Come funzionano i rilevatori di fulmini?

Come proteggersi dai fulmini? Un po' di scienza dei fulmini...

Da sempre il fulmine ha rappresentato, nell'immaginazione dell'uomo, il divino, data la sua imprevedibilità ed il suo effetto letale; tuttavia il fulmine è un fenomeno fisico che solo di recente è stato oggetto di studio scientifico. A causa dei numerosi danni che provoca è tutt'ora al centro del dibattito tecnico e scientifico e molti aspetti di questo fenomeno non sono ancora chiariti, nonostante i numerosi esperimenti e i sistemi di rilevamento messi a punto per captare o registrare le scariche atmosferiche.

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 fulmine. 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.

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.

Fulmini naturali
I fulmini sono delle scariche elettriche transitorie con alta intensità di corrente. Il fulmine avviene nell’atmosfera e si presenta ai nostri occhi come una traccia luminosa. Questo accade quando in una regione dell’atmosfera si raggiunge una differenza di potenziale sufficiente perchè il campo elettrico associato possa causare la rottura del dielettrico (aria).

Per poter dare origine ad una differenza di potenziale è necessario che in due regioni diverse e relativamente vicine dell’atmosfera, o tra una regione dell’atmosfera e la crosta terrestre, si creino degli accumuli di cariche opposte. Il processo di formazione delle cariche in grado di generare tali accumuli è il meccanismo convettivo all’interno di un temporale o di una turbolenza atmosferica. Una volta create le aree con carica opposta, se la differenza di potenziale tra di esse è sufficiente a creare una scarica, come tra poli opposti di una batteria, avverrà il passaggio di corrente e il conseguente illuminamento del percorso di carica.

La situazione propizia più classica per la produzione di fulmini è data dal temporale, costituito da nuvole dette cumulonembi.

In realtà i fulmini possono verificarsi anche in altre condizioni atmosferiche, come le tempeste di sabbia, le bufere di neve o le nuvole di polvere vulcanica.

Si sono infine verificati casi in cui avviene produzione di fulmini con cielo sereno, o con cielo coperto ma senza precipitazione in atto.

Si possono avere vari tipi di scarica di fulmine. Ogni fulmine può quindi essere identificato fornendo la tipologia che gli compete, oltre ad alcuni parametri principali come l’intensità di corrente o la polarità di carica.

Ciascun tipo di fulmine attiene ad un processo fisico di formazione con caratteristiche proprie.

Nuvole
I temporali e le nubi temporalesche si formano quando l’atmosfera contiene aria fredda nella regione superiore e aria calda e umida negli strati inferiori. In questo caso l’aria calda tende a salire velocemente in flussi verticali formando le nubi, mentre l’aria fredda scende.

Le nubi temporalesche possono avere dimensioni diverse, da nubi di estensione verticale di qualche chilometro ai temporali giganti con nubi di estensione fino a 20 km.

L’altezza media rispetto al suolo di una nuvola temporalesca è di circa 8-10 km, anche se queste misure sono molto legate alla zona geografica di formazione.

In Italia si presentano tipicamente due tipi di temporali, quelli con fronti estesi provenienti dall’Europa occidentale e quelli localizzati, generati da convezione sul territorio.

All’interno di un temporale vi sono correnti d'aria, dovute ai gradienti termici, e particelle d’acqua e ghiaccio. Dall’interazione di questi elementi si ha la formazione di cariche separate che si dispongono in regioni opposte della nube.

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.

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.

Effetti biologici
Le principali informazioni sono riportate qui senza alcuna pretesa di completezza, ma solo con l'unico scopo di sottolineare la gravità del pericolo che il fulmine può rappresentare.
Si suggerisce, a chi volesse maggiori informazioni o a chi avesse subito danni da fulminazione, di contattare il proprio medico di fiducia o un centro medico specializzato.
Il corpo umano può essere soggetto a fulminazione diretta, sia principale che secondaria, o a fulminazione indiretta per corrente di ritorno nel terreno.
Gli effetti della fulminazione diretta sono ovviamente i più gravi, e possono portare, a volte, fino alla morte.
Sono stati effettuati molti studi, sia su cavie che sugli incidenti occorsi a persone.

Ecco alcuni esempio di danni derivanti da fulmine:
Una corrente che passa attraverso i centri nervoso-respiratori da, solitamente, luogo ad un arresto respiratorio, con conseguente asfissia e, se non trattato immediatamente, a morte cerebrale.
Una corrente che passa attraverso il cuore può produrre fibrillazione ventricolare o arresto cardiaco.
Anche in questo caso se non si interviene tempestivamente si ha la morte.

Danni minori dovuti al passaggio di corrente nel corpo umano sono:

• perdita di conoscenza

• amnesia

• paralisi

• bruciature.

La perdita di conoscenza può durare da qualche minuto a qualche ora e si possono avere perdite di conoscenza anche successive.
La perdita di memoria solitamente non dura più di qualche ora.

Le bruciature di solito si trovano in concomitanza del punto d’entrata e di uscita del fulmine, oltre che in corrispondenza di oggetti metallici come catenine, chiavi o borchie dei vestiti e delle scarpe. Gli oggetti metallici infatti si fondono al passaggio di corrente sprigionando notevole calore. L’intenso calore in vicinanza della testa può causare anche danni cerebrali.

La luce intensa del fulmine può provocare danni alla vista e l’onda di pressione elevata può creare danni all’udito.

Regole di comportamento
Per evitare possibili incidenti, in caso di temporale bisogna sempre ricordarsi alcune semplici nozioni, che aiuteranno a decidere come meglio comportarsi:
Ogni oggetto con un’elevazione predominante rispetto all’area circostante ha una maggior probabilità di essere colpito dal fulmine (un albero, una torre, un traliccio).

La corrente del fulmine dopo aver colpito il suo bersaglio si disperde nel terreno, quindi se si è in vicinanza della struttura colpita e si è a contatto col suolo si può venire in contatto con la corrente di dispersione e subire dei danni.

Il fulmine può raggiungere anche l’interno degli edifici se questi sono collegati a strutture esterne (come l’antenna televisiva), percorrendo i cavi elettrici o altre strutture metalliche.

Un luogo chiuso, soprattutto se metallico, come le automobili, o in cemento armato, come le case, è una "gabbia" sicura, purché non ci siano possibilità di condurre il fulmine dall’esterno all’interno (vedi punto precedente).

In casa
In una casa esistono dei conduttori che possono portare la corrente di fulmine dall'esterno all'interno, principalmente l'antenna televisiva, i cavi telefonici, l'impianto elettrico e quello idraulico.

Tenendo ben presente questo, in caso di temporale si dovrà quindi: Spegnere il televisore, staccare la spina e l'antenna.

• Evitare di venire a contatto con rubinetti o tubi dell'acqua ed evitare di fare la doccia o il bagno.

• Non utilizzare apparecchi elettrici come il phon o il ferro da stiro e soprattutto eseguire riparazioni elettriche a contatto e/o direttamente sull'impianto.

• Non utilizzare il telefono se non in caso di urgenza.

In automobile
L’automobile in caso di temporale può essere considerata un buon rifugio. Essa infatti è una gabbia metallica, che condurrà a terra la corrente tramite le gomme bagnate. Inoltre la poca distanza dalla macchina a terra è sufficiente ad innescare un arco elettrico, ricreando una messa a terra sicura.

Tuttavia, per ripararsi nell’auto ricordarsi di:

• Chiudere finestrini e porte o portelli.

• Non toccare parti metalliche o l’autoradio.

In caso la macchina non sia metallica essa non deve essere considerata in ogni caso sicura.

In montagna
La montagna, essendo ad elevate altitudini, è un luogo molto esposto ai fulmini. In aggiunta alcuni percorsi di montagna sono attrezzati con funi o scale metalliche che possono "attirare" il fulmine.

Quindi, prima di fare una gita, informarsi sempre sulle condizioni meteorologiche.
Se si è sorpresi da un temporale già sul percorso, cercare di scendere di quota o di trovare un rifugio chiuso (non sotto alberi o punte!).
Se si rimane all’aperto restare in un luogo lontano da punte o alberi e assumere una posizione accucciata.
Evitare assolutamente le parti "ferrate" del percorso.

Al mare
Ricordiamo in questo caso che l’acqua è un buon conduttore, quindi nel caso che il fulmine colpisca la superficie dell’acqua, la corrente si disperderà attraverso l’acqua, investendo eventuali bagnanti. Inoltre la spiaggia è un luogo aperto e piano, in cui anche un uomo in piedi può fungere da “punta”.

Quindi:

• Non rimanere in acqua durante un temporale.

• Se possibile non rimanere in spiaggia ma ripararsi in un luogo chiuso, oppure rimanere seduti o accucciati.

Nel parco
Se ci troviamo in un parco dobbiamo:

• Allontanarci dagli alberi il più possibile.

• Trovare riparo in un luogo chiuso.

Se non si può trovare riparo, restare accucciati in un area lontana da punte.
Se si è in bicicletta scendere di sella e allontanarsi dalla bici (se metallica).

In campeggio
Valgono come sempre le regole di restare lontani da condutture e impianti elettrici.

Inoltre:

• Restare in un luogo chiuso come la roulotte che funge da gabbia come l’automobile.

• Uscire dalla tenda e trovare un rifugio chiuso.

• Se si deve restare in tenda accucciarsi e restare distanti dai pali metallici.

• Evitare giochi con aquiloni o simili.

• Evitare di pescare con canna da pesca.

In barca
Ricordarsi che un temporale in barca può essere pericoloso, non solo per la navigazione, ma anche per i fulmini e quindi seguire queste poche e semplici regole:

• Se si è in vicinanza di un porto andare all’ormeggio.

• Se la costa ha pareti elevate ed è possibile, meglio navigare sottocosta.

• Se siete in barca a vela l’albero è esposto ai fulmini quindi sistematevi lontano dallo stesso e lontano da elementi metallici. Il timoniere purtroppo non può.

• Se è tecnicamente possibile si può buttare l’ancora facendola passare attorno all’albero. L’eventuale corrente si scaricherà attraverso l’ancora in mare.

• Se il temporale non si allontana, riprendere la navigazione e cercare di portarsi velocemente in un’altra zona, potrebbe infatti essere un temporale circoscritto.

In una barca a vela sarebbe necessario che tutte le strutture metalliche fossero ben connesse fra loro e con il bulbo, mediante cavi elettrici, in modo che il fulmine abbia sempre un percorso verso l’acqua.