Fulmine

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Fulmini nel cielo di Tolosa.

Il fulmine (chiamato anche saetta o folgore) è una scarica elettrica di grandi dimensioni che avviene nell'atmosfera e che si instaura fra due corpi con una elevata differenza di potenziale elettrico.[1]

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.

Una sua rappresentazione stilizzata è spesso usata nell'iconografia mitologica e araldica.

Il fenomeno elettrico[modifica | modifica wikitesto]

Durante un temporale più fulmini colpiscono la Tour Eiffel di Parigi, involontario parafulmine.
Fulmini nuvola-nuvola e nuvola-mare a Miramare di Rimini nell'estate del 2005.
Fulmini nel mare di Polignano a Mare (Bari) nell'estate del 2004.
Fulmini a Cirò Marina nel 2005.

La scarica del fulmine sarebbe generata dalle particelle negative delle nuvole che vengono attratte dalle particelle positive presenti nel suolo. Tuttavia l'origine del fenomeno non è ancora del tutto chiara.[2] Sono state studiate varie cause che includono le perturbazioni atmosferiche (vento, umidità, attrito e pressione atmosferica), ma anche l'impatto di particelle provenienti dal vento solare e l'accumulo di particelle solari.[3]

La scarica di un fulmine avviene di solito con il metodo seguente: dalla nuvola ha inizio un canale ionizzato (detto canale di prescarica) che avanza nell'aria verso il basso, muovendosi a tratti con avanzamenti rapidi dell'ordine dei 50 metri e pause nell'ordine di 50 microsecondi, in modo che la velocità media risultante dell'avanzamento sia di circa 1metro/microsecondo. Quando il canale ionizzato, che appare debolmente luminoso e presenta irregolarità di percorso e ramificazioni, raggiunge il punto di contatto con il suolo (o su una linea elettrica ad esempio) fluisce verso terra una elevata corrente dovuta alla scarica quasi completa del canale ionizzato (scarica di ritorno), la quale inizia dal suolo e si propaga verso la nube con una velocità di circa 0.1 - 0.3 volte quella della luce rendendo via via notevolmente luminoso il condotto di fulmine e le sue ramificazioni.

Le condizioni ideali per lo sviluppo di fulmini sono i cumulonembi tipici dei fenomeni temporaleschi, ma sono stati osservati fulmini anche durante tempeste di sabbia, bufere di neve e nelle nuvole di cenere vulcanica.[4]

Anche le particelle di ghiaccio all'interno della nuvola sono ritenute essere un elemento fondamentale nello sviluppo dei fulmini, in quanto possono provocare la separazione forzata delle particelle con cariche positive e negative, contribuendo così all'innesco della scarica elettrica.[3]

L'espansione del canale ionizzato genera anche un'onda d'urto rumorosissima, il tuono. L'attività luminosa connessa alla scarica di un fulmine è invece denominata lampo. Un osservatore distante vede il lampo sensibilmente prima di sentire il tuono, poiché il suono viaggia a velocità molto inferiore a quella della luce (340 m/s circa contro 300.000 km/s) e quindi percepirà un ritardo di circa tre secondi per ogni chilometro di distanza dal fulmine.

L'intensità della corrente 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.

Più in particolare, il fulmine è una colonna di gas ionizzato (plasma), con le seguenti caratteristiche fisiche principali:

grandezza fisica valore
corrente elettrica 2 -200 kA
temperatura elettronica 50.000 K
diametro della colonna di plasma 10-50 cm
carica elettrica totale 5 - 10 C
differenza di potenziale 1-10 × 109 V

L'ultimo valore (differenza di potenziale ai capi del fulmine) dipende dalla lunghezza dello stesso: sapendo che il potenziale di rottura dielettrica dell'aria è di 3000 V/mm, un fulmine lungo 300 m sarà generato da una differenza di potenziale di 300 × 3 × 106 = 9 × 108 109V. In realtà, la grande pericolosità del fulmine è dovuta più che alle grandi tensioni, alla corrente che fluisce nel canale d'aria ionizzata: essendo infatti il plasma un ottimo conduttore di corrente, esso permette il fluire di correnti tipiche di migliaia di ampere (si consideri che bastano circa 20 mA per causare danni fisiologici da folgorazione).

Tipi di fulmini[modifica | modifica wikitesto]

Esistono quattro diversi tipi di fulmini:

  • negativo discendente, la scarica pilota ha carica negativa e parte dall'alto.
  • positivo discendente, la scarica pilota ha carica positiva e parte dall'alto.
  • negativo ascendente, la scarica pilota ha carica negativa e parte dal basso.
  • positivo ascendente, la scarica pilota ha carica positiva e parte dal basso.

La velocità è variabile e dipende sia dalle condizioni di umidità che dalla differenza di potenziale della scarica, ma si muove tra i 40.000 e i 50.000 km/s.

Interferenze elettromagnetiche[modifica | modifica wikitesto]

Il fulmine genera un forte impulso elettromagnetico che provoca interferenze nella ricezione di segnali radio (specialmente con modulazione in ampiezza), fino a frequenze di diversi MHz. Il fortissimo impulso elettromagnetico rilasciato da un fulmine può danneggiare in modo irreversibile componenti elettronici funzionanti a bassa frequenza.

Emissione di raggi gamma e generazione di antimateria[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Terrestrial Gamma Ray Flash.

Osservazioni compiute, a partire dagli anni novanta, mediante l'uso di telescopi spaziali (come, ad esempio Compton Gamma Ray Observatory, lanciato nel 1990), hanno rivelato l'inaspettata emissione di radiazione elettromagnetica a più alta energia, fin nello spettro dei raggi gamma: i cosiddetti Terrestrial Gamma Ray Flash (TGFs). Queste osservazioni hanno rivelato l'esistenza di un fenomeno inatteso e piuttosto inspiegabile, che pone serie sfide alla teoria dei fulmini, specialmente quando si sono scoperti i segni evidenti della produzione di antimateria nei fulmini[5].

Pericolosità dei fulmini[modifica | modifica wikitesto]

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 si scarica nell'acqua, essa può vaporizzarsi.

Quando un fulmine colpisce una persona, si parla di fulminazione (mentre si parla di folgorazione per indicare le lesioni violente prodotte dalle scariche elettriche provenienti dagli impianti industriali): 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[6], parte della corrente scorre sull'esterno del corpo, ustionando in particolar modo la 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. L'onda d'urto può investire le persone vicine, spostandole e stordendole. Se il fulmine si scarica su un albero, questo esplode a causa della improvvisa vaporizzazione della linfa, proiettando schegge.

Per ridurne i rischi si utilizzano i parafulmini. Essere colpiti da un fulmine è un evento improbabile, ma non rarissimo, se non si adottano adeguate precauzioni quando può manifestarsi.

Quadro generale dei fenomeni elettrici nell'atmosfera.

Le scariche elettriche sono attratte dalla presenza di materiali conduttori oppure di energia nelle sue varie forme, e, a parità di materiale, tendono a concentrarsi sulle punte. La densità di carica elettrica misurabile in un materiale conduttore risulta, infatti, massima nelle sue punte e spigoli, dove tendono a concentrarsi le particelle elettriche libere: è in base a questo principio che funziona il parafulmine.

L'automobile o la casa, e più in generale i luoghi chiusi sono dei posti sicuri in caso di temporale, a patto che non siano aperte delle finestre, e di non toccare oggetti che conducono l'elettricità e calore: soltanto a queste condizioni, l'automobile e la casa funzionano come una gabbia di Faraday con un campo elettrostatico pari a zero, interposta fra il temporale esterno e la persona che vuole proteggersi. Non si può più parlare di gabbia di Faraday, e viene meno la protezione dai fulmini, se vi sono porte o finestre aperte, o in presenza di sorgenti elettromagnetiche, come un cellulare acceso.

In mancanza di un luogo chiuso, la posizione più sicura è piegarsi sulle proprie ginocchia, senza stare in piedi o sdraiati sul terreno, evitando di stare in gruppo con altre persone.

Il corpo umano è esso stesso un conduttore elettrico, perciò una posizione piegati sulle ginocchia e isolatamente è quella che minimizza la superficie conduttrice e di scambio termico che potrebbe attrarre un fulmine.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ NGDC - NOAA, Volcanic Lightning, National Geophysical Data Center - NOAA.
  2. ^ Micah Fink for PBS, How Lightning Forms, Public Broadcasting System.
  3. ^ a b National Weather Service, Lightning Safety, National Weather Service, 2007.
  4. ^ Fulmini naturali.
  5. ^ Signature Of Antimatter Detected In Lightning – Science News. Sciencenews.org (2009-12-05). Retrieved on 2012-06-23.
  6. ^ (EN) John G. Webster, Electrical Measurement, Signal Processing, and Displays (anteprima Google Books), CRC Press, 2003, pp. 29-4, ISBN 0-8493-1733-9. URL consultato il 5 luglio 2009.
    «lightning has an equivalent frequency of about 300 kHz based on a 1 μs rise time».

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