IL FULMINE: L’elettricità corre nel cielo

Pubblicato: 2 novembre 2010 in Meteorologia

Il Fulmine – L’elettricità corre nel cielo

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. 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. 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. 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.

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.  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 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.  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 3.000 V/mm, un fulmine lungo 300 m sarà generato da una differenza di potenziale. 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 basta qualche decimo di ampere per causare danni fisiologici gravissimi da folgorazione).

Tipologia dei fulmini

Esistono quattro diversi tipi di fulmini:

1) negativo discendente, la scarica pilota ha carica negativa e parte dall’alto.

2) positivo discendente, la scarica pilota ha carica positiva e parte dall’alto.

3) negativo ascendente, la scarica pilota ha carica negativa e parte dal basso.

4) positivo ascendente, la scarica pilota ha carica positiva e parte dal basso.

La velocità è variabile 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. 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. 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 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; proprio per questo motivo è comunemente definita effetto pelle la proprietà della corrente, alle alte frequenze, di passare all’esterno della superficie del conduttore. 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. 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 magnetico 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, perché il calore del corpo è di nuovo una forma di energia, che può attrarre scariche elettriche. 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.

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