Tuoni

Il fulmine è forse uno dei fenomeni più spettacolari della natura e da sempre ha suscitato la fantasia e l'interesse degli uomini. E' un prodotto dei temporali, i quali da un punto di vista energetico contengono energia pari o superiore a dieci bombe atomiche, del tipo sganciato su Hiroscima nell'agosto del 1945. E' dopo le alluvioni e le piene improvvise la seconda causa di morte per fenomeni meteorologici. Il calore di un singolo fulmine ha intensità inimmaginabili: in millionesimi di secondo la temperatura può raggiungere i 33.000 °C, quasi cinque volte la temperatura della superficie del sole. Gli effetti prodotti sono impressionanti, può ridurre gli alberi delle navi in segatura sparsa per il mare, fondere i metalli bucando le campane delle chiese, trasformare delle catene in sbarre di ferro saldate tra loro.

Tipi di fulmini

Ci sono tre tipi principali di fulmini:

Fulmine nube-terra
Fulmine nube-nube (internube)
Fulmine intranube

Oltre a questi di particolare interesse sono:

Fulmine nube-cielo, fulmine dell'alta atmosfera, noti anche come red sprites (spiriti rossi).
Palla di fuoco, (ball lightning): o anche fulmine sferico o globulare, estremamente raro, generalmente non pericoloso, appare come una sfera di fuoco, dal diametro di qualche metro, che danza per alcuni secondi, lasciando allibiti gli spettatori.
Fuochi di S.Elmo, un velo incandescente di forma varia che si forma attorno alle punte di qualsiasi oggetto sporgente (estremità di alberi di nave, cime di piante d'alto fusto, guglie, ecc..). Prende il nome del patrono dei marinai.

Dinamica di un fulmine

L'aria (circa 78% azoto, 21% di ossigeno) è un isolante, nel senso che le molecole che la formano normalmente si trovano allo stato neutro, e quindi perché ci sia il passaggio di corrente elettrica, l'aria dev'essere "ionizzata", cioè devono essere strappati elettroni a delle molecole che diventano così ioni positivi, elettroni che poi sono catturati da altre molecole, formando gli ioni negativi. Perché questo avvenga c'è bisogno di energia, che d'altronde all'interno di un temporale non manca. Il fulmine è un processo di scarica a valanga, nel senso che è la stessa energia prodotta dal fulmine che ionizza le particelle d'aria (gli ioni accelerati dal campo elettrico hanno energia cinetica superiore all'energia di estrazione degli elettroni e quindi producono con gli urti la ionizzazione delle particelle d'aria).

Fasi di un tipico fulmine nube-terra

1) Scarica leader (o scarica iniziale): gli elettroni (carica negativa) cominciano a scendere a zig-zag dalla nube (30 metri alla volta, pausa, altro tratto etc... Questo processo richiede un centesimo di secondo, e riesce a formare un canale ionizzato lungo anche 8 km) .

2) Come la scarica leader scende, da terra parte la scarica costituita da cariche positive, normalmente dal punto più alto.

3) Quando le due si incontrano (ad un altezza media di 30-50 metri), si instaura una forte corrente elettrica nel canale (largo poco più di una matita).

4) A questo punto una potente scarica di ritorno, porta una corrente da terra verso la nube, che risale ad una velocità di 130 milioni di metro al secondo.
Una volta creato il canale ionizzato altri fulmini possono utilizzarlo (producendo una caratteristica luce intermittente)

Dati caratteristici medi di un fulmine nube-suolo

Lunghezza: anche decine di km
Larghezza: poco più di una matita
Differenza di potenziale: diverse centinaia di milioni di Volt
Corrente: 20.000 A
Temperatura: 33.000 °C
Velocità: anche un terzo della velocità della luce (300 milioni di metri al secondo).
Tempo: la scarica leader raggiunge il punto di congiunzione in 20 millisecondi, la scarica di ritorno in 70 millisecondi raggiunge la nube.
Il Rumore del tuono può essere sentito fino a 20-25 km di distanza.

La struttura elettrica dell'atmosfera

Durante le giornate di tempo buono (fair weather), esiste una differenza di potenziale dai 200.000 ai 500.000 Volts fra la superficie della terra e la ionosfera (80 Km). Con associata una corrente di circa 2 pA/m2. Questa differenza di potenziale è mantenuta dall'attività temporalesca. (Ci sono circa 2000 temporali in atto sulla terra in ogni momento; da 30 a 100 fulmini nuvola-terra in ogni secondo per un totale di 5.000.000 di fulmini al giorno).

Come si caricano elettricamente le nubi?
E' un fenomeno non del tutto studiato e capito. Ci sono due teorie per spiegare il motivo per cui una nube temporalesca acquista carica elettrica (positiva alla sua sommità, negativa alla base).

La teoria convettiva e la teoria gravitazionale
Secondo la teoria convettiva gli ioni liberi nell'atmosfera sono catturati dalle goccioline d'acqua e quindi portati dalle correnti convettive interne alle nubi, creando così le regioni cariche. Secondo la teoria gravitazionale invece le particelle cariche negativamente sono più pesanti di quelle cariche positivamente e quindi si separano a causa della forza di gravità. Secondo questa teoria ci devono essere processi di scambio di carica elettrica fra particelle di diversa dimensione. Si parla di processi induttivi o processi non-induttivi. Sembra che il più importante sia il processo non-induttivo fra i cristalli di ghiaccio e la grandine (chiamato ghiaccio-ghiaccio). Processo che si spiega con le proprietà termo-elettriche del ghiaccio. Infatti il difetto di ioni (OH3)+ nel ghiaccio è più grande del difetto di ioni (OH)- e questo difetto aumenta con la temperatura. Quando particelle di ghiaccio calde e fredde entrano in contatto, le particelle più fredde (cristalli di ghiaccio) si caricano di segno più, mentre le più calde (grandine, nevischio, groupel) di segno meno. Anche se questa è oggi la teoria più quotata, sembra non essere del tutto soddisfacente (ad esempio non spiega i fulmini osservati nelle nuvole con assenza di ghiaccio). Le teorie sono ancora troppo speculative e c'è bisogno di ulteriori misure sia nelle nuvole sia di più accurate esperienze di laboratorio. Con l'avanzare delle ricerche sembra tuttavia che la spiegazione vada ricercata in una combinazione di meccanismi.

Effetti sul corpo umano e sicurezza

I fulmini sono la seconda causa di morte per eventi atmosferici dopo le piene improvvise e le alluvioni.
- Gli uomini sono colpiti quattro volte più che le donne (80 % contro il 20 %), sembra che ciò sia dovuto sia alle proprietà elettriche del testosterone (ormone maschile), sia al fatto che gli uomini svolgono maggiori attività all'aperto, spesso maneggiando oggetti metallici.
- Solo il 20-30 % delle persone colpite da un fulmine muoiono. La morte avviene o per arresto cardiaco o per paralisi respiratoria. L'effetto della scarica elettrica è di produrre profonde bruciature nel punto in cui è passata la corrente (tipicamente nella testa, nel collo e nelle spalle).
- Il disegno mostra in percentuale quali sono i luoghi più a rischio.
- Negli ultimi anni c'è stata una diminuzione dei morti a causa di fulmini.

Le attività più a rischio
1. Lavorare o giocare in terreni aperti.
2. Navigare, pescare e nuotare.
3. Lavorare con attrezzi agricoli.
4. Giocare a golf.
5. Parlare al telefono.
6. Riparare o usare apparecchiature elettriche.

Trattamento
A. Sentire respiro e battito.
B. Usare il trattamento delle morti apparenti.
C. Eseguire la respirazione bocca-bocca.
D. Massaggio cardiaco.

Rilevamento dei Fulmini

E' da alcuni anni che sono attive delle reti di rilevamento in tempo reale dei fulmini nube-terra. Esse permettono il posizionamento esatto e un stima dell'intensità del fulmine caduto. In Italia è attiva la rete dell'ENEL-CESI denominata SIRF (Sistema Italiano Rilevamento Fulmini). Si tratta di una rete di sensori (simili a delle radio) che percepiscono le variazioni elettromagnetiche prodotte dai fulmini e attraverso delle triangolazioni ne consentono la localizzazione. Ogni sensore percepisce fulmini fino a 400 km di distanza. Questo tipo di rilevamento è particolarmente utile alle compagnie elettriche, che possono sapere in tempo reale dove sono le scariche sia deviare la corrente su altre linee, sia per attivare il servizio di manutenzione dei guasti. La banca dati può essere utilizzata dalle compagnie assicurative o per studi meteo-climatici. A livello amatoriale i fulmini possono essere sentiti su una normale radio sintonizzata su una frequenza senza segnale fra 1 kHz e un MHz.

I Tuoni

Il fulmine scalda l'aria circostante (~33000 °C ) causando una forte espansione (onda d'urto Nei primi istanti l'onda d'urto ha velocità supersonica (crepitio), poi la sua velocità diminuisce (brontolio). La velocità della scarica elettrica è molto più alta della velocità del suono. Il suono che noi riceviamo proviene da punti diversi del canale ionizzato (ove passa la corrente). Sentiamo prima il suono proveniente dai punti più vicini a noi.

Come si produce il rumore del tuono

Come si calcola la distanza di caduta di un fulmine in base al tuono?

La luce viaggia a 300.000.000 metri al secondo, il suono invece si diffonde nell'aria a circa 330 metri al secondo. Questa enorme differenza, fa sì che si veda prima la scarica elettrica e successivamente si senta il frastuono prodotto dallo spostamento d'aria. Facendo quindi un piccolo calcolo, si nota che in tre secondi il rumore del tuono avrà percorso approssimativamente 1 chilometro. Di conseguenza sarà sufficente conteggiare i secondi da quando vediamo scaricarsi il fulmine fino a al momento che udiamo il tuono. Dopodichè dividiamo i secondi per tre: il risultato ci darà la distanza in Km di dove è caduto il fulmine rispetto al luogo in cui ci troviamo.

Links utili

UsaToday. Tante informazioni sui fulmini e temporali.
Lightning Photographs. Sito dedicato alle foto di fulmini con molti links sull'argomento e un utile guida.
Nasa. L'ABC dei temporali, in inglese ma molto completo anche con immagini utili.
Franklin's Kite. Sito dedicato all'eperienza dell'aquilone di Franklin con animazione.
National Lightning Safety Institute. Sito sulla sicurezza contro i fulmini (molto completo e ricco di materiale e links).