Come si formano i fulmini durante un temporale

La fisica dell'atmosfera riserva pochi fenomeni tanto spettacolari quanto mal compresi quanto quello dei fulmini: scariche elettriche di intensità straordinaria, capaci di percorrere distanze di decine di chilometri in una frazione di secondo, eppure generate da processi microscopici che avvengono all'interno di nubi temporalesche la cui struttura interna è rimasta in parte opaca alla scienza fino a tempi relativamente recenti. Capire come si formano i fulmini significa addentrarsi in una catena causale che parte dalla termodinamica dell'aria umida, attraversa la microfisica delle particelle di ghiaccio e acqua in sospensione, e arriva alla rottura dielettrica dell'aria secca, un evento che si produce in condizioni di campo elettrico sufficientemente intenso da strappare elettroni alle molecole di azoto e ossigeno.

Il quadro complessivo è quello di un sistema fuori equilibrio che accumula energia potenziale elettrica per poi liberarla in modo impulsivo; il temporale, in questo senso, funziona come un generatore naturale di corrente, con la nube cumulonembo che svolge il ruolo di una macchina elettrostatica alimentata dal moto convettivo dell'aria. La comprensione di questo meccanismo ha radici nel lavoro sperimentale di Benjamin Franklin, ma si è approfondita in modo sostanziale con le misurazioni dirette a bordo di aeromobili strumentati, con le reti di rilevamento a terra e, dagli anni Novanta in poi, con le osservazioni da satellite dei lampi nelle alte quote atmosferiche — i cosiddetti transient luminous events, tra cui sprite e jets blu, che hanno rivelato dimensioni del fenomeno ancora non completamente cartografate.

Quello che segue è un'analisi dei meccanismi fondamentali attraverso cui si formano i fulmini, dalla nascita della separazione di carica nella nube fino alla propagazione del canale di scarica verso il suolo, con alcune considerazioni sui modelli fisici oggi più accreditati e sulle questioni ancora aperte nella ricerca sul fulmine.

Struttura elettrica della nube cumulonembo

Una nube temporalesca matura presenta una struttura verticale che può estendersi da poche centinaia di metri sul livello del mare fino a quote superiori ai 15 chilometri nelle latitudini tropicali, con temperature interne che variano da valori prossimi allo zero nei livelli medi fino a temperature inferiori a −50 °C negli strati sommitali; questa stratificazione verticale di temperatura e pressione è la condizione necessaria, sebbene non sufficiente, per la formazione di un dipolo di carica elettrica all'interno della nube. La distribuzione di carica convenzionalmente accettata prevede una zona di carica positiva nella parte alta della nube, una zona di carica negativa principale nella parte centrale — approssimativamente tra i −10 °C e i −25 °C di temperatura — e una regione di carica positiva secondaria, più debole, nella parte bassa, in prossimità della base della nube. Questa struttura tripoleare, rilevata mediante palloni sonda e misurazioni dirette di campo elettrico, è alla base della maggior parte dei fulmini che si scaricano tra nube e suolo, ma giustifica anche la larghissima quota di scariche intracloud, che nella maggior parte delle situazioni climatiche superano in numero quelle cloud-to-ground in un rapporto compreso tra 2:1 e 5:1.

Meccanismi di separazione della carica elettrica

Il problema della separazione di carica è stato storicamente uno dei più controversi della fisica atmosferica, con almeno tre famiglie di meccanismi proposte nel corso del Novecento e valutate con risultati spesso contraddittori a seconda delle condizioni meteorologiche analizzate. Il meccanismo oggi più sostenuto dalla comunità scientifica — detto meccanismo convettivo-graupel, o più precisamente meccanismo di trasferimento di carica per collisione tra particelle — si basa sull'interazione tra cristalli di ghiaccio leggeri e particelle di graupel, ovvero granuli di ghiaccio più grandi e densi formatisi per congelamento di gocce superraffreddare attorno a nuclei di condensazione. Quando un cristallo di ghiaccio urta un granulo di graupel in presenza di gocce d'acqua liquida superraffreddara — condizione che si verifica nella zona mista della nube, tra i −10 °C e i −25 °C — il granulo acquisisce carica negativa e il cristallo carica positiva; poiché i cristalli di ghiaccio sono più leggeri, vengono trasportati verso l'alto dalle correnti ascensionali, accumulando carica positiva nelle zone sommitali, mentre il graupel, più pesante, precipita o rimane nelle zone medie, creando la regione di carica negativa principale. La validità di questo meccanismo è stata confermata da misurazioni in laboratorio e da dati raccolti in volo all'interno di nubi temporalesche attive, anche se la dipendenza dalla temperatura e dal contenuto di acqua liquida rende difficile una formulazione universale applicabile a tutte le tipologie di temporale.

Propagazione del canale di scarica: il leader e il return stroke

Una volta che il campo elettrico all'interno della nube supera la soglia di rottura dielettrica dell'aria umida — un valore che si attesta intorno ai 100–200 kV/m nelle condizioni tipiche, significativamente inferiore ai 3.000 kV/m dell'aria secca in condizioni standard a causa della presenza di idrometeore che favoriscono la ionizzazione locale — si innesca il processo che porta alla scarica vera e propria, articolato in fasi distinte e temporalmente ben separate. La prima fase è la formazione del leader a scalini (stepped leader): un canale ionizzato che si propaga verso il basso in modo discontinuo, avanzando di circa 50 metri per volta con pause di circa 50 microsecondi tra un passo e l'altro, visibile solo con apparecchiature ad alta velocità di acquisizione e invisibile a occhio nudo. Il leader trasporta verso il basso la carica negativa dalla zona di accumulo principale della nube, lasciando dietro di sé un canale conduttivo di plasma che rimane sufficientemente ionizzato da permettere il passaggio della corrente principale; quando il leader si avvicina al suolo — tipicamente entro un centinaio di metri — si verificano le scariche di connessione ascendenti (upward connecting leaders), che si dipartono dagli oggetti elevati o da particolari conformazioni del terreno in risposta all'intensificazione locale del campo elettrico. L'incontro tra il leader discendente e uno dei leader ascendenti definisce il percorso definitivo del fulmine e innesca il return stroke: una scarica di ritorno che risale il canale ionizzato a velocità compresa tra un terzo e metà della velocità della luce, con correnti di picco che possono raggiungere i 200–300 kA nelle scariche più intense, sebbene il valore mediano si collochi intorno ai 30 kA; è questa scarica di ritorno a produrre la luce intensa visibile come fulmine e l'onda di pressione acustica percepita come tuono.

Variabili atmosferiche che influenzano la frequenza dei fulmini

La frequenza con cui si formano i fulmini in un dato temporale dipende da una combinazione di fattori termodinamici e microfisici che non agiscono in modo indipendente: l'energia potenziale convettiva disponibile (CAPE), il profilo verticale del vento e del vapor d'acqua, la concentrazione e la natura chimica dei nuclei di condensazione e di ghiaccio, la quota dello zero termico e la profondità dello strato a temperatura mista sono tutte variabili che intervengono nel determinare sia la frequenza delle scariche sia la loro distribuzione spaziale. I temporali che si sviluppano in ambienti con elevato contenuto di aerosol — aree urbane, regioni a valle di incendi boschivi, zone industriali — mostrano spesso una densità di fulmini superiore rispetto a temporali marittimi con caratteristiche termodinamiche simili: l'abbondanza di nuclei di condensazione tende a produrre nubi con un maggior numero di gocce più piccole, che rimangono liquide a temperature più basse e aumentano la probabilità di collisioni nella zona mista, rendendo più efficiente il meccanismo di separazione di carica. Le proiezioni climatiche più recenti, basate su modelli di circolazione globale con risoluzione progressivamente maggiore, indicano una tendenza all'aumento della frequenza dei fulmini alle medie latitudini associata all'incremento della temperatura superficiale, con stime che variano considerevolmente a seconda del modello e della regione geografica considerata; la relazione empirica proposta da Williams nel 1992 — secondo cui un aumento di 1 °C della temperatura superficiale corrisponde a un incremento del 10% circa nella frequenza dei fulmini — rimane un riferimento di larga massima, ma è stata più volte riveduta alla luce di dati osservativi più recenti.

Questioni aperte nella ricerca sul fulmine

Nonostante decenni di ricerca sperimentale e teorica, la fisica del fulmine presenta ancora aree di incertezza significativa, alcune delle quali riguardano aspetti fondamentali del processo di innesco piuttosto che dettagli secondari: la questione di come si avvii il primo canale di scarica all'interno della nube — cioè come il campo elettrico locale raggiunga valori sufficienti per la rottura dielettrica in un ambiente dove i valori medi misurati sembrano sistematicamente inferiori alla soglia teorica attesa — rimane priva di una risposta definitiva e ha dato origine a diverse ipotesi, tra cui il ruolo dei raggi cosmici nel fornire la ionizzazione iniziale necessaria per innescare il processo. L'ipotesi del runway breakdown, proposta da Gurevich e collaboratori negli anni Novanta, suggerisce che elettroni relativistici generati da raggi cosmici possano essere accelerati dal campo elettrico della nube fino a energie sufficienti da innescare valanghe di ionizzazione a campi elettrici inferiori alla soglia classica di rottura dielettrica; questa ipotesi ha ricevuto supporto indiretto dalla rilevazione di emissioni di raggi gamma da parte di temporali attivi — i cosiddetti terrestrial gamma-ray flashes, osservati per la prima volta dal satellite CGRO nel 1994 e successivamente studiati da FERMI e da esperimenti a terra — sebbene il legame causale tra il processo proposto e la formazione effettiva dei fulmini sia ancora oggetto di dibattito. La ricerca sul fulmine, in questo senso, si trova in una fase in cui gli strumenti osservativi hanno superato per capacità le teorie disponibili, con reti di rilevamento a banda larga, interferometri VHF tridimensionali e sensori a bordo di satelliti meteorologici che producono dati la cui interpretazione richiede modelli fisici ancora in costruzione.