Il fulmine, spettacolare manifestazione di energia nel cielo
PENSATE alla folgore, una delle più spettacolari manifestazioni di forza scatenata che esistano al mondo! La maggioranza delle persone ha visto, una volta o l’altra, un temporale carico di elettricità, con tutti i suoi terrificanti aspetti: pioggia torrenziale, accecanti bagliori, tuoni fragorosi e l’ansiosa attesa della successiva scarica.
Vi piacerebbe sapere qualcosa di più su ciò che causa questo misterioso fenomeno elettrico nel cielo? Cosa avviene durante un temporale che genera forze così terrificanti e spettacolari? Dal momento che il fulmine è una manifestazione elettrica che si verifica nell’atmosfera, abbiamo bisogno di sapere qualcosa sulle proprietà elettriche dell’aria per capire dove ha origine il fulmine.
Un’atmosfera elettrica
Anche se di solito non ce ne accorgiamo, l’atmosfera in cui viviamo è carica di elettricità. Il potenziale elettrico dell’atmosfera è straordinariamente grande. Col bel tempo, sulla superficie terrestre il potenziale aumenta, in media, di circa 150 volt al metro. L’aria è positiva rispetto al suolo, e maggiore è l’altitudine, maggiore è la tensione.
Quindi, se siete all’aperto, lontano da edifici e alberi, l’aria all’altezza della testa può avere una tensione di 250 volt maggiore rispetto a quella al livello del suolo. Perché allora non sentiamo gli effetti di questa tensione? Una tensione così elevata può far restare fulminati, se c’è abbastanza corrente, ma noi non l’avvertiamo neppure. La ragione è che l’aria è un ottimo isolante. La pelle è un conduttore di elettricità relativamente buono, e mantiene uniforme il potenziale del corpo. Solo per mezzo di sensibilissimi strumenti, attentamente isolati e schermati da altri oggetti che potrebbero avere una carica elettrostatica, si può misurare il potenziale atmosferico.
Se il potenziale continuasse ad aumentare a questo ritmo, a soli cento metri sarebbe di 15.000 volt. Ad altitudini elevate, oltre la stratosfera, l’aria diventa un buon conduttore, ma c’è un limite a questo potenziale. Che cosa causa questa differenza, cioè che la stessa aria che è un così buon isolante al suolo diventa un buon conduttore a grandi altezze? La risposta è data dal fenomeno della ionizzazione.
Le molecole d’aria, di azoto e di ossigeno, sono di solito neutre. Pertanto, la carica positiva di ciascun nucleo atomico è esattamente controbilanciata dalle cariche negative degli elettroni che circondano il nucleo. Ma se un elettrone viene estratto dalla sua orbita, la molecola resta con una carica positiva. Diciamo allora che la molecola è ionizzata. O, per abbreviare, che è uno ione.
La ionizzazione può avvenire per varie cause, ma nei limpidi strati inferiori dell’atmosfera essa avviene soprattutto per effetto dei raggi cosmici che ci bombardano dallo spazio esterno. Particelle cariche di energia colpiscono le molecole d’aria con una forza tale che certi elettroni vengono espulsi, e restano ioni positivi. Gli elettroni liberi possono attaccarsi ad altre molecole, formando ioni negativi. Alle basse quote, diciamo a una cinquantina di chilometri, vengono prodotti abbastanza ioni perché l’aria divenga un buon conduttore.
Questo strato conduttore d’aria si chiama elettrosfera. Esso è stato a volte incluso nella ionosfera, ma quest’ultimo nome è più propriamente applicato agli strati superiori, al di sopra dei cento chilometri, che riflettono le onde radio.
Anche il suolo è un buon conduttore. In questo caso, la corrente è trasportata da ioni in soluzione nell’acqua del suolo. Qualsiasi minerale sciolto in acqua è sotto forma di ioni. Pertanto, il sale comune dà ioni positivi di sodio e ioni negativi di cloro. Il gesso produce ioni di calcio e di solfato. Tutta l’acqua del sottosuolo contiene una quantità più o meno grande di minerali disciolti, e anche la terra abbastanza secca conserva ancora una certa umidità. Pertanto, sebbene un piccolo pezzo di terra non trasmetta molta corrente, la crosta terrestre è così immensa che, nel suo insieme, è un ottimo conduttore.
Tutte le parti di un buon conduttore devono avere lo stesso potenziale elettrostatico. Se accade qualcosa che ne alza il potenziale in un certo punto, la corrente fluisce di lì alle parti di minor potenziale finché si ristabilisce l’equilibrio. Questo si verifica nella terra. Si verifica anche nell’elettrosfera. Ma gli strati inferiori dell’atmosfera sono un isolante che separa la terra dall’elettrosfera. Ciò permette di mantenere la grande differenza di potenziale che c’è fra loro. Infatti, questo sistema costituisce un gigantesco condensatore elettrico, in cui la terra è negativa e l’elettrosfera positiva. La differenza di potenziale fra i due estremi dell’atmosfera è in media di circa 300.000 volt. Essa varia considerevolmente da un’ora all’altra del giorno, e da un mese all’altro dell’anno.
Nulla isola in modo perfetto. Con strumenti abbastanza sensibili, una corrente minima può essere avvertita anche negli strati inferiori dell’atmosfera. La loro conducibilità è scarsa perché pochi raggi cosmici penetrano nel terreno. La terra ha elettroni in eccesso, e questi sfuggono continuamente da una moltitudine di punti sulla superficie. Tali punti sono l’estremità delle foglie degli alberi, la punta dei fili d’erba e anche gli angoli acuti dei granelli di sabbia. Gli edifici costruiti dall’uomo, che raggiungono altezze maggiori, comprimono il campo elettrico attorno alle loro cime e agli angoli dei tetti, e la scarica di elettroni si concentra in tali punti. Assommando le piccole scariche che avvengono in tutta la terra si ottiene un quantitativo di corrente che basterebbe a scaricare completamente la terra nell’elettrosfera in meno di un’ora. Dev’esserci dunque qualche meccanismo di ricarica per mantenere sulla terra un eccesso di elettroni. Ed è qui che entrano in gioco i fulmini.
Il temporale come generatore
Nel cielo si vedono molti tipi di nubi. Esse sono per la maggior parte piatte e orizzontali. Ma quelle che suscitano di più la nostra meraviglia sono i bei cumuli bianchi, quelli che vediamo ondeggiare lassù nel cielo azzurro come giganteschi cavolfiori. Nelle giuste condizioni meteorologiche, un grande cumulo continua a crescere, sollevandosi a migliaia di metri verso la stratosfera mentre si allarga contemporaneamente alla base. Si trasforma così in un cumulonembo. Raggiunto il pieno sviluppo, assume in cima la caratteristica forma di incudine. Da lontano è ancora bello, ma a chi si trova sotto il cumulonembo esso appare ora come un’oscura massa di nubi minacciose. Una pioggia torrenziale, talvolta mista a grandine, inzuppa ben presto la terra sottostante.
Questo è il tipo di nube che genera fulmini e tuoni. È come un gigantesco generatore elettrico nel cielo, alto da otto a diciotto chilometri, che copre una superficie di ben 3.000 chilometri quadrati. All’interno della nube ci sono violente correnti ascendenti e discendenti, che spingono le goccioline d’acqua e i cristalli di ghiaccio a velocità variabili da quaranta a cento chilometri orari. Innumerevoli particelle di pioggia, ghiaccio, nevischio e grandine si sollevano e ricadono, mentre la nube gira vorticosamente, ondeggia e s’ingrossa.
Naturalmente, la forza di gravità influisce sull’acqua e sul ghiaccio, e in qualche modo, nell’attrito così generato, elettroni e ioni si separano nei punti d’incontro fra aria, acqua e ghiaccio. Le cariche vengono separate dai forti venti. Questi trasportano le cariche positive nella parte superiore della nube mentre le goccioline d’acqua cariche negativamente si spostano in fondo. La differenza di potenziale fra la parte superiore e quella inferiore continua ad aumentare man mano che si forma la nube. Infine essa “scoppia” per l’enorme accumulo di cariche. La nube cerca furiosamente il modo di liberarsi delle centinaia di milioni di volt che si sono accumulati in essa. Il potere isolante dell’aria può contenere solo una data pressione elettrica. Infine cede e un fulmine accecante scarica in modo drammatico la pressione.
Si calcola che in qualsiasi dato momento si verifichino in tutta la terra 3.000 temporali. La maggior parte di questi hanno luogo sopra la terraferma.
Gran parte dei fulmini hanno luogo all’interno della nube stessa, ma la carica negativa accumulata in fondo alla nube supera a tal punto il normale potenziale della terra che il fulmine raggiunge anche il suolo, trasportando gli elettroni sulla terra. Quando la nube si disperde, la carica positiva contenuta nella sua parte superiore si sposta nell’elettrosfera. Quindi, col bel tempo, gli ioni positivi penetrano nell’atmosfera e raggiungono la terra per neutralizzarne la carica negativa, e gli ioni negativi si sollevano nell’elettrosfera per neutralizzarla. Così il ciclo è completo.
Come si forma il fulmine
È difficile studiare un fulmine all’interno di una nube; non è un ambiente molto confortevole per lo scienziato e i suoi delicati strumenti. Ma sul suolo il fulmine si può vedere e fotografare con speciali macchine fotografiche, e in questo modo gli scienziati hanno imparato molte cose sulla formazione progressiva del fulmine. Ecco il quadro che ne emerge.
Dagli studi effettuati in laboratorio sulla composizione elettrica dell’aria, si sa che il fulmine comincia a formarsi quando il campo elettrico raggiunge una intensità di circa tre milioni di volt per metro. A questa tensione elettrica i pochi elettroni che vengono continuamente liberati dai raggi cosmici sono spinti abbastanza forte da urtare altri elettroni, liberandoli dalle molecole neutre che colpiscono. Questi, a loro volta, sono accelerati, collidono con altre molecole e le ionizzano. Si accumula così una vera e propria valanga di elettroni, che si allontanano dalla carica negativa della nube, lasciandosi dietro una scia di ioni positivi. Così la resistenza dell’aria si indebolisce e nella coltre isolante si forma un percorso per il fulmine in via di formazione.
Macchine fotografiche in grado di arrestare l’azione in tempi dell’ordine di milionesimi di secondo (microsecondi) rivelano che questo avviene per gradi. Nel punto in cui l’aria presenta una resistenza momentaneamente minore, parte dalla nube una “scarica pilota”, e la valanga di elettroni avanza di una cinquantina di metri. Quindi perde per così dire il fiato e fa una pausa momentanea mentre sulla sua punta si accumula il potenziale. Dopo una cinquantina di microsecondi, riparte, forse in un’altra direzione, secondo la resistenza dell’aria ionizzata in quel punto. Così, passo per passo, le successive scariche formano un canale d’aria fortemente ionizzata largo da uno a dieci metri, verso la terra.
Essendo l’aria più ionizzata in certi punti che in altri, il percorso della scarica, tortuoso e ramificato, si avvale di ogni variazione favorevole. È così che il fulmine assume il suo caratteristico aspetto a zig-zag, mentre segue una direzione o l’altra, esplorando vari percorsi, cercando sempre la via più facile verso la terra. Quando è a meno di cinquanta metri dall’obiettivo, da un punto favorevole del suolo parte una scarica a incontrarlo. Ora il circuito è completo! La nube ha un condotto in cui scaricare il suo insostenibile peso di elettroni in eccesso.
Prima, affluiscono gli elettroni presenti nel canale nel punto più vicino al suolo, seguiti immediatamente da quelli prementi sopra. Quindi la scarica di ritorno, che ora brilla luminosamente, si solleva verso la nube a una velocità che si avvicina a quella della luce. Mentre le scariche possono avere impiegato 20.000 microsecondi per raggiungere il suolo, la scarica di ritorno compie il viaggio in soli settanta microsecondi. Ora per forse quaranta microsecondi, la nube scarica una corrente di intensità variabile da 10.000 a 20.000 ampère o più. In questo breve momento genera una potenza di migliaia di milioni di chilowatt, più di quella generata da tutte le centrali elettriche della terra messe insieme. È davvero una spettacolare manifestazione di potenza!
Il fulmine muore rapidamente, ma di rado finisce tutto qui. Il percorso del fulmine nell’aria resta, ancora intensamente ionizzato. Altre parti della nube ancora fortemente cariche fluiscono verso l’area che si è scaricata, e questo continua lungo il canale ancora aperto verso la terra. Pertanto ci sono di solito tre o quattro scariche successive, che si ripetono così in fretta da sembrare un solo fulmine. A volte ci vogliono più di una dozzina di fulmini perché la nube si scarichi completamente.
Ora, solo in un quinto di secondo, il fulmine ha esaurito la sua furia. È tutto finito, resta solo il rumore, cioè il tuono. Forse udite uno scoppio, un rombo, un brontolio, secondo a che distanza siete dal fulmine. Una stretta, tortuosa colonna d’aria larga solo pochi centimetri nel percorso del fulmine è stata riscaldata a una temperatura di oltre 30.000 gradi centigradi. Non appena la corrente si esaurisce, questa colonna d’aria surriscaldata si espande esplosivamente a velocità supersonica. L’onda d’urto prodotta da questa espansione genera il tuono, che si può udire fino a venticinque chilometri di distanza.
Forse vi chiedete perché il Creatore ritenne opportuno che vi fossero i fulmini nelle nubi. Servono a qualche scopo utile? Senz’altro. Il fulmine ha una funzione essenziale in natura, nel ciclo dell’azoto. L’azoto è indispensabile alla vita, e nell’atmosfera ce n’è un’immensa riserva. Ma le creature viventi non possono utilizzarlo direttamente. Nel fulmine, però, l’intenso calore scinde le molecole di azoto e di ossigeno in atomi, e raffreddandosi molti si combinano formando ossidi d’azoto. Questi composti si sciolgono nella pioggia e sono trasportati nel suolo. Lì, convertiti in nitrati, costituiscono un fertilizzante essenziale per le piante in fase di crescita. Questo è uno dei processi più importanti nella fissazione naturale dell’azoto. Si calcola che i temporali producano ogni anno centinaia di migliaia di tonnellate di nitrati.
Per proteggersi dai fulmini
C’è veramente motivo di non essere troppo tranquilli quando si scatenano i fulmini. Essi hanno un enorme potenziale distruttivo. I fulmini fanno a pezzi alberi e pali del telefono, fanno buchi nei tetti e nei muri e causano molti incendi di foreste ed edifici. Spesso, in un albero, la corrente elettrica è così intensa che vaporizza istantaneamente l’umidità del legno e il vapore surriscaldato fa letteralmente esplodere l’albero.
Ovviamente il fulmine può anche uccidere. Gli animali che cercano riparo sotto un albero restano spesso fulminati quando il fulmine colpisce l’albero. Molte persone hanno fatto la stessa fine, specie su spiagge e campi di golf. In tali luoghi gli alberi isolati sono facili bersagli dei fulmini. Se siete sorpresi da un temporale, non cercate riparo sotto un albero isolato. Nei boschi, state lontani dagli alberi alti. Ed evitate i reticolati metallici, le condutture e i binari della ferrovia. Siete più al sicuro in una valle che in cima a un colle.
Se abitate in una zona dove i temporali elettrici sono frequenti, fate bene a proteggere la vostra casa con un parafulmine. Per essere efficaci, devono avere una buona messa a terra. Aste appuntite collegate tramite un filo spesso (isolato dall’edificio) con un cavo metallico o una lastra ben interrata attireranno il fulmine e lo dirigeranno senza danno verso il suolo. Le antenne della televisione e i fili elettrici che entrano in casa si possono proteggere con scaricatori di sovratensione di carattere atmosferico.
Se durante un temporale siete in macchina o in treno non avete nulla da temere. La carrozzeria dell’auto distribuisce la corrente elettrica e la conduce al suolo. Allo stesso modo, i passeggeri di un aereo sono al sicuro dai fulmini. Non è raro che gli aerei ne siano colpiti e a volte il corpo metallico dell’aeromobile ne esce con piccoli fori, ma non si è a conoscenza di nessun caso di sciagura aerea causata direttamente dal fulmine. Naturalmente, la violenta turbolenza dei venti durante i temporali rappresenta un pericolo da cui il pilota saggio fa bene a tenersi alla larga.
Prendendo queste precauzioni, la prossima volta che scoppia un temporale nella vostra zona potete ammirare tranquillamente questa stupenda dimostrazione di potenza del Creatore. E sapendo qualcosa su come si forma il fulmine dovreste apprezzare di più quella spettacolare manifestazione di energia nel cielo.
[Riquadro a pagina 20]
Un fulmine tipico
Lunghezza: 5 chilometri
Scariche per fulmine: 3 o 4
Corrente massima: 20.000 ampère
Tensione elettrica: 100.000.000 di volt
Potenza massima: 2.000.000.000 di chilowatt
Durata: 1/5 di secondo
[Diagramma a pagina 17]
(Per la corretta impaginazione, vedi l’edizione stampata)
CICLO ELETTRICO TERRA-ATMOSFERA
CICLO DEL FLUSSO DI ELETTRONI
ALTAMENTE POSITIVA (CARENZA DI ELETTRONI)
ALTAMENTE NEGATIVA (ELETTRONI IN ECCESSO)
FULMINE
CORRENTE IONICA COL BEL TEMPO
LEGGERMENTE POSITIVA (ELETTRONI RESPINTI DALLA NUBE)
LEGGERMENTE NEGATIVA (ELETTRONI IN ECCESSO)