I fulmini

Ogni giorno sulla Terra si manifestano mediamente 4 milioni di scariche elettriche atmosferiche. Nonostante si tratti di un fenomeno frequente e studiato dagli scienziati da diversi anni, non si conosce ancora approfonditamente come si formi il fulmine, in modo particolare come si sviluppi la carica elettrica all’interno dei cumulonembi (Cb), le gigantesche nubi temporalesche.
Secondo la teoria più accreditata, le particelle (in modo particolare quelle ghiacciate) all’interno dei Cb si caricherebbero urtandosi; le correnti ascensionali poi, allontanerebbero, con il concorso della forza di gravità, quelle con carica positiva da quelle con carica di segno opposto. In questo modo, all’interno dei cumulonembi, si creerebbero aree elettricamente cariche.

L’aria normalmente non conduce corrente elettrica, funge quindi da isolate; come tutti gli isolanti può far passare improvvisamente corrente elettrica soltanto quando si raggiunge una intensità critica del campo elettrico (“campo di scarica distruptiva”).
I campi elettrici che vengono a formarsi nei Cumulonembi sono veramente enormi: possono raggiungere i 200.000 volt per metro, ma non sono comunque sufficienti per rompere il dielettrico, cioè l’aria, facendo scoccare così la grossa scintilla che chiamiamo “fulmine”. Inoltre il campo non è sufficiente a creare scariche molto lunghe e ramificate come quelle che si osservano nei temporali.
In una scintilla fatta scoccare tra corpi elettricamente carichi, gli elettroni hanno energie poco elevate e danno luogo all’emissione di radiazioni elettromagnetiche fino alla lunghezza d’onda della luce o, al massimo, dell’ultravioletto. È stato dimostrato che le grosse “scintille” che chiamiamo fulmini, invece, sono associate ad emissione di raggi X e gamma; inoltre, queste radiazioni cominciano ad essere prodotte un attimo prima della comparsa del fulmine, durante il movimento della “scarica guida”, invisibile, dalla nube al suolo.

Se la “scarica distruptiva" non può essere innescata dal campo elettrico dei Cumulonembi, come possono formarsi i fulmini? Inoltre: perché si generano le scariche guida… e perché queste si propagano a scatti?
Una recente teoria (“modello a valanga relativistica di elettroni rapidi”) ipotizza che le scariche guida vengano innescate da impatti di raggi cosmici. Gli atomi dell’alta atmosfera, bombardati dai raggi cosmici, producono uno sciame di particelle di alta energia, tra cui elettroni veloci che colpiscono le molecole dell’aria espellendo elettroni, ma questi vengono frenati dalle molecole dell’aria. Secondo questa teoria, gli elettroni veloci generati dai raggi cosmici si comporterebbero come "elettroni seme". All'interno delle nubi temporalesche i nuovi elettroni generati dalla collisione tra "elettroni seme" e molecole dell'aria, invece di decelerare, verrebbero accelerati sotto l’azione del campo elettrico dei Cumulonembi convertendosi in nuovi "elettroni seme" in un processo a valanga che innescherebbe così la “scarica distruptiva" con emissione di raggi gamma. Lo sciame di elettroni di alta energia, accrescendosi esponenzialmente, genererebbe una "scarica guida" entro la quale si accumulerebbero localmente in corrispondenza di un "fronte di valanga di elettroni", generando un intenso campo localizzato che accelererebbe le particelle a velocità relativistiche. Queste particelle di alta energia colpendo le molecole dell’aria produrrebbero raggi X (radiazione di Bremsstrahlung) accumulandosi di nuovo in un passo successivo (“scarica guida a passi”), avvicinandosi sempre di più alla superficie terrestre.

La "scarica guida" (o “scarica pilota”) è un canale ionizzato di forma irregolare (spesso ramificato). Nella maggior parte dei casi si sviluppa tra la porzione della nube dotata di carica negativa ed il suolo che si carica positivamente per induzione. La sua propagazione avviene con scatti ad intervalli di 10-12 microsecondi. La velocità di propagazione durante questi scatti è dell'ordine dei 10.000 Km/sec. Quando questa scarica si avvicina al suolo incontra, a circa 50 m d'altezza, un canale di aria fortemente ionizzata prodotto dalle cariche elettriche concentratesi, per induzione, sulla superficie del suolo (in modo particolare su corpi appuntiti: cime dei monti, alberi, campanili, antenne, tralicci, ecc.); a questo punto un vigoroso flusso di cariche positive sale verso la nuvola (“scarica di ritorno”) utilizzando il canale ionizzato dalla "scarica guida" ed il fulmine diventa visibile. Le scariche di ritorno possono durare tra qualche decina ed alcune centinaia di microsecondi e liberano una enorme quantità di energia. La corrente del fulmine riscalda l’aria fino a 30.000 °C generando un plasma ionizzato che emette radiazione nel visibile e nell’ultravioletto. Inoltre, il rapidissimo surriscaldamento dell’aria genera un’onda d’urto esplosiva: il tuono. Se un fulmine cade ad una distanza molto breve si avverte un tipico crepitio un attimo prima del tuono: si tratta di “bang” prodotti dall’espansione dell’aria a velocità supersoniche.

Soltanto il 10% dei fulmini sono positivi; quelli che si sviluppano tra la porzione superiore dei temporali (tipicamente carica positivamente) ed il suolo sono i più intensi (con valori di corrente di oltre 200 KA) e non ramificati verso il basso, fortunatamente sono piuttosto rari. Molti fulmini si manifestano all’interno delle nubi e, talvolta, tra nubi diverse (scariche aeree).

Esiste una rara tipologia di fulmini che non dovrebbero essere innescati dalla discesa di “scariche guida”. Si tratta dei “fulmini ascendenti” che, partendo da strutture molto alte, s’irradiano verso le nubi. Sembra, comunque, che in questo caso le scariche guida riescano ad innescare il fulmine da grande distanza.
Si potrebbe quindi ipotizzare che i “fulmini ascendenti” utilizzino canali ionizzati (generati da strutture quali grattacieli, tralicci, pale eoliche, ripetitori) molto lunghi e ramificati che intercettano delle "scariche guida" quando queste non sono ancora uscite dalla base delle nubi.