Tutto quello che c'è da sapere sui fulmini

"Come un fulmine a ciel sereno”, “L’amore è come un fulmine, non si sa dove cade finché è caduto”, “Il fulmine s’illumina la strada da solo”, “La verità deve cadere come un fulmine, altrimenti non ha alcuna efficacia”, “L’elettricità è solo un fulmine organizzato”.

Detti e citazioni letterarie sui fulmini si sprecano. D’altronde il fulmine, o saetta o folgore, è uno dei fenomeni meteorologici più immediati e impressionanti che l’uomo conosca e, fin dall’antichità, ha affascinato e terrorizzato intere schiere di pensatori e scienziati ma anche persone comuni. In questo secondo contributo di #lameteospiegata cercheremo di capire meglio questo spettacolo naturale. Lo facciamo insieme al meteorologo di MeteoSvizzera Luca Nisi e all’ingegnere forestale dell’Istituto federale di ricerca per la foresta, la neve e il paesaggio (WSL) Marco Conedera.

In parole povere è una scarica elettrica transitoria molto breve nel tempo con alta intensità di corrente, che si verifica in atmosfera, con luce (lampo) e suono (tuono). “È uno dei fenomeni atmosferici più fotografati, – spiega il meteorologo Luca Nisi – è qualcosa di velocissimo, molto nervoso ma soprattutto imprevedibile. La luce è resa visibile grazie alla ionizzazione temporanea dell’aria nel canale dove si sviluppa il fulmine”.

“Il fulmine è una scarica elettrica. Nella vita quotidiana siamo circondati da scariche elettriche più o meno potenti. Pensiamo alla corrente elettrostatica. Basta strofinare un maglione e una coperta, meglio se bianca, in un locale buio: ecco che all’improvviso si vedono una miriade di “fulmini” in miniatura. Ovviamente cambiano le intensità coinvolte, ma alla base sta lo stesso principio: alcune particelle rubano gli elettroni ad altre” dice ancora Nisi. Tornando ai fulmini veri e propri: la parte sonora, il tuono, è data dalla repentina dilatazione dell'aria a causa del forte riscaldamento, che causa un'onda sonora.

La corrente elettrica all’interno di un fulmine può raggiungere valori tra i 2'000 e i 200'000 kiloampere (kA). Al suo interno la temperatura può raggiungere i 50'000 gradi dove si forma una colonna di plasma con un diametro stimato di 2-4 cm. La differenza di potenziale per generare fulmini che dalle nubi colpiscono il terreno è enorme: può andare da 1 miliardo a 10 miliardi di volt. “Sono delle differenze veramente impressionanti che anche l'uomo farebbe molta fatica a creare artificialmente: solo la natura è in grado di farlo in modo semplice”.

Il lampo viaggia a una velocità di circa 300'000 chilometri al secondo (la velocità della luce), mentre il suono a circa 1’200 chilometri all’ora. Un rapporto che permette a tutti un facile calcolo che molti si ricorderanno dai racconti infantili: “Molto facilmente si può calcolare la distanza a cui è caduto il fulmine: ogni intervallo di tre secondi che trascorre prima dell’arrivo del suono equivale a un chilometro di distanza”.

In meteorologia i fulmini si formano all'interno di uno specifico tipo di nubi che sono i cumulonembi, ovvero le nuvole temporalesche. Al loro interno è necessario avere due tipi di cristalli di ghiaccio e anche delle correnti ascensionali molto forti. “Queste condizioni particolarmente caotiche e turbolente fanno sì che i piccoli granelli di ghiaccio si scontrano con delle particelle di ghiaccio più grandi, chiamate gragnuola, e alle quali si sfregano. Ogni volta che succede una di queste collisioni il chicco di gragnuola concretamente ‘ruba’ un elettrone alla particella di ghiaccio. Quindi cosa succede? L'elettrone, che ha una carica negativa, rende il chicco di gragnuola carico negativamente, mentre i piccolissimi cristalli di ghiaccio si caricano positivamente. I cristallini di ghiaccio sono molto leggeri e con le correnti ascensionali vengono sospinti verso la sommità del temporale, a una quota di otto-dieci-dodici chilometri a dipendenza dell'intensità del temporale, mentre i chicchi di gragnuola caricati negativamente vanno verso il basso, alla base del cumulonembo, che di solito si trova tra 1500 e i 2800 metri di quota. La base si carica quindi negativamente e la sommità positivamente, creando una differenza di potenziale all'interno della nube”.

I fulmini all’interno della nube sono pertanto i primi a verificarsi e solo in seguito, considerato che la base del cumulonembo caricata negativamente attira cariche positive sul terreno, si forma una differenza di potenziale anche con il terreno e diventano possibili le scariche anche tra nube e terra.

“Quello spiegato è il fenomeno induttivo, che è la teoria più accreditata dalla comunità scientifica per descrivere i fulmini, ma va anche detto che è molto difficile osservare e studiare questo processo fisico e di conseguenza ci sono anche altre teorie che tentano di spiegare la separazione delle cariche all’interno di una nube temporalesca”.

La base di tutto il processo resta comunque la collisione tra particelle ghiacciate all’interno di una nube, una situazione che può però in certi casi verificarsi anche in altri ambiti. “Pensiamo a un altro tipo di nube imponente, ad esempio di origine vulcanica, dove a scontrarsi non sono delle particelle ghiacciate ma di cenere: anche in quel caso le particelle si ‘rubano’ degli elettroni e all’interno di questa nube di fumi vulcanici si crea una differenza di potenziale che genera dei fulmini. Situazioni analoghe sono state osservate anche durante imponenti tempeste di sabbia nel deserto, dove a ‘rubarsi’ gli elettroni sono le particelle di sabbia sospese dal vento” aggiunge ancora Luca Nisi.

I fulmini più facilmente osservabili sono quelli tra le nubi e il suolo. “All’occhio dell'osservatore comune di per sé c’è un solo tipo di fulmine, però in realtà possiamo distinguere diverse categorie. I più numerosi sono quelli che si sviluppano all'interno della stessa nube, tra due cumulonembi o tra le nubi e l’aria. Sono dei fulmini che rimangono in atmosfera e chi si trova sulla Terra non se ne deve preoccupare perché non hanno conseguenze. Rappresentano ben l’80% di tutti i fulmini che si sviluppano in un anno ma anche durante un singolo temporale” spiega Nisi.

Ci sono poi i fulmini più potenti e rari e che ci danno qualche grattacapo, quelli tra nubi e terra, che si suddividono a loro volta in sottocategorie:

• negativo discendente, la scarica pilota ha carica negativa e parte dall'alto

• positivo discendente, la scarica pilota ha carica positiva e parte dall'alto

• negativo ascendente, la scarica pilota ha carica negativa e parte dal basso

• positivo ascendente, la scarica pilota ha carica positiva e parte dal basso

“I fulmini quindi non sempre partono dalla nube e toccano il terreno: ci sono anche quelli che partono dal terreno e vanno a ‘scaricarsi’ nel cumulonembo. Sono molto particolari e altrettanto rari. Se prima dicevamo che solo il 20% dei fulmini riguarda l’interazione nube-terreno, all’interno di questo 20%, il 95% sono fulmini che cadono dalla base del temporale, mentre solo il 5% dei fulmini riguarda quelli che partono dalla sommità della nube (e che possono arrivare a terra anche a grandi distanze) o quelli che da terra raggiungono la nuvola”.

In generale circa il 90% dei fulmini nube-terra o terra-nube scaricano la loro elettricità in un raggio di 8 chilometri dalla cellula temporalesca, mentre il 9% può arrivare fino a 16 chilometri. Nell’1% dei casi restanti è possibile una caduta oltre i 16 chilometri. “Una situazione che da noi, vista l’orografia montuosa, è pressoché impossibile”.

Negli ultimi anni si è spesso sentito parlare di fulmini globulari, un fenomeno ancora molto discusso nella comunità scientifica. “A supporto ci sono numerose testimonianze, anche se di immagini ne sono disponibili ben poche. Tutti gli anni ci sono però dei racconti, ne abbiamo conosciuti anche a MeteoSvizzera provenienti dal Ticino. Si tratta di ‘sfere’ di energia che, secondo le testimonianze, durante un temporale si sono anche addentrate all'interno di locali per poi, dopo un istante, uscire nuovamente. Si tratta di fenomeni quasi magici in merito a cui, al di là delle testimonianze, la comunità scientifica è ancora piuttosto critica e su cui gravano ancora molti punti di domanda, soprattutto se siano veramente possibili o no”.

Considerando tutto il mondo, la zona dove cadono più fulmini è quella intorno all'equatore, a causa della presenza della convergenza tropicale: convergenze vento e umidità nei bassi strati che causano il continuo sviluppo di temporali, anche intensi. “Sono le aree in cui tra l'altro troviamo una foresta pluviale e quindi la disponibilità di umidità è veramente elevata. Abbiamo l'America centrale, l'Africa centrale e parte dell'Oceania. Però tra queste tre zone, quella dove cadono in assoluto più fulmini è proprio il cuore dell'Africa. Qui troviamo anche un famoso lago molto grande, il Lago Vittoria, dove in passato ci sono stati molti pescatori morti a causa dei fulmini” spiega Luca Nisi.

Spostandosi alle medie latitudini, quindi anche sulle nostre regioni, si verificano temporali e fulmini ovunque, ma specialmente dove è presente un'orografia complessa (montagne) e vi è disponibilità di umidità. “Per registrare una frequenza elevata di fulmini dobbiamo avere sì delle montagne, ma non troppo alte. Pensando alla regione alpina i punti più ‘caldi’ li troviamo nelle Prealpi” precisa Nisi. Serve però anche umidità per poter sviluppare il temporale, e questo significa che una distesa di acqua importante, come un mare o un oceano, non deve essere molto lontana. Su scala più grande sono quindi comprese anche parti degli Stati Uniti e in Europa spiccano appunto le Alpi ma anche gli Appennini. Zone simili si possono poi trovare anche in alcune zone della Cina meridionale.

Rimpicciolendo ulteriormente la scala arriviamo in Svizzera: a nord delle Alpi le zone più tipiche corrispondono a quelle in cui i temporali sono più violenti, come l’Entlebuch, nei pressi di Lucerna, e su fino all’Emmental, toccando quindi il Canton Berna e poi la catena del Giura. “Chiaramente il terzo hot spot per i fulmini è il Ticino e al suo interno, concentrandoci dunque sulla scala più piccola, troviamo forti differenze tra Sopra e Sottoceneri, con quest’ultimo a fare la parte del leone: la regione di Lugano e il Malcantone sono infatti le zone in Svizzera in cui i fulmini sono più frequenti. Per dare un'idea, in quest’area in media possono cadere 4-5 fulmini del tipo nube-terra o terra-nube per chilometro quadrato ogni anno, che è veramente una frequenza molto alta”.

Negli ultimi anni nuovi strumenti (principalmente antenne, in Svizzera affidate a una ditta specializzata, misurazioni satellitari e telecamere ad altissima frequenza) hanno permesso di misurare meglio e più precisamente i fulmini. E le misurazioni particolari non mancano: “Nel 2020 negli Stati Uniti, il 29 aprile, è stato misurato un singolo fulmine che ha coperto una distanza di 768 chilometri, che corrisponde più o meno a quella tra Milano e Napoli: una distanza enorme, anche se si è trattato di un fulmine che non ha toccato terra ed è rimasto in atmosfera”.

L’altro “record” riguarda invece la durata: sempre nel 2020, il 18 giugno, nell’Argentina del nord è stato misurato un singolo fulmine che è durato 17 secondi. “Potete ben immaginare la quantità di elettricità e l'energia che sono state scaricate sul terreno” sottolinea Nisi.

Un dato di fatto: con l'aumento della temperatura c'è più umidità in gioco nell'atmosfera e quindi maggiore energia. Per questo è facilmente pensabile che aumenti anche il numero dei temporali. Ma c’è un “ma”: “Il temporale dipende anche molto dalla struttura dell’atmosfera e soprattutto dall’andamento della temperatura alzandosi di quota. L’abbiamo appena vissuto: durante la recente intensa ondata di caldo che fatica a creare un temporale! Troppo caldo anche in quota, troppo secco sotto; situazione non propensa per lo sviluppo di temporali. Quindi non c’è una risposta semplice e diretta, perché anche in futuro bisognerà capire certamente come si riscalderà e quanta umidità ci sarà nell'atmosfera, però bisognerà anche considerare come la temperatura sarà distribuita in verticale, se il suolo si riscalderà maggiormente rispetto alle alte quote. Sono tutte variabili che vanno poi a determinare l’eventuale aumento o la diminuzione della frequenza dei temporali. Questo tipo di domanda sui cambiamenti climatici è ancora molto aperto ed è importante anche per la regione alpina, in quanto quasi tutta l'acqua che arriva dal cielo durante la stagione estiva è sotto forma di temporali e quindi la domanda è centrale, anche in ottica idrologica”.

La scarica di un fulmine che colpisce una persona è generalmente mortale, anche se ci sono eccezioni documentate di sopravvissuti. “In Svizzera si leggono notizie di animali all’alpeggio colpiti dai fulmini, succede abbastanza frequentemente e non sempre vengono colpiti direttamente ma attraverso il cono di potenziale che si forma nel terreno. In sostanza la corrente elettrica passa all'interno dell’organismo uccidendolo”.

La probabilità di venir colpiti è molto bassa, ma non è nulla: “Un matematico aveva calcolato che la probabilità di essere colpiti da un fulmine, se vi trovate all’esterno in una zona esposta durante un temporale, è sei volte più alta rispetto di quella di azzeccare i sei numeri del lotto svizzero”. Bassa probabilità quindi, ma, dati gli effetti devastanti, è importante prestare sempre molta attenzione (per i consigli vedi il box finale).

“I fulmini sono l'unica causa d'innesco naturale di incendi di bosco che abbiamo in Svizzera”. A dircelo questa volta è Marco Conedera, ingegnere forestale dell’Istituto federale di ricerca per la foresta, la neve e il paesaggio (WSL). “Nelle estati più siccitose – prosegue Conedera – possono costituire fino alla metà dei casi di incendio di bosco. E con il cambiamento del clima e il sempre più frequente verificarsi di estati molto calde e siccitose, ci aspettiamo che questi incendi aumentino in frequenza”.

La relazione è invece meno evidente con quanto dicevamo prima sul possibile aumento dei temporali legati al cambiamento climatico, e la spiegazione è abbastanza logica: “Il fulmine, per far partire l’incendio, deve essere piuttosto ‘secco’, nel senso che deve essere una scarica energetica che arriva a terra, ma che non sia seguita da un temporale abbondante e quindi da piogge torrenziali, altrimenti l’energia immessa nel combustibile per accendere il fuoco viene fermata dalla caduta dell'acqua”.

Un fulmine, lo abbiamo visto, è un'enorme quantità di energia concentrata in un unico punto e in un istante. Per scatenare gli incendi, più è lunga la durata del fulmine e più è alta la probabilità di innesco. “Quando parliamo di una scarica lunga ci riferiamo comunque a microsecondi, però ci sono diverse durate di queste scariche e tendenzialmente sono quelle più lunghe che riescono ad accendere il fuoco” spiega Conedera.

Durante questa estate al sud delle Alpi ci sono già stati un paio di incendi da fulmine che non hanno causato grandi problemi, anche perché si era all'inizio della stagione e la siccità non era ancora così estrema. “Attualmente sono presenti le condizioni siccitose, ma non abbiamo ancora avuto temporali con fulmini in grado di innescare il fuoco. Se la stagione dovesse continuare così non mancheranno però le occasioni di innesco”.

Gli alberi maggiormente candidati a svolgere questo ruolo di “miccia” si trovano su terreni rocciosi in alta montagna e sono quelli che hanno una corteccia ruvida e che quindi trattengono molto l'acqua e attirano i fulmini. “Pensiamo soprattutto alle conifere, che hanno anche la particolarità, con la loro chioma, di proteggere e di non lasciar cadere l'acqua al piede dell'albero; quando il fulmine scarica a terra dopo aver colpito l'albero, trova dunque del combustibile molto infiammabile perché ancora a secco”.

Gli incendi causati dai fulmini sono infine particolari: “Tendenzialmente sono degli incendi che non sviluppano molta fiamma, in quanto sono sotterranei e avanzano molto lentamente. Creano quasi solo fumo, poca fiamma, e, visto che sono prevalentemente sotterranei, sono difficili da spegnere e possono durare anche settimane, come successo nel recente passato in Mesolcina ad esempio”.

Mesolcina che, insieme a tutto il canton Grigioni, è pioniera nella lotta a questi incendi: qui sono stati creati infatti dei gruppi di specialisti che coniugano competenze pompieristiche e alpinistiche altamente qualificate. “Sono profili difficili da trovare o formare, ma è il metodo più efficace ed economico per combattere questo tipo di roghi e – ci dice in conclusione Conedera – a livello svizzero si sta discutendo di allargare il modello grigionese ad altre realtà regionali”.

#lameteospiegata è una serie RSI News, in collaborazione con MeteoSvizzera, che nasce con l’intenzione di approfondire, una volta al mese, un tema meteorologico non per forza legato alla stretta attualità. La missione: renderlo accessibile e comprensibile.