Sapete cosa sono e come si formano i fulmini?

Scopriamo qualcosa in più sul mondo dei fulmini, sia dal punto di vista fisico che biologico

I temporali con tuoni e fulmini hanno sull'essere umano la capacità di ridestare quelle paure ancestrali tipiche di quando vivevamo nelle caverne in un ambiente molto pericoloso e senza le giuste difese. Tutti gli organismi viventi si allontanano da ciò che può essere considerato un pericolo per la propria vita inclusi i fenomeni atmosferici in grado di poter uccidere o creare seri problemi.
Rimangono in alcuni di noi ancora questi residui preistorici attraverso due fobie, la brontofobia legata al rumore dei tuoni e l'astrafobia legata ai fulmini.
Ma osservare questo spettacolo della natura significa anche volerlo comprendere dal punto di vista fisico e biologico, soprattutto per non temerlo e capirne la sua importanza.
I fulmini sono la manifestazione luminosa delle scariche elettriche che attraversano la troposfera, cioè il primo strato concentrico intorno alla terra, che chiamiamo nella sua totalità atmosfera.
Si formano per la differenza di potenziale che si instaura tra due corpi. Abbiamo tre possibilità: fulmini tra una nuvola e il terreno o mare (sia ascendenti che discendenti), fulmini tra nuvola e nuvola e fulmini nella stessa nuvola tra la parte superiore ed inferiore.









Ma come si forma la scarica elettrica?
Durante un temporale all'interno della nuvola, di solito un cumulonembo, le correnti di aria creano urti fra le gocce d'acqua ma anche tra i cristalli di ghiaccio e grandine. Tali urti producono delle cariche elettriche che si separano in modo che quelle positive si accumulano nella parte superiore della nube e quella negative nella parte inferiore. Per un processo di induzione elettrostatica poi quelle negative in basso creano cariche positive sulla superficie del terreno sottostante.
Per fortuna l'aria è un buon isolante e ci vogliono differenze di potenziale superiori ai cento milioni di volt per ionizzarla: se si raggiungono però tali valori i pochi ioni presenti naturalmente nell'aria vengono accelerati dalle forze elettriche e urtano contro le molecole d'aria ionizzandole a loro volta, producendo cioè cariche positive e negative. Quando ciò avviene si crea un effetto a valanga: dalla base della nuvola parte una scarica pilota e le cariche elettriche passano dalla nuvola al suolo con una sequenza numerosa di successive scariche. La scarica elettrica del fulmine compensa quindi la differenza di potenziale. Ricordiamo che nelle prese delle nostre case esiste una differenza di potenziale di 220 volt.
La luce del fulmine è dovuta alla perdita di energia degli atomi acquisita a causa degli urti con gli ioni mentre il calore sprigionato deriva dal loro movimento rapido. Tale calore provoca un aumento di temperatura che riscalda l'aria e provoca un'improvvisa espansione che produce l'onda sonora che noi percepiamo come tuono. La velocità della luce dei fulmini è di trecentomila metri al secondo mentre quella del suono è di circa 300 metri al secondo: questo è il motivo per cui vediamo molto prima la luce che sentire il boato dei fulmini.



Proprio perché parliamo di elettricità i fulmini sono dei veri e propri pericoli per tutti i luoghi molto esposti, specialmente dove c’è presenza di acqua che sappiamo essere un buon conduttore a causa della sua polarità.
Spiaggia, montagna, alberi, pali, cavi elettrici, oggetti metallici sono dei veri e propri "attira fulmini" da cui bisogna stare lontani durante un temporale.



Stare in una macchina (così come in un aereo) invece è una protezione importante perché essa funziona come gabbia di Faraday e le cariche elettriche che la colpiscono si dispongono sulla sua superficie e non al suo interno.



Però non tutti sanno che se non ci fossero stati loro, sulla terra non ci sarebbe stata la vita che conosciamo.
Un nuovo studio pubblicato su “Nature Communication” da Benjamin Hess, della Yale UniversityIntorno, afferma che intorno ai quattro miliardi di anni fa "la nascita delle prime biomolecole sulla superficie della Terra fu favorita dalla formazione di un'enorme quantità di fulmini, che liberarono un elemento fondamentale per la vita: il fosforo. Tale elemento è indispensabile per la vita perchè è il costituente di molte biomolecole essenziali, soprattutto il DNA e l'RNA. Eppure, sulla Terra primordiale questo elemento era quasi esclusivamente intrappolato all'interno di minerali non solubili.
I fulmini quando colpiscono il suolo creano strutture chiamate fulguriti. La fulgurite è un minerale di silice vetroso, fuso nel calore di un fulmine e si presenta in due varietà.
Le fulguriti delle sabbie, le più comuni, che si presentano come tubi ramificati cilindrici lunghi meno di 3 metri ma che possono raggiungere i 20 metri: la loro cavità centrale è rivestita di vetro e l’esterno mostra granelli di sabbia aderenti.
E poi le fulguriti di roccia che sono sottili croste vetrose sulle rocce. Generalmente si formano sulle cime delle montagne.
Entrambe contengono fosforo. Subito dopo la sua turbolenta formazione, la Terra primordiale potrebbe aver generato un numero sufficiente di fulmini per un periodo di tempo abbastanza lungo da produrre una quantità di fosforo reattivo sufficiente ad innescare quei processi necessari che avrebbero condotto alla comparsa della vita. Attraverso un modello computerizzato, i ricercatori hanno quindi stimato che ogni anno sulla Terra primordiale si sarebbero generati da 1 a 5 miliardi di fulmini. Se lo moltiplichiamo per un miliardo di anni otteniamo un numero di fulmini enorme che avrebbero potuto contribuire ad arricchire le argille di fosforo reattivo utilizzabile per formare il DNA e il RNA e altre molecole indispensabili per la vita come la conosciamo".



Un'altra ricerca interessante è quella di Jena M. Jenkins, William H. Brunee David O. Miller ed afferma che i fulmini possono agire da purificatori dell'aria all'interno dell'atmosfera. Le scariche elettriche temporalesche avrebbero la capacità di produrre alti livelli di ossidanti in grado di assorbire od eventualmente neutralizzare molti inquinanti e il surplus di gas serra come il metano e il monossido di carbonio.



Ma i fulmini sono anche uno sprigionamento enorme di energia: ogni fulmine libera 5.000.000.000 di Joule di energia, generando una temperatura media di 30.000°C. Se si riuscisse ad immagazzinarla significherebbe produrre 40.000.000.000.000.000 di Joule di energia elettrica in sole 24 ore, cioè molta ma molta di più di quella che effettivamente ci servirebbe. In realtà data la brevità di ogni singolo evento l'energia a disposizione sarebbe molto ma molto poca e neanche sufficiente ad accendere una lampadina. Ogni giorno però, in tutto il mondo, vengono scaricati circa 8 milioni di fulmini, con una media di 2.000 fulmini al secondo ma non abbiamo ancora scoperto come imbrigliare questa forma di energia quasi infinita.




Bibliografia
La fisica di Amaldi - Ugo Amaldi Zanichelli Editore
Electrical Discharges Produce Prodigious Amounts of Hydroxyl and Hydroperoxyl Radicals-Jena M. Jenkins,William H. Brune,David O. Miller
Lightning strikes as a major facilitator of prebiotic phosphorus reduction on early Earth - BL Hess, S Piazolo, J Harvey -
Ambiente: utilizzare l'energia dei fulmini? - Gruppo Cura

di Aldo Marinelli del 04 settembre 2022