02 June 2017

Mare elettrico

Un’esperienza da saper affrontare: l’incontro con un temporale e con le relative scariche elettriche. Sono fenomeni conosciuti da secoli dai marinai, dalle saette tradizionali ai fuochi di Sant’Elmo

Il fulmine è una scarica tra due poli carichi d’elettricità statica. L’accumulo di elettricità statica è un fenomeno molto frequente nella vita comune: strofiniamo una biro di plastica contro un panno, per esempio la manica del maglione, e poi avviciniamola a un pezzo di carta. La carta sarà attratta dalla biro. Il fenomeno era noto agli antichi greci che, non avendo la plastica, usavano l’ambra (elektron). Per accumulare cariche elettriche è necessaria l’azione meccanica dello strofinìo. Eppure il fulmine resta un fenomeno con margini di mistero.
Esistono varie teorie che lo spiegano, in maniera più o meno soddisfacente, e tutte presentano qualche lacuna. Secondo le più accreditate i cumulonembi, le nubi dei temporali, sono attraversate, durante il loro processo di formazione, da correnti verticali ascendenti che trasportano ghiaccio, acqua e particelle varie. In queste correnti, che scorrono a velocità di decine di metri al secondo, si produce quello “strofinìo” che separa le cariche elettriche. In generale le particelle che scendono, come i chicchi di grandine, strappano elettroni dai cristalli di ghiaccio che salgono. I primi acquisiscono carica negativa, i secondi carica positiva. Le cariche negative si accumulano nella parte inferiore della nuvola, e quelle positive sulla sommità.
La distribuzione delle cariche non è assoluta: anche se di rado, si osserva la formazione di aree a carica positiva anche sulla base della nuvola. La terra, per la sua grande massa, è considerata neutra, vale a dire che non è elettricamente carica. Il campo elettrico che si forma alla base della nuvola, però, può diventare talmente grande da influenzare una parte della superficie del suolo facendola diventare positiva. La differenza di segno è dovuta al principio che le cariche dello stesso segno si respingono. Il campo creato dagli elettroni arroccati sulla nuvola farebbe, in un certo senso, allontanare gli elettroni che sono sulla terra, che perciò diventa carica positivamente.

La scarica

Tra due corpi carichi elettricamente si crea una differenza di potenziale, come quella che c’è tra i due poli di una batteria. Unendo i due poli con un conduttore si crea il passaggio di corrente; ma siccome l’aria non è un buon conduttore, le cariche accumulate restano dove sono. La resistenza dell’aria al passaggio di corrente, però, non è infinita, e perciò, se si supera un certo valore dei campi elettrici, parte una scarica capace di perforare l’aria stessa.

Nel dettaglio, quando la differenza di potenziale tra nube e terra supera un certo valore, variabile tra gli ottanta e i mille milioni di volt, dalla nube parte una scarica di particelle negative che procede verso il suolo a circa 100 km al secondo. La scarica iniziale, tra nube e terra, è detta scarica pilota: procede silenziosamente a zig zag, per spezzoni di una cinquantina di metri alla volta, cercando il cammino di minor resistenza, e non emette luce.
Lungo il percorso si crea un campo di forte ionizzazione, che predispone alla seconda fase; appena la scarica si trova in prossimità del suolo se ne genera un’altra, composta da particelle positive, che va verso la nuvola: la scarica di richiamo, anch’essa invisibile. L’incontro di tali scariche avviene in un punto, detto punto fulminante, che apre il canale che sarà attraversato da decine di scariche dette di ritorno. Il flusso di corrente delle scariche di ritorno, che viaggiano a circa un terzo della velocità della luce, con un’intensità superiore ai 15.000 Ampere, riscalda il canale d’aria portandolo improvvisamente a temperature di 10-15.000 fino a 30.000 gradi rendendolo luminoso (lampo).L’espansione pressoché istantanea dilata l’aria con effetto esplosivo, dando origine al tuono.

Come si presentano

Il canale tracciato dalla scarica pilota presenta diverse ramificazioni, che, investite dal susseguirsi di scariche di ritorno, dà l’effetto sfrecciante della folgore, la così detta saetta. L’accumularsi delle cariche elettriche trasportate dalle scariche, può a sua volta generare un’altra scarica pilota, e quindi un nuovo fulmine. La successione degli eventi è rapidissima e all’occhio dell’osservatore appare solo un lampo con luce tremolante.
I fulmini positivi, che sono meno del 10% del totale, si distinguono perché hanno un colpo solo, a differenza di quelli negativi che sono un susseguirsi di scariche. Solo un fulmine su cinque si stima che raggiunga il suolo. Gli altri si scaricano tra differenti porzioni dello stesso cumulonembo, o tra parti due nuvole diverse, oppure tra una porzione carica della nuvola e l’aria circostante. Alle nostre latitudini il canale di un fulmine che scarica al suolo può arrivare a 3 km.

Fulmini “speciali”

Fulmini aerei, invece, possono colpire anche a 15 km di distanza. Un significato particolare acquista il colore del lampo: il bianco indica che la scarica attraversa aria piuttosto asciutta, mentre quelli che tendono al rosso sono propri di scariche in aria umida.
Tecnicamente i fulmini appartengono alla famiglia delle “elettrometeore”. Alcuni sono davvero rari e particolari, quali i “fulmini a razzo” che si muovono così lentamente da sembrare la scia di un razzo che si muove nel cielo. I fulmini superficiali, lingue di fuoco che si elevano dall’orizzonte o dall’interno di una nuvola, sono solo fulmini che scoccano a grande distanza, i primi addirittura dietro l’orizzonte visibile. A volte la loro distanza è tale (oltre i 15 km), che il tuono non è percepibile, e si parla di “lampi di calore”. I “fulmini a perla” (o a collana), sembrano divisi in segmenti ad intervalli più o meno regolari.

I globulari

Un capitolo a parte è costituito da un fenomeno alquanto insolito: i fulmini globulari. Il fenomeno, ancora tutto da chiarire, si presta a eccitare la fantasia. Il fulmine globulare si manifesta come una sfera dai due ai dieci centimetri di diametro, ma a volte arriva al metro e più, dai colori più svariati, che vanno dal rosso all’arancione, dal giallo al blu. Si materializza all’aperto, o all’interno di edifici, qualche volta è stato osservato all’interno di aerei, e può durare fino a dieci minuti. La sua traiettoria è imprevedibile, piena di zig zag, e attraversa porte e pareti senza interferire. Generalmente svanisce nel nulla, ma qualche volta termina la sua vita con un’esplosione.

E’ un fenomeno rarissimo. L’accumularsi di testimonianze di diverse provenienze, alcune delle quali autorevoli, ha cominciato a sollecitare l’interesse scientifico, che ne ha convalidato l’esistenza, classificandolo tra le elettrometeore, ma senza riuscire a sviluppare una teoria capace di spiegarli. Nel 1955 il premio Nobel russo Piotr Kapitza ha formulato la prima teoria sulla loro origine elettromagnetica, ma c’è ancora molto da sapere su di essi. Dal 1990 esiste un comitato internazionale che li studia. I Fuochi di S. Elmo Tra le elettrometeore sono quelle più legate al mondo della marineria. Si tratta di scariche di piccola intensità che provengono da oggetti elevati sulla superficie terrestre o sul mare, come gli alberi delle navi e le eliche e le ali degli aeroplani, dove s’è accumulata una certa quantità d’elettricità statica. Un’eccellente descrizione del fenomeno in alto mare ce la offre Melville, in Moby Dick. Qui, il Pequod è investito da un tifone nel Mar del Giappone. Ecco la citazione: “Guarda arriva - gridò Starbuck - I corpisanti! I corpisanti!” Le varee dei pennoni erano tutte terminate da una fiamma pallida, e sfiorate a ciascuna triplice estremità del parafulmine da tre fuochi bianchi affusolati; ognuno dei tre alberi ardeva silenzioso, in quell’aria sulfurea, come tre gigantesche candele di cera dinanzi a un altare’.

La danza delle cariche

Nel disegno la distribuzione delle cariche all’interno di un cumulo temporalesco. La maggior parte dei fulmini scocca tra zone a differente potenziale all’interno della nube stessa o tra nubi vicine, solo una percentuale minima su scarica verso il suolo. Se il fulmine si scarica dall’area negativa della nuvola si parla di fulmini negativi, e sono la grande maggioranza. Esistono anche fulmini positivi, la cui scarica pilota va da un’area positiva, spesso la terra, verso quella negativa della nube. Il punto fulminante è quello in cui le due scariche, quella pilota (blu) e quella di richiamo (rossa) si scontrano. Nel canale irrompe un’enorme quantità di cariche elettriche che lo percorrono a 1/3 della velocità della luce, provocando il lampo e il tuono. Il tuono viaggia a circa 350 metri al secondo, perciò la distanza approssimativa, (in metri) dal fulmine si calcola moltiplicando i secondi che trascorrono tra l’avvistamento del lampo e la ricezione del tuono, per 350. I tuoni possono percepirsi fino a 15 o 20 km, ma molto dipende dalle condizioni atmosferiche, umidità, forza e direzione del vento come da altri fattori.

La simbologia di Sant’Elmo

Ovviamente i fuochi misteriosi, che durante le tempeste del passato si materializzavano sulle estremità delle alberature e sulle varee dei pennoni, suscitavano le superstizioni dei marinai. I fuochi possono essere uno o più. Si dice che se i fuochi sono uno o tre, portano male, mentre due fuochi o un numero maggiore a quattro portano bene. I due fuochi sarebbero Castore e Polluce, i Dioscuri, figli di Zeus e Leda, e fratelli di Elena. I Dioscuri erano con Giasone a bordo della nave Argo, partita per la Colchide alla ricerca del Vello d’Oro. Sulla nave si abbattè una violenta tempesta e i due semidei lottarono generosamente per salvarla, quando dal cielo due fuochi scesero e si posarono sulle loro fronti. Allora il mare si placò. Secondo Plutarco due fuochi si posarono anche sulla nave di Lisandro che andava a combattere la flotta ateniese. Alle divinità pagane il cristianesimo sostituì i suoi santi. E fu così che Sant’Elmo, morendo in mare durante una traversata, promise ai marinai di guidarli durante le tempeste. Per questa ragione, i fuochi sono considerati benigni, ma non da tutti. Altri pensavano che i fuochi impedissero alle anime dei morti di ascendere al cielo, e così via.

Il fascino delle saette

La folgore è il fenomeno meteo che più ha impressionato la fantasia. La sua imprevedibile rapidità, la luce abbagliante, il fragore, e la forza distruttiva: tutto contribuisce a renderla l’arma delle entità soprannaturali. Per l’antichità classica apparteneva a Zeus, il padre degli dei, e con essa Giove tonante ammoniva gli uomini. Gli etruschi credevano che le divinità le usassero per esprimere il loro volere, e ne avevano distinto differenti tipi a uso dei sacerdoti addetti all’interpretazione degli ammonimenti divini. Alcune tribù di pellerossa interpretavano il lampo come le scintille prodotte dalle ali di un magico uccello alato, il cui fruscio s’identificava col tuono.