I fulmini sono uno dei fenomeni naturali più luminosi e rumorosi che possano avvenire sulla Terra, e nonostante siano estremamente diffusi, non solo nelle tempeste ma anche nel corso di altri eventi come le eruzioni vulcaniche, sono ancora molte le incognite riguardo la loro natura fisica. In questo articolo cercheremo di spiegare cosa sono i fulmini, come si formano, quanto sono potenti e quali sono i loro effetti.
Innanzitutto, dobbiamo sapere cos’è un fulmine, ovvero una scarica elettrica di grandi dimensioni che si instaura fra due corpi con elevata differenza di potenziale elettrico. I fulmini più facilmente osservabili sono quelli fra nuvola e nuvola, ma sono comuni anche quelli fra nuvola e suolo, inoltre qualsiasi oggetto sospeso nell’atmosfera può innescare un fulmine: si sono osservati infatti fulmini tra nuvola, aeroplano e suolo, ed un caso particolare sono i cosiddetti fulmini globulari al suolo, tuttora in fase di studio e ricerca.
L’attività luminosa connessa alla scarica di un fulmine è detta lampo, mentre l’espansione del canale ionizzato in seguito alla scarica genera un’onda d’urto molto rumorosa, il tuono; 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.
Il secondo importante questito riguarda la loro fomrazione e quindi, come si formano i fulmini?
La formazione dei fulmini è legata all’elettricità atmosferica, ovvero alla presenza di cariche elettriche nell’aria, e queste cariche si originano principalmente per attrito tra le particelle solide o liquide presenti nell’atmosfera, come polvere, gocce d’acqua o cristalli di ghiaccio. Il fenomeno è più intenso nelle zone dove si formano i cumulonembi, le nuvole tipiche dei temporali, che raggiungono altezze elevate (fino a 15 km) e hanno una struttura stratificata.
All’interno dei cumulonembi si creano dei movimenti ascensionali e discensionali delle particelle, che determinano una separazione delle cariche elettriche, in generale, le cariche positive tendono a concentrarsi nella parte superiore della nuvola, mentre le cariche negative in quella inferiore. Questa distribuzione crea una differenza di potenziale tra la nuvola e il suolo o tra due parti della stessa nuvola.
Quando la differenza di potenziale supera un certo valore critico (dipendente dalla resistenza dell’aria), si innesca una scarica elettrica che tende a riequilibrare le cariche. La scarica avviene attraverso un canale ionizzato, ovvero una colonna d’aria in cui le molecole sono state separate dai loro elettroni per effetto del forte campo elettrico, e questo ha una temperatura molto elevata (circa 30.000 °C) e emette radiazione luminosa in tutto lo spettro elettromagnetico.
La scarica non avviene in modo continuo, ma per mezzo di una serie di impulsi successivi. Il primo impulso è detto leader negativo ed è quello che parte dalla parte inferiore della nuvola verso il suolo (o verso un’altra nuvola) seguendo un percorso ramificato. Il leader negativo ha una velocità media di 200 km/s e una corrente media di 200 A e quando si avvicina al suolo (o all’altra nuvola), induce una carica positiva opposta che sale verso l’alto lungo un percorso più diretto.
Questa carica positiva è detta leader positivo ed ha una velocità media di 100 km/s e una corrente media di 100 A. Quando i due leader si incontrano, si stabilisce un contatto elettrico e si forma il canale principale della scarica, lungo il quale si propagano degli impulsi di ritorno, che partono dal suolo (o dall’altra nuvola) verso la nuvola di origine.
Gli impulsi di ritorno hanno una velocità media di 100.000 km/s e una corrente media di 30.000 A inoltre sono proprio gli impulsi di ritorno sono quelli che producono la maggior parte della luminosità e del calore del fulmine.
Quanto sono potenti i fulmini? E che effetti hanno sul nostro pianeta?
I fulmini sono fenomeni molto potenti, sia dal punto di vista elettrico che termico. La potenza elettrica media di un fulmine è di circa 10^9 watt, equivalente a quella di una centrale nucleare., mentre invece la sua potenza termica media è di circa 10^12 watt, equivalente a quella di una bomba atomica. La durata media di un fulmine è di circa 0,2 secondi, quindi l’energia totale rilasciata da un fulmine è di circa 10^8 joule per l’aspetto elettrico e di circa 10^11 joule per l’aspetto termico.
Queste cifre sono delle medie, ma ci sono casi in cui i fulmini possono essere molto più potenti o deboli, ad esempio, il record mondiale registrato è di 3,2 milioni di ampere, misurato in un fulmine nuvola-terra avvenuto in Oklahoma nel 2007, mentre l’intensità della corrente elettrica che scorre in un fulmine può variare da poche decine a diverse centinaia di migliaia di ampere.
Per quanto riguarda invece la tensione elettrica tra i due estremi di un fulmine, questa può variare da pochi milioni a diversi miliardi di volt, ma anche in questo caso, il record mondiale registrato è di 1,3 miliardi di volt, misurato in un fulmine nuvola-nuvola avvenuto in Francia nel 2014.
Infine abbiamo la temperatura del canale ionizzato che costituisce il fulmine, e questa può variare da 10.000 a 50.000 °C, a seconda della corrente e della resistenza dell’aria, ed anche in questo caso, il record mondiale registrato è di 53.000 °C, misurato in un fulmine nuvola-terra avvenuto in Australia nel 2012. La temperatura del fulmine è superiore a quella della superficie del Sole (circa 6000 °C) e può innescare reazioni nucleari tra gli atomi dell’aria, producendo raggi X e raggi gamma.
I fulmini hanno diversi effetti sull’ambiente e sugli esseri viventi, sia positivi che negativi, e tra gli effetti positivi possiamo citare:
- la produzione di ozono. I fulmini contribuiscono alla formazione dello strato di ozono nell’atmosfera, che protegge la Terra dai raggi ultravioletti nocivi del Sole, essi infatti provocano la dissociazione delle molecole di ossigeno (O2) in atomi liberi (O), che poi si combinano con altre molecole di ossigeno per formare l’ozono (O3);
- la fissazione dell’azoto. I fulmini contribuiscono alla fissazione dell’azoto atmosferico, ovvero alla trasformazione dell’azoto molecolare (N2) in composti reattivi come il monossido d’azoto (NO) e il biossido d’azoto (NO2). Questi composti poi si trasformano in acido nitrico (HNO3) o nitrati (NO3-), che possono essere assorbiti dalle piante come fertilizzanti naturali;
- la generazione di antimateria. I fulmini possono generare positroni, ovvero le antiparticelle degli elettroni, attraverso reazioni nucleari tra gli atomi dell’aria o l’emissione di raggi gamma ad alta energia, con i positroni che poi si annichiliscono con gli elettroni producendo altri raggi gamma.
Tra gli effetti negativi invece possiamo citare:
- il rischio di incendi. I fulmini possono innescare incendi boschivi o urbani, se colpiscono alberi secchi, erba, paglia, tetti o cavi elettrici. Gli incendi possono causare danni ambientali, economici e sociali, oltre a mettere in pericolo la vita di persone e animali;
- il rischio di danni materiali. I fulmini possono danneggiare edifici, strutture, veicoli, apparecchiature elettroniche e altri oggetti, se li colpiscono direttamente o indirettamente. I danni possono essere causati dal calore, dalla corrente elettrica o dall’onda d’urto del fulmine, inoltre possono anche causare interruzioni della fornitura di energia elettrica o delle comunicazioni;
- il rischio di lesioni o morte. I fulmini possono colpire le persone o gli animali, provocando ustioni, ferite, paralisi, arresto cardiaco o respiratorio, perdita di coscienza o morte. Le persone colpite da un fulmine possono anche subire danni neurologici permanenti, come perdita di memoria, difficoltà di apprendimento o disturbi psichici. Le probabilità di essere colpiti da un fulmine sono molto basse (circa 1 su 3 milioni all’anno), ma dipendono da diversi fattori, come la posizione geografica, la stagione, l’ora del giorno, il tipo di attività e le misure di protezione.
Un’altra cosa che è sicuramente importante sapere, è come difendersi da eventuali tempeste o da un fulmine. Per ridurre i rischi associati, è importante seguire alcune norme di sicurezza e prevenzione, ecco alcuni consigli utili:
- informarsi sulle previsioni meteorologiche e sulle eventuali allerte per temporali. Evitare di svolgere attività all’aperto in caso di maltempo o di avvicinarsi a zone dove si prevedono temporali;
- se si è all’aperto durante un temporale, cercare un riparo sicuro in un edificio solido e chiuso o in una macchina con le finestre chiuse. Evitare le strutture aperte o isolate, come tende, capanne, alberi o pali. Evitare anche le zone aperte o elevate, come campi, colline o montagne;
- se non si trova un riparo sicuro, accovacciarsi a terra con i piedi uniti e le braccia intorno alle ginocchia. Mantenere la testa bassa e non toccare oggetti metallici o conduttori di elettricità. Distanziarsi da altre persone o animali di almeno 3 metri;
- se si è in un edificio durante un temporale, staccare le prese elettriche degli apparecchi sensibili o usare dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni. Evitare di usare il telefono fisso, il computer o altri dispositivi collegati alla rete elettrica o telefonica. Evitare anche di usare l’acqua corrente o di toccare tubature metalliche;
- se si è in una macchina durante un temporale, chiudere le finestre e non toccare parti metalliche della carrozzeria. Evitare di parcheggiare sotto gli alberi o vicino a pali elettrici. Evitare anche di scendere dalla macchina se ci sono fulmini nelle vicinanze;
- se si assiste a una persona colpita da un fulmine, chiamare immediatamente i soccorsi e verificare le sue condizioni vitali. Se la persona non respira o non ha battito cardiaco, praticare la rianimazione cardiopolmonare (RCP) fino all’arrivo dei soccorritori. Se la persona respira e ha battito cardiaco, coprirla con una coperta e controllare se ha ustioni o ferite.
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