Tutti hanno visto almeno una volta i fulmini e si sono meravigliati della loro potenza. Ma nonostante la loro frequenza – circa 8,6 milioni di fulmini si verificano ogni giorno in tutto il mondo – il motivo per cui il fulmine procede in una serie di passaggi dalla nuvola temporalesca alla terra sottostante è rimasto un mistero.
Ci sono alcuni libri di testo sui fulmini, ma nessuno ha spiegato come si formano questi “zigzag” (chiamati gradini) e come i fulmini possono viaggiare per chilometri. Una nuova ricerca fornisce una spiegazione.
Gli intensi campi elettrici nelle nuvole temporalesche eccitano gli elettroni affinché abbiano energia sufficiente per creare quelle che sono note come “molecole di ossigeno delta singoletto“. Queste molecole ed elettroni si accumulano per creare un breve passo altamente conduttivo, che si illumina intensamente per un milionesimo di secondo.
Alla fine del passo, c’è una pausa mentre l’accumulo si ripete, seguita da un altro balzo luminoso e lampeggiante. Il processo viene ripetuto ancora e ancora.
Un aumento degli eventi meteorologici estremi significa che la protezione dai fulmini è sempre più importante. Sapere come viene avviato un fulmine ci permette di capire come proteggere meglio edifici, aeroplani e persone. Inoltre, mentre l’uso di materiali compositi ecocompatibili negli aerei sta migliorando, questi materiali aumentano il rischio di danni da fulmine, quindi dobbiamo cercare una protezione aggiuntiva.
Cosa porta a un colpo di fulmine?
I fulmini si verificano quando nuvole temporalesche con un potenziale elettrico di milioni di volt sono collegate alla terra. Tra terra e cielo scorre una corrente di migliaia di ampere, con una temperatura di decine di migliaia di gradi.
Le fotografie dei fulmini rivelano una miriade di dettagli non osservabili ad occhio nudo. Di solito ci sono quattro o cinque deboli “leader” provenienti dalla nuvola. Questi sono ramificati e zigzaganti su un percorso irregolare verso la terra.
Il primo di questi leader a raggiungere la terra avvia il fulmine. Gli altri vengono quindi estinti.
Cinquant’anni fa, la fotografia ad alta velocità ha rivelato ancora più complessità. I leader avanzano verso il basso dalla nuvola in “passi” lunghi circa 50 metri. Ogni passo diventa luminoso per un milionesimo di secondo, ma poi c’è un’oscurità quasi completa. Dopo altri 50 milionesimi di secondo si forma un altro gradino, alla fine del gradino precedente, ma i gradini precedenti rimangono scuri.
Perché ci sono tali passaggi? Cosa sta succedendo nei periodi bui tra i passi? In che modo i gradini possono essere collegati elettricamente alla nuvola senza alcuna connessione visibile?
Le risposte a queste domande stanno nel capire cosa succede quando un elettrone energetico colpisce una molecola di ossigeno. Se l’elettrone ha abbastanza energia, eccita la molecola nello stato delta di singoletto. Questo è uno stato “metastabile”, il che significa che non è perfettamente stabile, ma di solito non cade in uno stato di energia inferiore per 45 minuti circa.
L’ossigeno in questo stato delta di singoletto stacca gli elettroni (necessari per il flusso di elettricità) dagli ioni di ossigeno negativi. Questi ioni vengono quindi sostituiti quasi immediatamente da elettroni (che portano una carica negativa) che si attaccano nuovamente alle molecole di ossigeno. Quando più dell’1% dell’ossigeno nell’aria è in uno stato metastabile, l’aria può condurre elettricità.
Quindi i passi fulminei si verificano quando viene creato un numero sufficiente di stati metastabili per staccare un numero significativo di elettroni. Durante la parte oscura di un gradino, la densità degli stati metastabili e degli elettroni aumenta. Dopo 50 milionesimi di secondo, il gradino può condurre elettricità e il potenziale elettrico sulla punta del gradino aumenta approssimativamente fino a quello della nuvola e produce un ulteriore gradino.
Le molecole eccitate create nei passaggi precedenti formano una colonna fino alla nuvola. L’intera colonna è quindi elettricamente conduttiva, senza necessità di un campo elettrico e poca emissione di luce.
Proteggere le persone e la proprietà
La comprensione della formazione dei fulmini è importante per la progettazione della protezione di edifici, aeromobili e anche persone. Mentre è raro che i fulmini colpiscano le persone, gli edifici vengono colpiti molte volte, specialmente quelli alti e isolati.
Quando un fulmine colpisce un albero, la linfa all’interno dell’albero bolle e il vapore risultante crea pressione, spaccando il tronco. Allo stesso modo, quando un fulmine colpisce l’angolo di un edificio, l’acqua della pioggia che si è infiltrata nel cemento ribolle. La pressione esplode dall’intero l’angolo dell’edificio, creando il rischio di crolli.
Un parafulmine inventato da Benjamin Franklin nel 1752 è fondamentalmente uno spesso filo di recinzione attaccato alla sommità di un edificio e collegato al suolo. È progettato per attirare i fulmini e mettere a terra la carica elettrica. Dirigendo il flusso attraverso il filo, evita che l’edificio venga danneggiato.
Queste aste Franklin sono necessarie oggi per edifici alti e chiese, ma il fattore incerto è quante ne occorrono su ciascuna struttura.
Inoltre, centinaia di strutture non sono protette, compresi i rifugi nei parchi. Queste strutture sono spesso realizzate in ferro zincato altamente conduttivo, che a sua volta attira i fulmini, e sono sostenute da pali di legno.
Autore
John Lowke, Università dell’Australia Meridionale
