liberi nell'atmosfera che catturati dalle goccioline d'acqua vengono trasportati dalle correnti ascensionali interne alle nubi.
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 esistono processi di scambio di carica elettrica, fra particelle di diversa dimensione, che possono essere processi induttivi o processi non-induttivi. Sembra che il più importante sia il processo non-induttivo che si instaura 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 più, mentre le più calde (grandine, nevischio, groupel) di segno meno. 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).
A livello chimico i fulmini causano la formazione di
ozono (avvertibile dall'odore acre) e di composti nitrici tramite
l'ossidazione dell'azoto. In quest'ultimo caso si producono nel suolo
gigantesche quantità di materie azotate (che lo fertilizzano).
Non dimentichiamoci gli effetti 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 (accendendo la radio - ovviamente su frequenze che non
stanno trasmettendo nessun tipo di suono è
possibile sentire degli schiocchi quando si verificano i fulmini).
Rilevamento dei Fulmini. E' da alcuni anni che sono attive delle reti di rilevamento in tempo reale dei fulmini nube-terra. Esse permettono il posizionamento esatto e una stima dell'intensità del fulmine caduto. In Italia è attiva la rete dell'ENEL-CESI denominata SIRF (Sistema Italiano Rilevamento Fulmini). Si tratta di una rete di sensori (simili a delle radio) che percepiscono le variazioni elettromagnetiche prodotte dai fulmini e attraverso delle triangolazioni ne consentono la localizzazione. Ogni sensore percepisce fulmini fino a 400 chilometri di distanza. Questo tipo di rilevamento è particolarmente utile alle compagnie elettriche, che possono sapere in tempo reale dove sono le scariche e deviare la corrente su altre linee, sia per attivare il servizio di manutenzione dei guasti. A livello amatoriale i fulmini possono essere sentiti su una normale radio sintonizzata su una frequenza, senza segnale, compresa fra 1 kHz e 1 MHz.
