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ⓘ Fulmine




Fulmine
                                     

ⓘ Fulmine

In meteorologia il fulmine è un fenomeno atmosferico legato allelettricità atmosferica che consiste in una scarica elettrica di grandi dimensioni che si instaura fra due corpi con elevata differenza di potenziale elettrico.

I fulmini più facilmente osservabili sono quelli fra nuvola e suolo, ma sono comuni anche scariche fra due nuvole saetta o allinterno di una stessa nuvola saetta. Inoltre qualsiasi oggetto sospeso nellatmosfera può innescare un fulmine: si sono osservati infatti fulmini tra nuvola, aeroplano e suolo. Un caso particolare sono i cosiddetti fulmini globulari al suolo, tuttora in fase di studio e ricerca.

Le condizioni ideali per lo sviluppo di fulmini sono i cumulonembi tipici dei fenomeni temporaleschi, ma sono stati osservati fulmini anche durante tempeste di sabbia, bufere di neve e nelle nuvole di cenere vulcanica. Un caso particolare e raro è quello legato alla cosiddetta tempesta di fulmini ovvero sequenze ininterrotte di fulmini a brevissima distanza uno dallaltro pochi secondi per una durata complessiva anche di unora.

A causa della grande potenza rilasciata, essi costituiscono una minaccia per lincolumità umana, sebbene con rischi inferiori a molti altri fenomeni. Una loro rappresentazione stilizzata è spesso usata nelliconografia mitologica e araldica.

                                     

1.1. Descrizione Il fenomeno elettrico

Generalmente, si descrive il fulmine come una singola scarica, ma sono molto frequenti i casi in cui si verificano una serie di scariche in rapida successione. Tipicamente, lintervallo di tempo tra una scarica e laltra può oscillare tra i 5 e i 500 millisecondi, e la serie nel complesso può durare anche 1.5 secondi.

Lattività luminosa connessa alla scarica di un fulmine è detta lampo, mentre lespansione del canale ionizzato in seguito alla scarica genera unonda durto molto rumorosa, il tuono. Un osservatore distante vede il lampo sensibilmente prima di sentire il tuono, poiché il suono viaggia a velocità molto inferiore a quella della luce 0.340 km/s circa contro 300.000 km/s e quindi percepirà un ritardo di circa tre secondi per ogni chilometro di distanza dal fulmine. Lintensità della corrente elettrica prodotta da un fulmine varia tipicamente tra i 10 e i 200 kiloampere.

Più in particolare, il fulmine è una colonna di gas ionizzato plasma, con le seguenti caratteristiche fisiche principali:

Lultimo valore differenza di potenziale ai capi del fulmine dipende dalla lunghezza dello stesso: sapendo che il potenziale di rottura dielettrica dellaria è di 3000 V/mm, un fulmine lungo 300 m sarà generato da una differenza di potenziale di 300 × 3 × 10 6 = 9 × 10 8 ≈ 10 9 V. In realtà, la grande pericolosità del fulmine è dovuta, più che alle grandi tensioni, alla corrente che fluisce nel canale daria ionizzata: essendo infatti il plasma un ottimo conduttore di corrente, esso permette il fluire di correnti tipiche di migliaia di ampere si consideri che bastano circa 20 mA per causare danni fisiologici da folgorazione.

                                     

1.2. Descrizione Tipi di fulmini

Esistono quattro diversi tipi di fulmini:

  • Negativo discendente, la scarica pilota ha carica negativa e parte dallalto.
  • Positivo discendente, la scarica pilota ha carica positiva e parte dallalto.
  • Positivo ascendente, la scarica pilota ha carica positiva e parte dal basso.
  • Negativo ascendente, la scarica pilota ha carica negativa e parte dal basso.

La velocità è variabile e dipende sia dalle condizioni di umidità che dalla differenza di potenziale della scarica, ma si muove tra i 40.000 e i 50.000 km/s.

                                     

1.3. Descrizione Interferenze elettromagnetiche

Il fulmine genera un forte impulso elettromagnetico che provoca interferenze nella ricezione di segnali radio specialmente con modulazione in ampiezza, fino a frequenze di diversi MHz. Il fortissimo impulso elettromagnetico rilasciato da un fulmine può danneggiare in modo irreversibile componenti elettronici funzionanti a bassa frequenza.

                                     

1.4. Descrizione Emissione di raggi gamma e generazione di antimateria

Osservazioni compiute, a partire dagli anni novanta, mediante luso di telescopi spaziali, hanno rivelato linaspettata emissione di radiazione elettromagnetica a più alta energia, fin nello spettro dei raggi gamma: i cosiddetti Terrestrial Gamma Ray Flash TGFs. Queste osservazioni hanno rivelato lesistenza di un fenomeno inatteso e piuttosto inspiegabile, che pone serie sfide alla teoria dei fulmini, specialmente quando si sono scoperti i segni evidenti della produzione di antimateria nei fulmini.

                                     

1.5. Descrizione Cause e formazione

La scarica di un fulmine è un tipico fenomeno elettrostatico molto simile a livello fisico e logico a quello di una scarica elettrica che avviene tra due piastre di un condensatore piano quando la differenza di potenziale tra di esse supera la cosiddetta rigidità dielettrica del mezzo fisico frapposto, in questo caso laria atmosferica modello a condensatore.

A livello microscopico la scarica sarebbe generata dalle particelle cariche negativamente presenti sulla superficie esterna della nube, che vengono attratte dalle particelle positive presenti nel suolo. Si genera quindi una differenza di potenziale. Sono state studiate varie cause che includono le perturbazioni atmosferiche, ma anche limpatto di particelle provenienti dal vento solare e laccumulo di particelle solari. Anche le particelle di ghiaccio allinterno della nuvola sono ritenute essere un elemento fondamentale nello sviluppo dei fulmini, in quanto possono provocare la separazione forzata delle particelle con cariche positive e negative, contribuendo così allinnesco della scarica elettrica.

Il meccanismo di formazione è solitamente il seguente: dalla nuvola ha inizio un canale ionizzato detto canale di prescarica che avanza nellaria verso il basso, muovendosi a tratti con avanzamenti rapidi dellordine dei 50 metri e pause nellordine di 50 microsecondi, in modo che la velocità media risultante dellavanzamento sia di circa 1 metro/microsecondo. Quando il canale ionizzato, che appare debolmente luminoso e presenta irregolarità di percorso e ramificazioni, raggiunge il punto di contatto con il suolo o su una linea elettrica ad esempio fluisce verso terra una elevata corrente dovuta alla scarica quasi completa del canale ionizzato scarica di ritorno, la quale inizia dal suolo e si propaga verso la nube con una velocità di circa 10% - 30% di quella della luce rendendo via notevolmente luminoso il condotto di fulmine le sue ramificazioni. È possibile riprodurre il fenomeno fisico del fulmine tramite apparecchiature quali elettrofori, come ad esempio quello di Van de Graaff, sebbene il controllo di queste scariche elettostatiche sia limitato.



                                     

2. Pericolosità

Un corpo colpito da un fulmine viene riscaldato per effetto Joule, le grandi correnti in gioco possono, a seconda dei casi, incendiarlo o fonderlo allistante; quando un fulmine si scarica nellacqua, essa può vaporizzarsi.

Quando un fulmine colpisce una persona, si parla di fulminazione mentre si parla di folgorazione per indicare le lesioni violente prodotte dalle scariche elettriche provenienti dagli impianti industriali: in una frazione di secondo un fulmine può danneggiare il cervello e arrestare il battito cardiaco. Dato che limpulso elettrico è caratterizzato anche da alte frequenze, parte della corrente scorre sullesterno del corpo, ustionando in particolar modo la pelle. Si stima che in tutto il mondo, nellarco di un anno, più di mille persone vengano colpite da un fulmine.

Anche se una persona non viene colpita direttamente, un fulmine può comunque provocare danni gravi. Londa durto può investire le persone vicine, spostandole e stordendole. Se il fulmine si scarica su un albero, questo esplode a causa della improvvisa vaporizzazione della linfa, proiettando schegge. Essere colpiti da un fulmine è un evento improbabile, ma non rarissimo, se non si adottano adeguate precauzioni quando può manifestarsi. Per ridurne i rischi si utilizzano i parafulmini.

Le scariche elettriche sono attratte dalla presenza di materiali conduttori oppure di energia nelle sue varie forme, e, a parità di materiale, tendono a concentrarsi sulle punte. Infatti, la densità di carica elettrica rapporto tra la carica del corpo e la sua superficie misurabile in un materiale conduttore risulta massima nelle sue punte e sui suoi spigoli, dove tendono a concentrarsi le particelle elettriche libere, in quanto essendo la carica q costante, al diminuire della superficie S del corpo aumenta la densità di carica: è in base a questo principio che funziona il parafulmine.

La casa, ed in generale i luoghi al chiuso costituiscono un riparo sicuro in caso di temporale. Allinterno si consiglia di:

  • Evitare di toccarne elementi metallici quali tubature le parti metalliche di porte e finestre;
  • Mantenere una distanza di qualche metro da porte e finestre.
  • Evitare di utilizzare apparecchiature connesse alla rete elettrica e i telefoni fissi non cordless;
  • Evitare di fare la doccia, lavare i piatti ed in genere di entrare in contatto con lacqua;

Al chiuso i cellulari sono sicuri da utilizzare in quanto il loro campo elettromagnetico è troppo debole per attrarre in forma significativa i fulmini.

Lautomobile e gli aeroplani sono pressoché sicuri perché sono una gabbia di Faraday e quindi isolano lambiente interno dai campi elettrostatici presenti al loro esterno.

In mancanza di un luogo chiuso, la posizione più sicura è quella in cui si sta piegati sulle proprie ginocchia, senza stare in piedi o sdraiati sul terreno, evitando di stare in gruppo con altre persone. La prossimità di elementi sporgenti, come alberi, e pali e il contatto con masse dacqua, come il mare e i laghi, è fonte di rischio. Il corpo umano è esso stesso un conduttore elettrico: per questo la posizione piegata sulle ginocchia, e isolata dagli altri, è quella che minimizza la superficie conduttrice e di scambio termico che potrebbe attrarre un fulmine.



                                     

3. Nella storia

Nella religione e nella mitologia di numerosissimi popoli l’entità suprema o divinità di un pantheon politeistico veniva concepita in forte connessione con il cielo e con le manifestazioni meteorologiche: tra cui quella del fulmine, il cui nome a volte coincide con quello della divinità. Nelle religioni politeistiche è spesso il principale attributo delle divinità sovrane come: Giove, Zeus, Teshup degli Ittiti, il germanico Thor e Perun degli antichi Slavi.

La credenza di tale fenomeno come evento divino è sopravvissuta nelle religioni monoteistiche fino al XVIII secolo quando Benjamin Franklin inventò il parafulmine, dimostrando che le dinamiche relative ad esso fossero prive di una qualsiasi volontà e scopo.

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