IL FULMINE. 
I fulmini sono delle scariche elettriche improvvise e violente che si verificano tra due nubi oppure tra una nube e la superficie terrestre a causa di differenze di potenziale molto elevate nell'ambito dell'atmosfera. Il fenomeno si manifesta con un effetto luminoso (lampo) ed uno sonoro (tuono) che non vengono percepiti simultaneamente dall'osservatore a causa delle diverse velocità di propagazione della luce (300.000 Km/s) e del suono (340 m/s). Il lampo viene visto pertanto quasi istantaneamente, mentre il tuono viene udito dopo un intervallo di tempo tanto più grande quanto più è distante il fulmine.
Normalmente un fulmine è composto da un ramo principale e da molti rami secondari, con il caratteristico aspetto a zig-zag, determinato dalla ricerca del percorso di minor resistenza elettrica. La lunghezza può raggiungere i 2-3 Km, con punte di 5 Km in Sud Africa; quando si verificano tra nubi, i percorsi possono anche raggiungere i 10-15 Km.

Come nascono.
Dalla fisica è noto che se si caricano elettricamente due corpi conduttori con cariche di segno opposto, non c'è passaggio di corrente elettrica se essi sono separati da un materiale isolante. Aumentando il numero delle cariche, l'intensità del campo elettrico aumenta proporzionalmente fino ad un certo limite, caratteristico di ogni isolante, oltre il quale il materiale cede istantaneamente con un passaggio violento di corrente fra i conduttori.
La scarica produce la perforazione del materiale ed il valore limite del campo elettrico, oltre il quale si ha tale fenomeno, è noto come rigidità dielettrica. Nel caso dell'aria pulita e asciutta il valore del campo è di circa 30 KV/cm, che scende notevolmente, a valori inferiori a 3-4 KV/cm, in presenza di umidità, di pulviscolo atmosferico o di altre impurità.
Il fulmine è l'equivalente atmosferico del fenomeno precedentemente descritto; in tal caso l'isolante è l'aria ed i due corpi conduttori sono la nube ed il suolo oppure due diverse nubi o due diverse parti di una stessa nube.
E' ormai accertato che le grosse nubi temporalesche (cumulonembi) sono caricate positivamente nella parte più alta e negativamente in quella più bassa; esistono diverse teorie che cercano di giustificare tale situazione, una di esse, abbastanza attendibile, è che le separazioni delle cariche abbiano origine dalle collisioni fra i vari elementi di nube rappresentati dalle piccole gocce di acqua o dai piccoli cristallini di ghiaccio, formatisi in seguito alla condensazione o alla sublimazione del vapore acqueo. All'interno delle nubi temporalesche esistono forti correnti ascensionali e precipitazioni che innescano complessi procedimenti di crescita e di interazione dei vari elementi, determinando le collisioni sopracitate.
Si è ritenuto che le più piccole particelle tendano ad acquisire cariche negative, mentre le più grandi acquisiscano cariche positive. Queste particelle tendono a separarsi per effetto delle correnti ascensionali e della forza di gravità, fino a che la nube non assume lo stato elettrico precedentemente descritto (positivo in alto e negativo in basso). La suddetta separazione produce enormi differenze di potenziale sia all'interno della nube che fra la nube e la terra, che per induzione tende a caricarsi positivamente.
Le differenze di potenziale possono raggiungere le centinaia o migliaia di milioni di volt, causando il superamento della rigidità dielettrica dell'aria: in tale istante scocca il fulmine. Il meccanismo della scarica è tuttavia alquanto complesso e si manifesta in due tempi:
Inizialmente dalla nube scende verso il suolo una scarica debole ed invisibile composta da particelle cariche negativamente, essa è detta scarica pilota (o scarica guida o stepped leader) ed avanza verso il basso con una velocità relativamente piccola (circa 100 Km/s) e con percorsi successivi di breve lunghezza (circa 50 m). Lungo tale percorso a zig-zag si crea un'intensa ionizzazione che predispone alla seconda fase.
Quando la scarica pilota si avvicina al suolo, da quest'ultimo parte una scarica "di ritorno" diretta verso l'alto e composta da un flusso di cariche positive presenti sulla superficie terrestre. Quando le due scariche si incontrano, esse segnano nell'aria una specie di scia di congiunzione tra cielo e terra; lungo tale traccia risale verso la nube una fortissima corrente elettrica ad una velocità stimata in circa un terzo di quella della luce.
La scarica di ritorno (return stroke) può durare tra qualche decina e qualche centinaia di microsecondi e libera una quantità enorme di energia di tipo termico, ottico (lampo), acustico (tuono) ed elettromagnetico.
Il canale conduttore, creato dalla scarica guida, può ramificarsi in parecchie branche, lungo le quali si possono avere diverse scariche di ritorno giustificando così l'aspetto tutto ramificato del fulmine, simile alle radici di una pianta. Spesso lungo il canale conduttore, dopo la prima scarica, si può avere un'altra scarica guida verso il basso, che innesca un secondo fulmine. Questo può verificarsi più volte in uno o due secondi, causando l'effetto tremolante nella luce del lampo.

Formazione delle cariche.
L'ipotesi più accreditata per spiegare la formazione di cariche nelle nuvole temporalesche è che i moti convettivi all’interno delle nuvole spostano verso l'alto l'aria umida e verso il basso quella fredda; d'altro canto la temperatura, più bassa negli strati più alti dell'atmosfera, fa congelare le gocce d'acqua. Si creano così dei flussi convettivi che portano in alto gocce d’acqua e verso il basso particelle di ghiaccio. Questo origina uno sfregamento continuo di acqua e ghiaccio, permettendone il caricamento elettrostatico.
Le particelle cariche tenderanno a disporsi secondo uno schema bi o tri polare, con le cariche negative nella parte bassa della nube e quelle positive nella parte alta.
Il cumulonembo assume cosi l’aspetto di un grosso dipolo, essendo le regioni cariche di qualche km di diametro. Alcune sacche minori di cariche positive si possono trovare nella zona inferiore della nube.
Tra queste regioni di carica opposta possono crearsi vari tipi di scarica, appunto i fulmini.

Tipi di scarica.
Immaginando un temporale come formato da più cumulonembi contenenti regioni di carica diverse, si può dedurre che i fulmini potranno svilupparsi sia tra le cariche della stessa nube sia tra una nube e l’altra sia infine tra la nube e la terra , che per effetto elettrostatico si carica di segno opposto a quello della parte inferiore della nube. Tipicamente infatti i fulmini sono distinti in Nube-Nube, Intranube e Nube-Suolo.
Il maggior numero di scariche, con rapporto di 9 a 1, si sviluppa tra le nubi o all’interno della nube stessa. Queste scariche possono essere di entità molto diversa, a seconda che rappresentino piccoli cedimenti locali del dielettrico o scariche a grande distanza tra regioni di forte carica opposta.
La caratteristica più immediata per i fulmini nube-suolo è la propagazione dalla nube verso terra (fulmine discendente) o dalla terra verso la nube (fulmine ascendente).
La percentuale degli ascendenti è legata alla posizione geografica, ed alla presenza di punte sul territorio. Infine, se si considera il verso della corrente, i fulmini sono classificati in positivi e negativi.
I fulmini nube-suolo, per quanto meno frequenti , sono i più pericolosi per le attività umane nonché i meglio conosciuti; di questi sono state studiate in laboratorio e con esperimenti all’aperto tutte le principali caratteristiche.
Si possono fare diverse classificazioni a seconda di come avviene la scarica elettrica, a seconda della carica e direzione della scarica pilota, oppure a secondo del loro aspetto.
Nel primo caso si hanno:
Scariche tra nube e terra, sono i veri e propri fulmini e sono i più pericolosi perché possono ovviamente colpire l'uomo e causare i maggiori danni. Non sono i più comuni ed il loro meccanismo è stato visto in precedenza.
Scariche interne alle nubi, il meccanismo è simile a quello precedente e provocano quasi unicamente lampi. Sono il tipo più comune.
Scariche aeree, si producono fra due diverse nubi.
Nel secondo caso si hanno:
Fulmini negativi discendenti, la scarica pilota ha carica negativa e parte dall'alto.
Fulmini positivi discendenti, la scarica pilota ha carica positiva e parte dall'alto.
Fulmini negativi ascendenti, la scarica pilota ha carica negativa e parte dal basso.
Fulmini positivi ascendenti, la scarica pilota ha carica positiva e parte dal basso.
Infine, a seconda del loro aspetto e delle loro caratteristiche, i meteorologi distinguono diversi tipi di fulmini, quelli pi ù noti sono i seguenti.
Fulmini a razzo; sono una varietà di fulmine a linea in cui la scarica procedono tanto lentamente da creare l'impressione di un razzo che voli nel cielo (molto raro);
Fulmini globulari; sono i più misteriosi essendo stati osservati sporadicamente ed essendo ancora sconosciute le cause fisiche. Essi si presentano come delle sfere luminose di vario diametro (da 2 cm ai 10 m) e colorate di rosso, arancione, giallo, bianco, e altri colori ancora. La loro durata può essere di diversi minuti. Possono essere statici o in rapido movimento a zig-zag, riuscendo persino a passare attraverso pareti, porte, finestre chiuse senza danneggiarle.
Fulmini a perla (o a collana), che appare suddiviso in segmenti ad intervalli più o meno regolari;
Fulmini superficiali; hanno l'aspetto di lingue di fuoco uscenti dall'orizzonte e sono prodotti da scariche elettriche non direttamente visibili dall'osservatore anche se può udirne il tuono. Possono verificarsi dentro una nube o dietro nubi più vicine, rendendole visibili anche a grandissima distanza. Quando il tuono non è più udibile (oltre i 15 Km) si parla di lampi di calore.
Fuochi di S. Elmo, sono scariche elettriche più o meno continue, di piccola o moderata intensità. Tali scariche provengono da oggetti elevati sulla superficie terrestre (parafulmini, alberi di nave, pennoni, etc) o da aeroplani in volo (eliche, estremità delle ali, etc).

Caratteristiche.
Tra tutti i tipi di fulmini i più conosciuti sono quelli del tipo nube-suolo e proprio di questi ci occuperemo.
Ogni fulmine nube-suolo è in realtà formato da più componenti, che nell’insieme prendono il nome di fulmine. Il fulmine nel suo complesso ha una durata media di 0.2 sec., mentre le singole componenti hanno durata di decine di millisecondi e vengono chiamate colpi. Di solito per ogni fulmine ci sono due o tre colpi, intervallati da pause. Se si osserva ad occhio nudo un fulmine può capitare di vedere l’immagine intermittente; questo significa che si stanno percependo i vari colpi.
Il fulmine inizia a propagarsi quando si crea un canale di carica ancora molto debole e leggermente visibile, che incomincia a svilupparsi verso terra. Questo canale procede per passi successivi, ciascuno dei quali è lungo circa 50 m, con pause di circa 50 msec. Questo canale è chiamato "stepped-leader". Quando lo stepped-leader tocca terra o incontra un canale analogo ascendente, il circuito nube-suolo viene chiuso e si ha passaggio di corrente. La corrente illumina il canale ionizzato fin qui rimasto oscuro generando così la classica striscia luminosa; questa fase è chiamata "return stroke" (colpo di ritorno). La velocità del colpo di ritorno è circa 1/3 della velocità della luce. Durante il passaggio di corrente si ha un brusco cambiamento di temperatura e di densità nel canale ionizzato lasciato dallo stepped-leader. Questo brusco cambiamento origina un’onda di pressione che si propaga e che viene percepita come tuono. Il canale di carica ionizzato ha un diametro di qualche centimetro, mentre la temperatura raggiunge i 30.000 K.
A questo punto il fulmine può esaurirsi, oppure dell’altra carica può passare nel canale preesistente, discendendo verso la terra in un secondo processo oscuro, chiamato dart-leader, depositando altra carica lungo il canale; di nuovo al raggiungimento della terra si avrà passaggio di corrente con un secondo illuminamento, e così via per due o più dart-leader. Solitamente questo processo è più veloce dello stepped-leader e di solito non presenta rami secondari, come invece capita spesso al primo colpo.
La carica totale depositata da un fulmine si aggira sui 5-10 Coulomb.
Un fenomeno spesso concomitante alla discesa dello stepped-leader o alla presenza di una nube temporalesca, è la formazione di canali di carica ionizzata di segno opposto alla parte inferiore della nube, che si propagano verso essa o verso il canale discendente partendo da terra (tipicamente da punte o strutture isolate). Questi canali, chiamati "upward leader" ( canali ascendenti), possono incontrare effettivamente il canale discendente, aiutandolo così a chiudere il percorso, o possono morire dopo poco senza aver originato il fulmine. Caso estremo è quello in cui il canale ascendente è così forte che riesce a raggiungere la nube prima di incontrare un canale discendente. Questo da origine ad un fulmine ascendente.

Parametri principali.
I parametri principali che identificano un singolo colpo di fulmine sono sicuramente:
- l’intensità di corrente
- la polarità
- il tempo di salita alla cresta di corrente
- il tempo di decadimento all’emivalore, ovverosia quanto in fretta la corrente si propaga nel canale
La distribuzione di corrente per fulmini negativi è nota da numerosi esperimenti, e il valor medio di corrente è di 30 kA, con un intervallo che va dai 2 kA ai 200 kA.
Il tempo di salita della corrente per il primo colpo di ritorno è di qualche microsecondo, mentre è meno di un microsecondo per i colpi successivi.
Il tempo all’emivalore per il primo colpo è di circa 50-100 microsecondi.
In generale i colpi positivi presentano tempi più lunghi.

Il tuono.
Lungo lo stretto canale percorso dal fulmine, l'aria si riscalda, quasi istantaneamente, fino a 15.000 °C, determinando un'espansione esplosiva che ad una certa distanza si manifesta con un fragore noto come tuono. Se un fulmine cade ad una distanza relativamente breve, il tuono viene avvertito come un colpo secco; se cade lontano, il lampo è seguito da un rombo sordo e prolungato in quanto le onde sonore vengono rifratte dall'atmosfera e fatte rimbalzare da colline, montagne e altre conformazioni del terreno.
Come si è già detto, la luce del lampo viene percepita istantaneamente, mentre il tuono viene udito dopo un intervallo di tempo più o meno lungo a secondo della distanza del fulmine. Tale distanza è pari a 340 metri moltiplicati per il suddetto intervallo in secondi.

Interferenze elettromagnetiche.
Essendo un fenomeno naturale di origine elettrica, 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.

Studi sui fulmini.
La storia della fisica del fulmine è iniziata verso la meta' del 1700 con i primi esperimenti di Benjamin Franklin e il suo "CERVO VOLANTE ELETTRICO", ed è proseguita fino a noi.
Si sono escogitati vari metodi per studiare il fenomeno del fulmine e molti esperimenti sono stati compiuti sia con fulmini naturali sia con fulmini ricreati in laboratorio o in atmosfera. Gli esperimenti in laboratorio permettono di riprodurre scariche simili al fulmine con parametri controllati per verificarne il comportamento. Gli esperimenti sui fulmini naturali invece si basano sull’utilizzo di torri alte o punte isolate, che sono particolarmente esposte ai fulmini, attrezzate con strumenti di misura, oppure sull’uso di linee elettriche aeree che fungono da antenna e che consentono di misurare in modo indiretto la presenza dei fulmini. Un ulteriore tipo di esperimento in atmosfera utilizza dei razzi lanciati verso le nubi che innescano la scarica di fulmine, guidandola a terra verso gli strumenti di misura.
Un nuovo tipo di studio è iniziato con la creazione dei primi rilevatori di fulmini. Numerose valutazioni, soprattutto sulla densità dei fulmini al suolo e sulle diversità cerauniche tra le varie regioni della terra, sono state possibili grazie ai primi tipi di sensori, che consentivano di captare la presenza del fulmine entro un raggio di qualche decina di chilometri. I modelli più noti sono il CIGRE – 10KHZ e il CIGRE 500 Hz.
Una nuova generazione di sensori è stata sviluppata in America negli anni '80, consentendo di misurare non solo la presenza del fulmine ma anche il punto di impatto e le caratteristiche elettriche. Tali sensori si basano sulla registrazione ad ampio spettro del campo elettromagnetico e su triangolazioni goniometriche, utilizzando le tecniche del Time of Arrival (Tempo di Arrivo) e del Detection Finder (Misura del Campo).
Una terza tipologia di sensori si basa sull’ analisi interferometrica del campo prodotto dal fulmine; anche in questo caso è possibile misurare sia la posizione di impatto che le caratteristiche elettriche del fulmine.
Un tipo differente di misura è possibile analizzando uno spettro in frequenza tipico dei fenomeni elettrici lontani e studiando quindi i fulmini che avvengono a grandi distanze. Questo tipo di misura non consente di dare dettagli significativi e di avere un’alta efficienza nel conteggio dei fulmini, ma permette di localizzare i temporali con grande anticipo, cioè quando questi sono ancora a grande distanza dall'area di interesse. Leader in questo settore è sicuramente il Centro di Bracknell in Gran Bretagna.
La recente tecnologia spaziale ha permesso inoltre l'invio nello spazio di rilevatori satellitari.

I rilevatori di fulmini.
Le nuvole sono i più grandi generatori elettrostatici esistenti in natura. In genere, la parte superiore della nuvola è carica positivamente ed è negativa quella inferiore. In condizioni di temporale, l’aria è ionizzata e il valore del campo elettrico al suolo sale a 0,3-0,4 kV/cm.
I fulmini sono rilevati a terra grazie a strumenti sensibili al campo elettromagnetico prodotto dalla corrente del fulmine.
Il fulminometro aiuta a prevedere l’avvicinarsi di un temporale tramite una serie di sensori a terra in grado di localizzare le scariche elettriche.
I sensori sono antenne elettromagnetiche che localizzano e rilevano sia l’attività elettrica all’interno della nube (intra-cloud) sia le scariche elettriche che si sviluppano dalle nubi al suolo (cloud-to-ground).
Le stazioni di rilevamento dell’attività elettrica sono costituite da sensori ad altissima frequenza VHF (Very High Frequency, 110 - 118 MHz) che funzionano sul principio dell’interferometro.
La tecnica interferometrica si basa sulla misura delle differenze di fase di onde elettromagnetiche ricevute da un sistema di varie antenne. Tali differenze di fase dipendono principalmente dalla direzione di provenienza dell’onda. In questo modo si riesce a determinare la direzione di provenienza delle scariche elettriche.
Questa tecnica ha il vantaggio di essere indipendente dalla forma dell’onda del segnale perché l’unica grandezza misurata è la fase della radiazione elettromagnetica ricevuta.
Questi tipi di sensori sono quasi sempre affiancati da altri a bassa frequenza LF (Low Frequency, 300 Hz - 3 MHz), che localizzano e rilevano le scariche a terra.

Bersagli di un fulmine.
Un fulmine segue generalmente il percorso di minor resistenza elettrica tra la nuvola e il suolo, che non corrisponde tuttavia al percorso più breve dal punto di vista geometrico. Ogni cosa che si sopraeleva sul suolo, come alberi, camini, edifici alti, cime di monti e persino un individuo a piedi, accorciano quindi il percorso e possono diventare il bersaglio del fulmine: più l'oggetto è alto, più è vulnerabile.
La scarica elettrica di un fulmine può anche trasmettersi attraverso corpi conduttori di elettricità, come tubi metallici, fili spinati, mazze da golf, grondaie e corsi d'acqua.
Secondo un'antica credenza, un fulmine non può colpire due volte lo stesso punto; l'esperienza insegna che ciò non è vero, ad esempio, nel corso di un anno, l'Empire State Building è stato colpito 48 volte, e la cima di una montagna svizzera ben 100 volte!

Effetti e danni provocati.
La caduta di un fulmine può provocare sulle strutture colpite diversi effetti e precisamente:
Termici. L'energia sviluppata da un fulmine ha la capacità di fondere materiali metallici, provocare l'incendio di materiali combustibili o infiammabili, etc. L'altissima temperatura può sgretolare un albero, facendo evaporare la linfa e, a volte, riesce a fondere la sabbia, trasformandola in schegge di vetro.
Meccanici. Le forti correnti elettriche indotte nelle strutture metalliche colpite causano forze attrattive, di natura elettrodinamica, tali da produrre deformazioni o rotture. Nel caso di linee elettriche, le forze attrattive possono produrre schiacciamento di cavi o contatti fra conduttori con conseguenti cortocircuiti.
Chimici. Le forti scariche causano la formazione di ozono e di composti nitrici dovuti all'ossidazione dell'azoto. In quest'ultimo caso è come se nel suolo fossero iniettate gigantesche quantità di materie azotate.
Elettromagnetici. Le scariche sono accompagnate da forti emissioni di onde elettromagnetiche che producono disturbi nelle trasmissioni radio, in particolare nel campo delle onde lunghe e medie. Le sovratensioni indotte nelle linee elettriche e telefoniche possono causare danneggiamenti nelle apparecchiature collegate, in particolare di quelle elettroniche.
Gli effetti su una persona colpita da un fulmine sono generalmente letali, a causa dell'arresto cardiaco e respiratorio, come in qualsiasi altro caso di folgorazione. Nei casi più gravi si possono avere carbonizzazione dei tessuti dove la corrente entra ed esce dal corpo. Tuttavia sono molti i casi di persone rimaste indenni o salvate in seguito ad un pronto intervento mediante massaggio cardiaco e respirazione bocca a bocca.

Danni da fulmine.
I fulmini sono studiati in tutto il mondo, oltre che per il loro fascino scientifico, anche per i notevoli danni che apportano in vari settori. Gli effetti del fulmine sulle strutture si possono dividere in effetti elettrici ed effetti meccanici, a seconda che influisca prevalentemente l’aspetto di induzione o di impatto sulla struttura.
Il fulmine può creare molti problemi all’esercizio delle reti elettriche di alta media e bassa tensione, in quanto le linee aeree sono solitamente delle strutture alte ed isolate. Questo fa si che il fulmine possa facilmente decidere di colpire direttamente uno dei pali od uno dei conduttori, creando rotture meccaniche o rotture degli isolatori. D'altro canto, anche se non colpisce direttamente la linea, il fulmine crea una sovratensione indotta sui conduttori che, soprattutto in media tensione può dare scarica dell’isolamento o intervento delle protezioni con momentanei disservizi.
D’altro canto tutti gli apparecchi elettronici risentono di eventuali sbalzi di tensione, e quindi sono facilmente danneggiabili se un fulmine cade nelle vicinanze, sia per induzione diretta che per sovratensione propagata.
A rischio di impatto diretto sono anche tutte le torri televisive, i ripetitori e le antenne telefoniche, che devono quindi premunirsi in modo opportuno.
I fulmini creano inoltre numerosi danni agli edifici, sia per impatto diretto che per induzione e di conseguenza la protezione degli edifici dal fulmine deve sempre essere effettuata, secondo la Normativa vigente.
Infine corrono pericoli da fulmine anche i satelliti e le missioni spaziali in fase di lancio.
A quelli che possiamo definire danni ad apparati e costruzioni si aggiungono i danni biologici alle persone, che possono essere molto gravi o addirittura letali. Per evitare questo genere di incidenti esistono delle regole di comportamento da rispettare e diffondere.