Come funzionano i fulmini?

Un fenomeno se non quotidiano, al quale siamo comunque abituati. Eppure la scienza ha ancora delle domande senza risposta sul funzionamento dei fulmini. In questo articolo vedremo cosa sappiamo, cosa non sappiamo e che ipotesi sono sul banco.

15 Giugno 1752, Filadelfia

Un uomo armato di aquilone corre verso le nubi temporalesche e mette in volo… un aquilone. Attacca poi alla corda una chiave metallica.

I fulmini saettano sopra l’uomo che avvicina il pugno chiuso alla chiave mentre continua a tenere con l’altra l’aquilone e ZAP… una scintilla tra la chiave e il pugno.

L’uomo in questione era Benjamin Franklin (la banconota da 100$) è fu il primo a scoprire e dimostrare che i fulmini non erano manifestazioni divine ma fenomeni elettrici.

Dove nascono i fulmini?

Il loro incubatore sono le nuvole.

Quando l’aria calda dalle nostre città roventi sale verso l’alto, va incontro a temperature sempre più basse via via che sale.

Questo fa in modo che condensi creando piccoli granuli di ghiaccio che continuano a salire sospinti dalle correnti ascensionali. Quando però diventano troppo grandi e pesanti, non riescono più ad essere sospinti dall’aria e cadono verso il basso. Nel cadere urtano i granuli di ghiaccio che salgono strappando loro degli elettroni (vedi l’elettricità statica) caricandosi pertanto negativamente mentre i granuli cui l’elettrone è stato strappato si caricheranno positivamente.

Avremo quindi una nuvola che avrà la parte alta carica postivamente e quella bassa carica negativamente.

Inoltre, poiché le cariche dello stesso segno si respingono, la parte bassa della nube a carica negativa spingerà via le cariche negative a terra lasciando una predominanza di cariche positive.

Questo accumulo di cariche rappresenta l’incubazione di quello che poi sarà il fulmine, forse…

Quando le cariche si separano, tra di loro si forma un campo elettrico. Non lo puoi vedere, proprio come il campo magnetico di una calamita, ma c’è.

Cariche opposte si attraggono e uguali si respingono. Se però non gli diamo la possibilità di ricongiungersi o separarsi, tra di loro rimane questa forza di attrazione o repulsione per sempre. Questo è il campo elettrico che si stabilisce quindi dentro la nuvola e tra la nuvola e il suolo.

L’aria è un enorme isolante, quindi rappresenta una barriera enorme per i fulmini e per l’elettricità in generale.

Ecco perchè le cariche negative non riescono a raggiungere la parte positiva, di mezzo c’è l’aria. E loro continuano ad accumularsi. Più si accumulano e più la forza che le attrae diventa forte e quindi aumenta il campo elettrico.

Anche l’aria però ha un limite. Quando il campo elettrico supera una certa soglia, l’attrazione tra – e + diventa così forte che persino l’aria si rompe e in quella frattura passano le cariche.

Ecco dunque come funzionano i fulmini. Una scarica elettrica tra la nuvola e il terreno che scatta quando il campo elettrico diventa così alto che nemmeno l’aria può più tenere le cariche separate.

Facile no? Peccato che i fulmini non siano così facili da spiegare, anzi.

Prima di proseguire, ecco un riepilogo di quello che abbiamo visto finora su come funzionano i fulmini

Prima di passare ai misteri che gravitano intorno ai fulmini, vediamo un po’ cosa sappiamo sul loro conto a partire dal guardarne uno a rallentatore

Strano quanto ci perdiamo del fenomeno ad occhio nudo a velocità naturale.

Partendo proprio da filmati come questi gli scienziati sono riusciti a differenziare le fasi del fulmine. La prima è quella che è stata chiamata scarica guida o pilota.

È quella che nel video vedi scendere dalla nuvola a zig, zag nel disperato tentativo di raggiungere terra e che ancora non è il fulmine vero e proprio. Dal video puoi capire che la scarica guida si sta sforzando di cercare il percorso che oppone meno resistenza possibile al passaggio della corrente.

Mentre questo fulmine in fasce cerca di raggiungere il suolo, dal suolo si alzano piccole scariche che cercano di toccare quella che scende.

Nel momento in cui la scarica guida tocca una scarica che dal suolo sale verso l’alto, si chiude il percorso e tutte le cariche negative scaricano a terra qualcosa come alcune decine di migliaia di Ampere. Questo è il fulmine che noi vediamo ad occhio nudo.

La cosa incredibile è che dal video sembra che questo avvenga dal suolo verso la nuvola, motivo per cui viene definita scarica di ritorno.

In realtà è solo un effetto ottico, che non spiego in modo approfondito: ti basti sapere che le cariche del fulmine vanno dalla nuvola verso il suolo.

Ultimo tassello del fulmine che conosciamo tutti: il tuono. Le cariche che scorrono in massa attraverso l’aria isolante, scaldano il canale di passaggio così tanto che arriva a una temperatura pari a 3-5 volte maggiore rispetto alla temperatura della superficie solare (tra i 15 mila e i 25 mila °C).

Un aumento della temperatura così repentino fa espandere improvvisamente l’aria, che esplode con un fragoroso boato che è il tuono.

Tutto bellissimo. Peccato che i ricercatori furono messi davanti ad un problemone che faceva cadere tutto il castello in un secondo. Il campo elettrico che misuravano al di sotto delle nubi, non era minimamente sufficiente per rompere l’isolamento dell’aria e far partire il fulmine.

Come funzionano allora i fulmini?

Allora non sono scariche elettriche normali. Come fanno a scoccare se il campo elettrico non rompe l’isolamento dell’aria?

Purtroppo i fulmini non smisero di tormentare i poveri ricercatori che, facendo rilevazioni con particolari strumenti, un bel giorno si trovarono a dover gestire un altro mistero quando già ne avevano uno ancora irrisolto.

Gli strumenti difatti registrarono, negli istanti precedenti e successivi al fulmine… RAGGI X.

Esatto, come quelli delle lastre in ambito medico. Fino a quel momento non si conosceva nulla sulla terra che producesse spontaneamente tale radiazione elttromagnetica.

Ma i raggi x non furono la sola cosa registrata dagli strumenti allo scoccare dei fulmini.  Registrarono qualcosa di ben più incredibile: RAGGI GAMMA.

Sono la più potente forma di radiazione elettromagnetica che possa esistere e può essere scatenata da una Supernova (esplosione di una stella alla fine della sua vita) o nelle collisioni tra corpi celesti (come le stelle  neutroni).

Sono quindi estremamente pericolosi e possono causare danni indicibili spaccando la struttura atomica o distruggendo le cellule del nostro corpo come un proiettile con un uovo.

Fortunatamente l’ozono ci scherma da queste radiazioni cosmiche filtrandole prima che possano danneggiarci.

Beh sono emessi in piccolissime quantità, tali da non rappresentare per noi una minaccia.

Ma insomma…

Come funzionano sti fulmini?

Purtroppo possiamo solo fare delle ipotesi e tutto quello che leggerai di seguito va trattato in questo modo: ipotesi verosimili ma ancora da verificare.

Se il campo elettrico tra nuvola e suolo non è sufficiente per far scoccare il fulmine, qualcosa altro dovrà spingere le cariche a muoversi

Una delle teorie al vaglio indicherebbe un colpevole fantascientifico: i raggi cosmici.

La Terra è costantemente bombardata da raggi cosmici di ogni sorta provenienti dalle stelle, dal Sole, da eventi distruttivi nello spazio profondo.

Di fatto questi raggi non sono altro che particelle molto energetiche che potrebbero essere sufficientemente forti da scalzare degli elettroni dalla nuvola e che darebbero poi il via alla valanga.

Ma ci pensi? I fulmini potrebbero essere incredibilmente collegati ad una stella esplosa centinaia di milioni di anni fa.

Ok, i raggi cosmici danno una spintarella alle cariche per iniziare il viaggio verso terra. Ma l’aria è sempre isolante e se non si rompe, come fanno le cariche staccate dalla nuvola ad arrivare comunque a terra?

Questa teoria è chiamata RELATIVISTIC RUNAWAY ELECTRON AVALANCHE o RREA.

La potremmo tradurre come FUGA RELATIVISTICA DI UNA VALANGA DI ELETTRONI.

Secondo questa teoria è vero che il campo elettrico della nuvola non è sufficiente a rompere l’isolamento dell’aria, ma lo è per accelerare un elettrone fino a velocità elevatissime, prossime a quelle della luce (relativistiche).

Il processo del fulmine diventerebbe questo:

• i raggi cosmici staccano qualche carica
• gli elettroni che rimangono sulla nuvola spingono via quelli staccati, avendo lo stesso segno
• gli elettroni spinti via ne urtano altri e li staccano dai loro atomi. Questi verrebbero nuovamente spinti via dalla nuvola e il giro riparte

La scarica guida del fulmine potrebbe quindi essere la valanga di elettroni che scende verso terra.

Non ti preoccupare, a dispetto del grande parolone difficile da pronunciare l’effetto che esso descrive è in realtà molto intuitivo.

Secondo questo fenomeno quando una particella carica, tipicamente un elettrone a carica  negativa, che viaggia ad una certa velocità si trova a passare sufficientemente vicino ad  un atomo, viene attratta dai protoni positivi contenuti nel nucleo. La forza di attrazione fa deviare l’elettrone dalla sua traiettoria rettilinea e lo fa rallentare. La perdita di velocità corrisponde per l’elettrone a una perdita di energia (cinetica). Visto che l’energia cambia continuamente forma ma non si distrugge, quella che l’elettrone perde decelarando la riemette sotto forma di radiazioni, indovina quali?

Questo fenomeno calza appieno con la RREA dove abbiamo una valanga di elettroni che viaggiano a velocità prossime a quelle della luce: quando passano vicino ai nuclei degli altri atomi dell’aria, essendoci i protoni carichi positivamente, vengono deviati e quindi rallentati.

Tutta l’energia (cinetica) che perdono nel rallentare la riemettono sotto forma di… Raggi x o Gamma.

Se vi siete mai chiesti come facciano le macchine per le lastre mediche ad emettere i raggi X necessari per il loro funzionamento beh, questo è il fenomeno che sta dietro tutto.

Ricordi quando dicevo della pericolosità dei raggi gamma e di quanto siano potenti? Beh questi ricercatori dell’universita di Kyoto, dopo un fulmine, hanno registrato un impulso di raggi gamma durato 1 minuto quando fino a quel momento si erano visti solo lampi gamma di circa 1 ms (1 millesimo di secondo): questo vuol dire che il lampo era durato 60.000 volte più del normale.

Analizzando i dati si sono accorti che nel minuto erano identificabili 3 LAMPI GAMMA:

• Il primo: prodotto dal fulmine tramite la bremsstrahlung
• Il secondo: il LAMPO GAMMA 1 investe gli atomi di azoto nell’aria e gli stacca un neutrone che viene assorbito da un vicino atomo di azoto. Questo assorbimento avviene rilasciando il LAMPO GAMMA 2
• Il terzo: gli atomi di azoto che hanno perso il neutrone diventano molto instabili. Per stabilizzarsi usano la radioattività rilasciando POSITRONI. Se non sapessi cosa sono ti stuzzico con questo: ANTIMATERIA. In breve sono gli anti-elettroni nel senso che sono speculari agli elettroni solo che hanno carica positiva. Ora, materia e antimateria, se si incontrano, si annullano a vicenda con un grande BOOM e rilasciano quindi quantitativi di energia imbarazzanti. I positroni rilasciati dagli atomi di azoto, annullandosi con gli elettroni dell’aria, hanno quindi generato il terzo e più duraturo LAMPO GAMMA 3

I fulmini ce li abbiamo avuti sempre sotto gli occhi, li abbiamo da sempre ammirati ma mai avremmo pensato che potessero arrivare a produrre raggi x, raggi gamma e addirittura ANTIMATERIA.

Beh io spero di averti intrattenuto e averti mostrato che enormi scoperte si celano sotto i fenomeni ordinari che ogni giorno ci passano sotto il naso.

Scommetto che non guarderai mai più un fulmine con gli stessi occhi pensando che proprio sopra la tua testa si sta celando, coperta dalle nubi, una fabbrica di antimateria alimentata a raggi cosmici provenienti da stelle esplose quando ancora c’erano i dinosauri.

Io ti aspetto al prossimo articolo e fino a quel momento… RESTA CURIOSO.

Davide