L’occhio umano registra una frazione di secondo troppo rapida per distinguere la direzione del moto: vediamo un lampo squarciare il cielo e diamo per scontato che sia precipitato dalle nubi verso la terra. La dinamica reale della fisica atmosferica racconta l’esatto opposto.
Un fulmine si forma quando le correnti interne a un cumulonembo separano cariche elettriche positive e negative tramite la collisione di particelle di ghiaccio. Quando la differenza di potenziale vince la resistenza isolante dell’aria, un canale invisibile scende verso il terreno, ma la scarica luminosa vera e propria — quella che illumina il paesaggio — parte dal basso e risale verso la nube a circa un terzo della velocità della luce.
La fabbrica delle cariche dentro il cumulonembo
Tutto comincia all’interno di una nube temporalesca che può estendersi verticalmente per oltre 12 chilometri. A quote dove la temperatura scende sotto lo zero, coesistono goccioline d’acqua sopraffusa, minuscoli aghi di ghiaccio e granelli più pesanti chiamati graupel (neve tonda).
Le violente correnti ascensionali spingono i cristalli leggeri verso l’alto, mentre la gravità e i moti discendenti trascinano verso il basso il graupel più denso. Quando queste particelle si scontrano a temperature inferiori a circa -15 °C, avviene un trasferimento netto di elettroni per effetto triboelettrico:
- Il graupel acquista elettroni, caricandosi negativamente, e si concentra nella parte centrale e inferiore della nube (tra i 3 e i 7 km di quota).
- I cristalli di ghiaccio sottili cedono elettroni, restano carichi positivamente e vengono trasportati dai venti nella parte sommitale della nube.
La nube diventa così un gigantesco dipolo elettrico.
+ + + + + + + + + + + (Cristalli leggeri: carica positiva)
[ CUMULONEMBO ]
- - - - - - - - - - - (Graupel pesante: carica negativa)
|
Campo elettrostatico
v
_ _ + + + + + + + + + + _ _ (Suolo: carica positiva indotta)
La concentrazione di cariche negative alla base della nuvola respinge gli elettroni presenti sulla superficie terrestre sottostante, spingendoli più in profondità nel terreno. Il suolo, per induzione elettrostatica, assume una forte carica positiva che segue la nube come un’ombra elettrica invisibile, accumulandosi soprattutto su rilievi, alberi, tralicci e sporgenze.
La discesa invisibile: il precursore a gradini
L’aria è un eccellente isolante elettrico. Per consentire il passaggio di corrente, il campo elettrico deve raggiungere la rigidità dielettrica dell’aria (nell’ordine di qualche milione di volt per metro, sebbene l’effetto delle gocce e dei cristalli abbassi questa soglia a circa 300-400 kV/m).
Quando la tensione supera il valore critico, dalla base della nube parte una prima scarica pilota, chiamata in fisica atmosferica leader a gradini (stepped leader). Non si tratta del bagliore accecante che vediamo di solito: è un filamento ionizzato debolmente luminoso, largo pochi centimetri, che avanza a scatti di circa 50 metri alla volta, con pause di poche decine di microsecondi tra un segmento e l’altro.
Il leader trasporta cariche negative verso terra ramificandosi in più direzioni a una velocità media di circa 200 chilometri al secondo. Per coprire i chilometri che lo separano dal suolo impiega qualche decina di millisecondi.
Il punto d’incontro e il lampo di ritorno
Quando la punta del leader a gradini si trova a circa 30-100 metri dal terreno, l’attrazione elettrostatica verso la superficie diventa insostenibile. Dal suolo — e in particolare dagli oggetti più alti ed esposti — si innalzano verso l’alto dei canali di cariche positive chiamati streamer ascendenti.
Nel momento esatto in cui il leader discendente incontra uno degli streamer ascendenti, il circuito si chiude: si crea un canale ininterrotto di plasma conduttore tra il cumulonembo e la terra.
A questo punto si verifica la scarica di ritorno (return stroke): una massiccia ondata di corrente positiva risale lungo il canale ionizzato dal terreno verso la nuvola.
Questo è il fulmine vero e proprio. Il flusso di cariche raggiunge picchi tipici tra 20.000 e 30.000 ampere, riscaldando l’aria all’interno del canale a temperature comprese tra 20.000 °C e 30.000 °C in pochi microsecondi — valori fino a cinque volte superiori alla temperatura della fotosfera solare.
L’occhio percepisce l’intero canale illuminarsi simultaneamente, ma l’onda di neutralizzazione della carica viaggia dal terreno verso il cielo a circa 100.000 chilometri al secondo.
Perché sentiamo il tuono dopo
L’espansione termica causata da quel riscaldamento fulmineo genera un’onda d’urto meccanica: l’aria intrappolata nel canale si espande violentemente a velocità supersonica per poi decadere in un’onda acustica. Quello è il tuono.
La luce viaggia a circa 300.000 km/s, rendendo la percezione del bagliore pressoché istantanea per l’osservatore a terra. Il suono del tuono si muove nell’aria a una velocità notevolmente inferiore: circa 340 metri al secondo (o 1 chilometro ogni 3 secondi circa). Contare i secondi che separano il lampo dal boato e dividerli per tre fornisce una stima affidabile della distanza in chilometri a cui è caduto il fulmine.
Domande frequenti
Tutti i fulmini toccano terra?
No. Oltre il 70% dei fulmini a livello globale rimane confinato all’interno della stessa nuvola (intra-cloud) o scocca tra due nubi diverse (cloud-to-cloud), senza mai raggiungere il suolo.
Un fulmine può cadere due volte nello stesso posto?
Sì, e accade regolarmente. Strutture molto alte come l’Empire State Building di New York vengono colpite mediamente tra 20 e 25 volte all’anno proprio perché la loro altezza facilita la formazione di streamer ascendenti.
Esistono fulmini che partono direttamente dal suolo?
Sì. Si chiamano fulmini terra-nube (upward lightning). Su grattacieli, antenne di trasmissione e turbine eoliche, il campo elettrico può essere così intenso da innescare direttamente dal vertice della struttura un leader ascendente che sale verso la nube.
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