Come proteggersi in caso di temporale? La “folgorante” fisica delle scariche elettriche

Quante volte nel bel mezzo di una calda serata di Agosto ci siamo trovati a dover correre ai ripari per via di un temporale improvviso? Se la pioggia non ci spaventa, a farlo sono le saette luminose che squarciano il cielo e si dirigono verso di noi, accompagnate dal rumore dei tuoni. Cosa succede esattamente sopra le nostre teste? Perché se ci troviamo sotto un temporale siamo in pericolo? È vero che non dobbiamo fare la doccia o usare il cellulare? Rispondiamo insieme a un po’ di domande studiando la fisica che c’è dietro un fenomeno tanto affascinante quanto spaventoso.

Questione di elettricità

Il primo passo per capire come comportarsi in caso di temporale è sapere innanzitutto di cosa si sta parlando e qual è la fisica che c’è dietro uno spettacolo tanto affascinante quanto adatto per l’ambientazione di un film horror.

Il concetto chiave che ci serve introdurre è quello di elettricità. Quello che vediamo in cielo e che schematizziamo con la classica forma a zig-zag è di fatto una scarica elettrica improvvisa e violenta che si genera prevalentemente in presenza di nuvole temporalesche (cumulonembi) e che si dirige talvolta dritta verso la terra.

La frazione di fulmini che si dirige verso di noi è soltanto il 10% del totale dei fulmini generati durante un temporale. La gran parte delle scariche elettriche si scatena infatti all’interno della nuvola stessa o si trasmette tra nuvola e nuvola. Ciò nonostante, le saette che raggiungono il suolo sono quelle che più catturano il nostro interesse perché, cadendo direttamente sulle “nostre teste”, possono impattare sulla nostra salute e in generale sulle nostre attività.

Come nasce un fulmine?

Se la protagonista del nostro fenomeno è l’elettricità, la stessa che alimenta il nostro pc e carica il nostro cellulare, bisogna ora capire come si genera effettivamente il fulmine che arriva fino a noi. In generale, l’ingrediente di base che genera una scarica elettrica tra due corpi è una differenza di potenziale tra di essi. In termini semplificati, quello a cui dobbiamo pensare è una classica pila, che presenta un’estremità con il segno “+” (carica positiva) e una con il segno “-“ (carica negativa). Se una pila funziona per alimentare i nostri dispositivi, è grazie ad una differenza di potenziale tra “+” e “–“ che permette il passaggio di corrente. Il passo successivo è immaginare ora la nube temporalesca come una pila, e di fatto è proprio quello che succede.

I fenomeni che avvengono all’interno di una nube durante un temporale, come il movimento di goccioline di pioggia e ghiaccio, fanno sì che nella parte più bassa della nube stessa si accumulino cariche negative e nella parte più alta cariche positive.

Quando tra due corpi a diverso potenziale è presente un materiale conduttore (che possiamo in maniera semplificata vedere come un materiale che “lascia passare” le cariche da una zona all’altra), questo tende ad annullare la differenza di potenziale e a “riequilibrare” il tutto facendo passare corrente elettrica (ovvero, cariche in movimento).

Se il materiale interposto non è conduttore ma isolante (o anche detto dielettrico), questo non consente il passaggio delle cariche e le zone “+” e “–“ restano, per l’appunto, isolate tra loro. Tuttavia, man mano che il numero delle cariche aumenta, anche un materiale isolante riesce ad “opporsi” sempre meno al loro passaggio e può arrivare a “cedere” bruscamente (si parla di rottura del dielettrico): quello che ne consegue, a questo punto, è un brusco passaggio di corrente tra i due corpi carichi.

Trasferendo quanto detto a ciò che accade durante un temporale, i due corpi carichi sono: due diverse zone di una stessa nube (positiva e negativa), due nubi, o una nube e il suolo (che si carica positivamente per induzione), mentre il dielettrico è l’aria. Le differenze di potenziale che si generano possono raggiungere le centinaia di milioni di Volt, provocando il superamento della rigidità dielettrica dell’aria: in tale istante scocca il fulmine. Questo appare ai nostri occhi come un flash di luce che chiamiamo anche lampo.

Segnale d’allarme (in ritardo): il tuono

Durante un temporale, lo spettacolo visivo dalle saette luminose è sempre accompagnato dal rumore dei tuoni, che può essere particolarmente spaventoso e fastidioso e può farci trascorrere intere notti insonni. Perché sentiamo il tuono? È vero che può aiutarci a prevedere la distanza di un temporale?

L’origine del tuono è il riscalamento dell’aria nelle vicinanze di un fulmine (tra i 27 e i 30 mila °C in pochi millesimi di secondo). Questo riscaldamento causa una rapida espansione dell’aria a cui segue un’altrettanto rapida compressione: espansione e compressione dell’aria generano un’onda sonora che costituisce quello che avvertiamo alle nostre orecchie come un boato: il tuono.

Perché non percepiamo tuono e fulmine contemporaneamente? Semplice: questione di velocità! La luce viaggia ad una velocità di circa 300.000 km/s mentre la velocità del suono nell’ aria è di circa 330 m/s (approssimativamente ogni 3 secondi percorre 1 km). La luce è quindi molto più veloce del suono ed è per questo che raggiunge prima i nostri sensi facendo sì che percepiamo il lampo diversi secondi prima del tuono.

Il suono ci arriva tanto più “in ritardo” rispetto alla luce quanta più strada ha da percorrere, ovvero quanto più distante da noi cade il fulmine che lo genera. Se a questo punto ci stiamo chiedendo se è possibile capire a che distanza da noi si è generato il fulmine contando i secondi che separano l’arrivo del flash luminoso da quello del boato, la risposta è affermativa. Come? Per farlo ci basterà contare il numero dei secondi trascorsi dall’arrivo del fulmine a quello del tuono e moltiplicarlo per la velocità del suono! Ad esempio, se passano 5 secondi dal momento in cui osserviamo il lampo al momento in cui sentiamo il tuono, basterà calcolare 5s x 330m/s per scoprire di distare 1,6 km dal fulmine.

Come proteggersi dai fulmini?

Ogni fulmine porta con sé centinaia di milioni di Volt di elettricità. Si tratta di una quantità molto grande di energia, basti confrontarla con i circa 220 Volt della tensione che arriva nelle nostre case. Essere colpiti in pieno da un fulmine è quindi di base molto pericoloso. Nonostante si tratti di un evento abbastanza raro, ci sono però accortezze e nozioni di fisica che possono fare la differenza!

Quando un fulmine colpisce un essere umano i possibili danni variano a seconda di una serie di fattori, fra cui il punto del corpo in cui si viene colpiti. Nella maggior parte dei casi la corrente scorre sulla superficie del corpo, ovvero sulla pelle, causando ustioni. Ulteriori danni possono essere causati a livello del sistema nervoso e cardiocircolatorio.

Sicuramente, il luogo più sicuro in cui trovarsi durante un temporale è la propria abitazione.

Spesso ci viene consigliato di evitare di usare la doccia e di fare attenzione ai collegamenti elettrici. Quanto c’è di vero? Se ci viene facile comprendere la veridicità della seconda affermazione, dal momento che la corrente può propagarsi all’interno dei cavi e arrivare fino a noi, un po’ meno intuitiva è la prima.

Di fatto, però, anche l’impianto idraulico può costituite una fonte di pericolo: l’acqua conduce elettricità così come i tubi metallici in cui scorre e non si può quindi escludere, seppur poco probabile, la possibilità che un fulmine, propagandosi, arrivi a colpirci direttamente mentre canticchiamo sotto la doccia!

Per lo stesso motivo, trovarsi in spiaggia sotto un temporale può essere un bel problema e la prima cosa da fare è sicuramente quella di uscire dall’acqua!

Se siamo fuori casa? La gabbia di Faraday e l’uso del cellulare

Se ci troviamo fuori casa ma siamo usciti in auto, allora la fortuna ha giocato a nostro favore. Perché in auto siamo al sicuro? La risposta è sempre nella fisica: essendo fatta di metallo, la carrozzeria di un’automobile si comporta come una “gabbia” che isola l’ambiente interno dal campo elettrico esterno impedendo che le scariche raggiungano i passeggeri. Il fenomeno fisico è noto come Gabbia Di Faraday, dal fisico che lo osservò per primo.

Strano ma vero, lo stesso principio ci proteggerebbe anche se fossimo su di un aereo in volo.

Secondo le statistiche, i fulmini colpiscono regolarmente ogni aereo, circa una volta all’anno. Il motivo principale per cui i passeggeri non restano folgorati è lo stesso dell’auto: grazie alla sua struttura metallica, la corrente scorre sulla superficie della fusoliera e non raggiunge l’interno.

Se, però, proprio nel bel mezzo di un temporale siamo usciti per una passeggiata a piedi, quello che ci serve sapere è che è più probabile che un fulmine colpisca una struttura conduttrice e appuntita (per il cosiddetto effetto delle punte che è alla base dei parafulmini).

Dobbiamo quindi stare attenti ad evitare di avvicinarci a pali elettrici, segnali stradali e alberi isolati (che, oltre a trasmetterci la scossa, possono andare a fuoco e caderci in testa!).

Se, infine, ci stiamo chiedendo se usare il cellulare durante una scarica di saette possa essere un problema, la risposta è che, pur presentando componenti metalliche, non ci sono evidenze scientifiche significative sul fatto che incrementi la probabilità di essere colpiti da un fulmine.

Sapevate che…

Siamo abituati a vedere fulmini con la classica forma a zig-zag. Ne avete mai visto uno di forma sferica? Probabilmente no, eppure esistono. I cosiddetti “fulmini globulari” o “Ball Lightning” sono tra i fenomeni atmosferici meno noti e più misteriosi.

Appaiono come una grossa sfera luminosa fluttuante nell’aria, con un diametro di circa 20-25 cm e si pensa possano attraversare pareti e finestre senza danneggiarle. Si tratta di fenomeni ancora poco conosciuti a causa della loro rarità ma sono stati ormai superati gli antichi preconcetti sulla loro origine extraterrestre.

a cura di Rosa Vaira