Fulmini: come funzionano? Non ne sappiamo molto

12 Maggio, 2019
I fulmini sono un fenomeno quotidiano che nasconde grandi segreti

Da qualche parte sul monte Olimpo…

“Beh ragazzi cosa prendiamo?”

“Io un calice di bianco”

“Io un bel rosso con acqua calda e miele che qui in quota fa abbastanza freddo”

“Io che al freddo ci sono abituato una bella birra ghiacciata”.

“Allora come state? Come vanno le cose? E’ da un po’ che non ci si vede eh? Giove! Dopo più di mille anni dalla caduta di Roma ancora ti vesti con la toga?”

“Beh Zeus, innanzitutto è molto comoda, tu giri con il petto nudo come se avessi ancora 1500 anni. E poi guarda Thor che usa il martello come portachiavi”

“Beh dovrò pur utilizzarlo per qualcosa il mio martello visto che ormai siamo in pensione. Gli uomini non credono più in noi ma la cosa comica è che sono ancora convinti che siamo noi a scagliare i fulmini…”

“AHAHAHAHAHAHAHAHAHAHAHA”

I fulmini passano da fenomeno divino a naturale

15 Giugno 1752, Filadelfia

Così come spesso succede in questa stagione si accumulano nubi all’orizzonte e quindi ci si prepara al solito acquazzone estivo.

Tra la massa che si affretta verso casa in cerca di riparo uno solo va contro corrente tenendo in mano un… aquilone.

No no, non sono matto e si, un aquilone come quelli che si vedono in spiaggia.

Le nubi si avvicinano e dunque è il momento: bisogna mettere in volo l’aquilone. Intanto una chiave metallica viene legata ad un capo del filo.

Le nuvole sovrastano ora l’aquilone, i fili sulla superficie della corda bagnata si impennano e l’uomo, che con una mano tiene la corda, stringe il pugno con l’altra e lo avvicina alla chiave e… una scossa.

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.

La banconota da 100$ rappresentata dall'immagine di Benjamin Franklin

Come funzionano i fulmini? parte l’indagine

Ok, scalzati Giove, Zeus o Thor dal ruolo di artefici delle folgori bisognava quindi capire come si generassero queste enormi scintille.

Prima di arrivare al come mettiamo qualche base che costituisca la nostra cassetta degli attrezzi per districarci nel mistero dei Fulmini.

Partiamo dal principio: tutto quello che ci circonda è costituito da atomi che sono composti da un nucleo carico positivamente (composto da protoni a carica positiva e neutroni a carica neutra) attorno al quale sono distribuiti gli elettroni a carica negativa.

Una scarica elettrica non è altro che un insieme di elettroni che si spostano in massa da un punto A a un punto B.

Inoltre qualunque cosa abbia una carica produce nello spazio circostante un campo di forza. Immaginalo come la gravità: non la vedi, non puoi percepirla nè con l’olfatto nè con l’udito ma ti accorgi che c’è solo quando inciampi e cadi a terra. Nella stessa maniera il campo elettrico, così si chiama quello prodotto dalle cariche, non lo vedi nè lo senti ma ti accorgi che c’è perchè se avvicini qualcosa con la stessa carica verrà respinta, carica opposta attratta.

 

L’aria è isolante… e i fulmini allora?

Infine l’aria: lo sapevi che è un grandissimo isolantesurprised

Mumble

“Scusa Davide ma allora i fulmini? O quando si prende la scossa toccando una maniglia? L’aria non funziona in quei casi?”

Quanto ai fulmini la faccenda è un po’ più complicata e la vedremo tra poco ma in generale perchè gli elettroni facciano un salto nell’aria, l’aria stessa deve cambiare forma, deve ionizzarsi. Non entrerò nel dettaglio di cosa sia ma immagina quello che succede all’acqua quando dallo stato solido passa a quello liquido, così l’aria passa dallo stato normale a quello ionizzato.

Il punto è che l’aria ionizzata, a differenza di quella normale, è altamente conduttrice e favorisce quindi il passaggio degli elettroni.

Cosa può ionizzare l’aria? Le altissime temperature per esempio (le stelle sono palle giganti di gas ionizzato altrimenti detta plasma) o anche i campi elettrici.

Essendo l’aria un buon isolante ci vorrà un super campo elettrico per ionizzarla: 3 milioni di V/m (Volt al metro).

Per intenderci un ferro da stiro produce un campo elettrico di 120 V/m e sotto le linee dell’alta tensione si può arrivare fino a 10.000 V/m.

Bene, prima di proseguire fissiamo per punti quanto visto finora:

U

AHA!

  • I fulmini non li scaglia Giove (beh lo abbiamo visto no?)
  • Una scintilla non è altro che un flusso di cariche
  • Ogni carica emette un campo elettrico misurato in V/m
  • L’aria è un ottimo isolante e solo con un campo elettrico di oltre 3 milioni di V/m lascia passare delle cariche

Nuvole Alkaline

Quando l’aria calda dalle nostre città roventi sale verso l’alto va incontro a delle 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. A questo punto, se i chicchi di ghiaccio che si vanno formando raggiungono dimensioni e peso eccessivi, 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 (un po come succede con l’elettricità statica quando strofini la bic sul maglione per farle attrarre i pezzetti di carta) 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.

Ti ricorda qualcosa? Un + sopra ed un – sotto? La nostra nuvola sta diventando una gigantesca batteria.

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.

Il mistero dei fulmini si infittisce

A questo punto per gli scienziati fu facile giungere alla conclusione che questo montare sempre maggiore di cariche doveva fare in modo che il campo elettrico superasse la soglia dei 3 milioni V/m facendo scaturire una scintilla enorme dalla nuvola verso terra.

Ma quando i ricercatori andarono a misurare il campo elettrico nelle nubi temporalesche, si resero conto che aveva un’intensità ben al di sotto della soglia dei 3 milioni.

 

Mumble

“Davide scusa, ma tutte queste parole e concetti per dirci che una scarica può avvenire solo se si supera la soglia ed ora ci ritroviamo con i fulmini che non obbediscono a questa legge?” 

Se ti stai facendo questa domanda, sappi che è la stessa che si fecero gli scienziati in quei momenti.

Il mistero che sembrava ad un  passo dalla conclusione si infittisce E Allora che si fa? Si indaga sempre di più. Si ma come? Tornando alle origini: all’osservazione.

Da qui in avanti ne vedrai delle belle.

Un fulmine a rallentatore

Grazie a telecamere che possono registrare ad elevatissime velocità è stato possibile catturare tutta la genesi di un fulmine dal momento in cui esce dalle nubi fino al contatto a terra.

Dai un’occhiata tu stesso

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

Partendo proprio da filmati come questi gli scienziati sono riusciti a differenziare due momenti ben diversi del fulmine che ad occhio nudo sono praticamente impossibili da notare:

  • La scarica guida: è quella che nel video vedi scendere dalla nuvola nel disperato tentativo di raggiungere terra e che ancora non è il fulmine vero e proprio
  • La scarica di ritorno: nel momento in cui la scarica guida tocca terra parte una gigantesca scarica di ritorno da terra verso la nuvola che riequilibra la differenza tra le cariche negative e positive tra la base della nuvola e il terreno. In quel momento il canale di aria in cui scorre la scarica di ritorno si scalda così tanto da arrivare a temperature 3-5 volte maggiori rispetto alla superficie… SOLARE. Un aumento così improvviso di temperatura fa espandere l’aria così tanto e così rapidamente da farla esplodere in un fragoroso boato che tutti conosciamo: il TUONO.

Ancora però non ci si spiega come faccia il fulmine a scoccare se il campo elettrico della nuvola non è sufficiente a ionizzare l’aria e far fluire le cariche.

Fulmini fantascientifici

Te l’avevo promessa ed eccola qui: studiando sempre di più i fulmini facendo rilevazioni con particolari strumenti, un bel giorno gli scienziati 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.

Fulmini super fantascientifici

E questo è solo l’inizio.

Oltre ai raggi x gli strumenti registrarono qualcosa di ben più incredibile: RAGGI GAMMA.

Se non sei balzato in piedi dalla sedia per l’incredibilità di questa scoperta lascia che ti dica che i 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).

Anche la luce a noi visibile è una radiazione elettromagnetica ma ad un livello energetico molto più basso rispetto ai raggi gamma.

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.

Mumble

“Ma Davide, visto il numero elevato di fulmini registrato ogni giorno, perchè i raggi gamma non ci hanno già sterminati da tempo?”

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

Come si generano i fulmini

I misteri cominciano ad accumularsi invece di dissiparsi eh? Ti dico solo che le sorprese non sono ancora finite.

E giusto precisare: sul funzionamento dei fulmini non si è ancora giunti ad una soluzione vera e propria ma c’è una teoria molto accreditata ed interessante che fa da collegamento tra:

  • MISTERO 1: la generazione della saetta anche se il campo elettrico non è sufficientemente grande da rompere l’isolamento dell’aria
  • MISTERO 2: da dove diamine arrivano le radiazioni x e gamma?

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 superare l’isolamento dell’aria, ma lo è per accelerare un elettrone fino a velocità elevatissime, prossime a quelle della luce (relativistiche).

Se per assurdo un elettrone riuscisse a staccarsi dalla base della nuvola, gli altri elettroni che rimangono li attaccati lo spingerebbero via verso terra avendo lo stesso segno. Nel suo tragitto verso terra urterebbe altri elettroni staccandoli dai loro atomi che verrebbero a loro volta accelerati in un processo che genera effettivamente una valanga di elettroni che ionizzano quindi l’aria.

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

Mumble

“Certo la RREA potrebbe giustificare un fulmine che si scateni con un campo elettrico sotto la soglia di rottura, ma i raggi x e gamma? E come fa a partire il primo elettrone della valanga?”

Per quelli ci viene in soccorso un fenomeno che nella lingua di Mordor (scherzo eh… almeno spero) è chiamato BREMSSTRAHLUNG

Bremsstrahlung?

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.

U

AHA!

  • Il campo elettrico della nuvola NON è sufficiente a rompere l’isolamento dell’aria ma abbastanza forte per accelerare un elettrone a velocità prossime a quelle della luce
  • L’elettrone nel suo tragitto urta altri elettroni che, staccati per la botta dai loro atomi, vengono a loro volta accelerati ed urteranno altri elettroni
  • Si genera una valanga di elettroni che inizia così il suo viaggio verso terra (scarica guida)
  • Nel loro percorso gli elettroni che passano troppo vicini al nucleo di un altro atomo, a carica positiva per via dei protoni, vengono deviati e rallentati
  • L’energia persa per la brusca decelerazione viene restituita dall’elettrone sotto forma di RAGGI X e GAMMA

Ma il primo elettrone?

Ok ma chi è che mette in moto il primo elettrone che da il via alla valanga? Se il campo elettrico non è sufficientemente forte da strappare un elettrone al suo atomo, chi lo fa?

Nuovamente siamo nel campo della speculazione ed una delle teorie al vaglio indicherebbe un colpevole ancora 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 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. Lo avresti mai detto?

Fulmini fantasmagorici

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 in conclusione

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

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