Meteorologia: i fulmini

Istituto Tecnico Nautico "Artiglio" - Viareggio

Fenomeni violenti nell'atmosfera i fulmini

a cura di
Andrea Galli e Christian Giulianetti

o Cosa sono
o Come nascono
o Il tuono
o Bersagli di un fulmine
o Effetti e danni provocati
o Sicurezza e sopravvivenza
o Tipi di fulmini

Cosa sono
______________________________________________________ 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.

foto fulmine dal sito nooa


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.
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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 sopracitate.

scariche elettriche all'interno di una nube
"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 microsecondi e libera una quantità enorme di energia di tipo termico, ottico (lampo), acustico (tuono) ed elettromagnetico.
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.

fulmini scariche multiple
Sequenza di fulmini (dal sito NASA)
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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.
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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!
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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.
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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.
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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.

1. 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);

2. 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.

3. Fulmini a perla (o a collana), che appare suddiviso in segmenti ad intervalli più o meno regolari;

4. 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.

5. 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)

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