Forse sappiamo perché i fulmini si muovono a zig-zag

A tutti sarà probabilmente capitato di vedere un fulmine illuminare il cielo e di restare impressionati dalla sua improvvisa e violenta manifestazione. Pur rappresentando un rischio – nel mondo si stima che circa 8,6 milioni di fulmini si verificano ogni giorno – il fenomeno che origina la formazione dei fulmini continua ad affascinare appassionati e ricercatori, che non hanno però ancora esattamente compreso il motivo per cui perché quelli che scaricano la loro energia al suolo, i più pericolosi perché possono colpire l’uomo e causare danni, assumono una caratteristica forma a zig-zag né cosa determini la formazione di questi “zig-zag” (chiamati gradini). Una nuova ricerca, coordinata dal fisico australiano John Lowke, ha però fornito una spiegazione del fenomeno in uno studio appena pubblicato sul Journal of Physics D: Applied Physics. “Le risposte a queste domande – premette il professor Lowke, che è ricercatore associato di Fisica presso l’Università dell’Australia del Sud ad Adelaide – stanno nel capire cosa succede quando un elettrone energetico colpisce una molecola di ossigeno”.

In un articolo su The Conversation, Lowke ha descritto cosa accade all’interno delle nuvole temporalesche dove “intensi campi elettrici 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”.

Come si formano i fulmini a zig-zag

I fulmini possono originarsi all’interno di una singola nube, oppure verificarsi tra due nubi o tra una nube e la superficie terrestre a causa di differenze di potenziale molto elevate nell’ambito dell’atmosfera. Quando nuvole temporalesche con un potenziale elettrico di milioni di volt scaricano la loro energia al suolo, tra terra e cielo scorre una corrente di migliaia di ampere, con una temperatura di decine di migliaia di gradi. “Quando gli elettroni hanno abbastanza energia – aggiunge l’esperto – , eccitano le molecole di ossigeno allo 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 energetico 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”.

Ogni passo diventa luminoso per un milionesimo di secondo, ma poi c’è un’oscurità quasi completa. “Dopo altri 50 milionesimi di secondo si forma un altro gradino, alla fine del gradino precedente, ma i gradini precedenti rimangono oscuri – precisa il professor Lowke – . Durante la parte oscura di un gradino, la densità degli stati metastabili e degli elettroni aumenta” fino a quando “il gradino può nuovamente 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”.

Come proteggersi dai fulmini

Con l’aumento degli eventi meteorologici estremi dovuto ai cambiamenti climatici, la protezione dai fulmini sta assumendo sempre più un ruolo di rilievo. “Sapere come si forma un fulmine significa che possiamo capire come proteggere meglio edifici, aeroplani e persone – sottolinea Lowke – . Se da un lato è raro che le persone vengano colpite da un fulmine, gli alberi e gli edifici lo sono molto più spesso, 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 un edificio, l’acqua della pioggia che si è infiltrata nel cemento ribolle, aumentano la pressione e creando il rischio di crolli mortali”.

In termini di protezione, il parafulmine inventato da Benjamin Franklin nel 1752 è fondamentale: si basa su una lunga asta metallica installata verticalmente sulla sommità di un edificio, collegato alla terra mediante opportuni conduttori che favoriscono la dispersione della scarica. “Dirigendo il flusso attraverso il conduttore, si evita che l’edificio venga danneggiato. Questo sistema è valido ancora oggi, ma il fattore incerto è quanti parafulmini occorrano su ciascuna struttura” ha concluso Lowke.