Tutti hanno visto i fulmini e si sono meravigliati della loro potenza. Ma il motivo per cui il fulmine procede in una serie di passaggi dalla nuvola temporalesca alla terra sottostante è rimasto un mistero.
Perchè il fulmine zigzaga?
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 significa che possiamo capire come proteggere meglio edifici, aeroplani e persone.
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 dal cloud. 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 leader vengono quindi estinti. Perché ci sono tali passaggi? Cosa sta succedendo nei periodi bui tra i passi? In che modo i gradini possono essere collegati elettricamente al cloud senza alcuna connessione visibile?
Cosa succede dentro il fulmine?
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 circa 45 minuti. 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.
Tutelare persone e 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 angolo dell’edificio, creando il rischio di crolli mortali.
