Come si forma il fulmine: cosa dice la scienza

Come si forma il fulmine: cosa dice la scienza

Il fulmine è una scarica elettrostatica atmosferica causata dall'accumulo di carica elettrica nelle nubi. Queste scariche si verificano quando la rottura dielettrica dell'aria avviene al superamento di un particolare valore di campo elettrico. Di conseguenza, si genera un canale ionizzato in uno stato di plasma che facilita il trasferimento di carica tra due punti. Le conoscenze scientifiche sulla formazione dei fulmini dovrebbero essere utilizzate per ottimizzare i sistemi di protezione dai fulmini.

Lo studio dei fulmini e dei fenomeni correlati coinvolge diverse branche della fisica, dalla fisica dell'atmosfera alla fisica del plasma e all'elettrodinamica quantistica. Ad oggi, il meccanismo esatto con cui i fulmini si generano nelle nubi non è ancora del tutto chiaro, così come il meccanismo con cui i fulmini colpiscono un determinato punto. Tuttavia, nonostante le difficoltà nello studio di queste scariche atmosferiche, sempre più informazioni sono disponibili grazie a osservazioni e misurazioni. [1].

Di seguito viene presentata una sintesi di ciò che la scienza dice su come si formano i fulmini, concentrandosi in particolare sui fulmini da nube a terra per la loro rilevanza ai fini della protezione dai temporali.

Formazione dei fulmini nelle nubi temporalesche

Le nubi temporalesche sono solitamente di tipo cumulonembo e si formano quando le condizioni sono adatte alla crescita verticale della nube. Le nubi cumulonembi sono giganteschi motori di calore che convertono l'energia solare nell'energia meccanica delle correnti d'aria e nell'energia elettrica dei fulmini. [2], [3].

Quando si formano le nubi temporalesche, l'equilibrio delle cariche positive e negative nell'atmosfera si rompe, poiché si verifica la polarizzazione delle cariche elettriche. In questo modo, la parte inferiore delle nubi si carica negativamente, inducendo una carica positiva sul terreno e sugli elementi sovrastanti. Si genera così un campo elettrico fino a decine di kilovolt.

La nube acquisisce carica elettrica attraverso vari meccanismi di elettrificazione. Si ritiene che il principale riguardi le collisioni tra particelle millimetriche di grandine soffice o graupel e piccoli cristalli di ghiaccio in presenza di gocce d'acqua superraffreddata. L'acqua superraffreddata è caratterizzata dal fatto di non essere congelata nonostante la temperatura sia inferiore a 0 °C [1]-[4].

Tuttavia, non sono ancora disponibili tutti i dettagli dei processi microfisici di scarica che generano i traccianti e i processi che producono i campi elettrici necessari a generare i fulmini. Pertanto, il meccanismo fisico (o i meccanismi) con cui le scariche atmosferiche si innescano all'interno delle nubi temporalesche non è ancora stato risolto. Infatti, dopo decenni di misurazioni del campo elettrico all'interno delle nubi, non è stato rilevato un campo elettrico sufficiente a innescare le scariche, almeno secondo l'attuale consenso scientifico [1].

Connessione dei traccianti verso il basso e verso l'alto che formano il raggio nube-terra

Quando il campo elettrico di ionizzazione dell'aria viene superato, l'aria può trasformarsi da un isolante quasi perfetto in un mezzo conduttivo attraverso il quale la carica della nube cerca il percorso più diretto verso il suolo. Si genera quindi un tracciante o una guida verso il basso che lascia la nube portando con sé parte della sua carica. È noto anche come "leader a gradini" perché avanza a passi discreti. Nel percorso del fulmine da nube a terra, il leader discendente può dividersi in diversi rami. [2] e propagarsi in qualsiasi direzione, ma sempre con salti che dipendono dalla corrente associata a quella scarica.

Una volta che il fulmine è sufficientemente vicino al suolo, il campo elettrico si alza al livello del suolo e uno o più punti dell'elemento a terra iniziano a scaricare scariche a corona [2]. [2]. Si tratta di scariche elettriche prodotte dalla ionizzazione del gas che circonda un conduttore carico. Da esse si generano i leader o traccianti verso l'alto. Il primo leader ascendente che raggiunge il leader discendente creerà un percorso di scarica da nube a terra. Nel salto finale del tracciante discendente, la direzione non è più casuale ma determinata dal tracciante ascendente a portata di mano.

Quando viene intercettata da un oggetto, la corrente cerca il percorso più veloce verso il suolo generando un impulso di corrente ad altissima energia con un'ampiezza di decine o centinaia di migliaia di ampere (corsa di ritorno). [2]. Se la nube viene ulteriormente caricata dopo la scarica di ritorno, possono comparire nuovi archi noti come scariche successive.

Il recente studio osservativo di Saba et al. [5] ha utilizzato una videocamera ad alta velocità per analizzare la dinamica dei leader in un fascio nuvola-terra. . Il video di questa pubblicazione ad accesso aperto è disponibile online.

L'impatto valutato è stato registrato il 30 marzo 2021 e, dalle immagini video ottenute, sono stati individuati 31 leader verso l'alto provenienti dagli edifici circostanti in direzione dei leader verso il basso. I leader verso l'alto erano caratterizzati da una propagazione rettilinea e senza ramificazioni, mentre i leader verso il basso erano caratterizzati da ramificazioni. Il leader ascendente che si collegava al leader discendente era tre volte più veloce del resto dei 31 leader rilevati.

In una pubblicazione successiva, anch'essa di carattere osservativo, Saba et al. [6] hanno analizzato un impatto precedente (del 1° febbraio 2017), intercettato da un parafulmine di un edificio residenziale. In questo studio, le misurazioni del campo elettrico, della corrente e della velocità dei leader verso l'alto sono state effettuate utilizzando videocamere ad alta velocità, un sensore di campo elettrico e sensori di corrente installati sui parafulmini.

Gli autori hanno osservato che i leader a monte rispondevano alle diverse ramificazioni del leader a valle, alternando la loro propagazione e intensità. Questo schema intermittente si interrompeva poco prima del collegamento dei leader, quando tutti i traccianti verso il basso si intensificavano e, di conseguenza, i leader verso l'alto diventavano sincronizzati nei loro impulsi di corrente. [6].

Inoltre, i leader ascendenti indotti dai traccianti discendenti si propagano a velocità più o meno costante. La direttrice ascendente che si collega a quella discendente è stata la più veloce di tutte quelle generate, seguita dalla direttrice ascendente più vicina all'ultimo salto o al salto finale. D'altra parte, il leader ascendente che si collega al leader discendente ha registrato un aumento di velocità poco prima del salto finale, stimato in almeno 45 volte superiore alla velocità media del leader ascendente. Allo stesso modo, la corrente continua più elevata è stata misurata sul leader a monte che si collega al tracciatore a valle [6].

Protezione intelligente dai fulmini basata sulla scienza

La conoscenza scientifica del fenomeno dei fulmini è fondamentale per l'ottimizzazione dei sistemi di protezione dai fulmini. I dispositivi Early Streamer Emission (ESE Air Terminals) si basano sull'emissione continua del tracciante verso l'alto prima di qualsiasi altro oggetto nel loro raggio di protezione. Invece di essere un processo casuale come nel caso delle protezioni convenzionali, gli ESE sono caratterizzati dal controllo dell'emissione del tracciante, regolandolo al momento giusto e consentendo così una maggiore area di copertura.

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Riferimenti

[1] J. R. Dwyer e M. A. Uman, "The physics of lightning", Phys. Rep., vol. 534, no. 4, pp. 147-241, 2014.

[2] V. Cooray, An Introduction to Lightning. Springer Netherlands, 2015.

[3] C. Gomes, Ed., Lightning, vol. 780. Springer Singapore, 2021.

[4] M. A. Cooper e R. L. Holle, Reducing Lightning Injuries Worldwide. 2019.

[5] M. M. F. Saba, D. R. R. da Silva, J. G. Pantuso e C. L. da Silva, "Close view of the lightning attachment process unveils the streamer zone fine structure", Geophys. Res. Lett., vol. 49, n. 24, dicembre 2022.

[6] M. M. F. Saba, P. B. Lauria, C. Schumann, J. C. de O. Silva, and F. de L. Mantovani, "Upward leaders initiated from instrumented lightning rods during the approach of a downward leader in a cloud-to-ground flash", J. Geophys. Res., vol. 128, n. 8, aprile 2023.