Cos'è il fulmine e come si verifica?

L'origine delle nuvole temporalesche

La nebbia che sale in alto sopra il suolo è costituita da particelle d'acqua e forma nuvole. Le nuvole più grandi e più pesanti sono chiamate cumuli. Alcune nuvole sono semplici: non provocano fulmini o tuoni. Altri sono chiamati temporali perché creano un temporale, formano fulmini e tuoni. Le nuvole temporalesche differiscono dalle normali nuvole di pioggia in quanto sono cariche di elettricità: alcune sono positive, altre negative.

Come si formano le nuvole temporalesche? Tutti sanno quanto è forte il vento durante un temporale. Ma vortici d'aria ancora più forti si formano più in alto sopra il suolo, dove foreste e montagne non ostacolano il movimento dell'aria. Questo vento genera principalmente elettricità positiva e negativa nelle nuvole.

C'è elettricità positiva al centro di ogni goccia e una quantità uguale di elettricità negativa si trova lungo la superficie della goccia. Le gocce di pioggia che cadono vengono catturate dal vento e cadono nelle correnti d'aria. Il vento, colpendo con forza la goccia, la fa a pezzi.In questo caso, le particelle esterne distaccate della gocciolina si caricano di elettricità negativa.

La restante parte più grande e più pesante della gocciolina è caricata con elettricità positiva. La parte della nuvola in cui si accumulano le goccioline pesanti è carica di elettricità positiva. La pioggia che cade dalla nuvola trasferisce parte dell'elettricità della nuvola al suolo, e quindi si crea un'attrazione elettrica tra la nuvola e il suolo.

Nella fig. 1 mostra la distribuzione dell'elettricità in una nuvola e sulla superficie terrestre. Se una nuvola è carica di elettricità negativa, allora, sforzandosi di esserne attratta, l'elettricità positiva della terra sarà distribuita sulla superficie di tutti gli oggetti elevati che conducono corrente elettrica. Più alto è l'oggetto che si trova sul terreno, minore è la distanza tra la parte superiore e inferiore della nuvola e minore è lo strato d'aria che rimane qui, emanando l'elettricità opposta. È ovvio che i fulmini penetrano più facilmente nel terreno in tali luoghi. Vi diremo di più su questo più avanti.

Riso. 1. Distribuzione dell'elettricità in una nuvola temporalesca e oggetti a terra

Cosa causa i fulmini?

Avvicinandosi a un albero alto oa una casa, una nuvola temporalesca carica di elettricità agisce su di esso. Nella fig. 1 nuvola carica di elettricità negativa attira elettricità positiva sul tetto e l'elettricità negativa della casa andrà nel terreno.

Entrambe le elettricità, nella nuvola e sul tetto della casa, tendono ad attrarsi a vicenda. Se c'è molta elettricità nella nuvola, allora si forma molta elettricità sulla casa attraverso l'influenza.

Proprio come l'acqua in arrivo può erodere una diga e precipitare in un torrente, allagando una valle nel suo movimento illimitato, così l'elettricità, accumulandosi sempre più in una nuvola, può infine sfondare lo strato d'aria che la separa dalla superficie della terra e precipitare fino alla terra, all'elettricità opposta. Si verificherà una forte scarica: una scintilla elettrica scivolerà tra la nuvola e la casa.

Questo è il fulmine che colpisce la casa. Le scariche di fulmini possono verificarsi non solo tra una nuvola e il suolo, ma anche tra due nuvole cariche di diversi tipi di elettricità.

Più forte è il vento, più velocemente la nuvola si carica di elettricità. Il vento spende una certa quantità di lavoro, che va a separare l'elettricità positiva e negativa.

Come si sviluppano i fulmini?

Molto spesso, i fulmini che colpiscono il suolo provengono da nuvole cariche di elettricità negativa. I fulmini che colpiscono da una tale nuvola si sviluppano in questo modo.

Per prima cosa, piccole quantità di elettroni iniziano a fluire dalla nuvola al suolo, in uno stretto canale, formando una sorta di corrente nell'aria.

Nella fig. 2 mostra l'inizio della formazione dei fulmini. Nella parte della nuvola in cui inizia a formarsi il canale, si sono accumulati elettroni che possiedono un'elevata velocità di movimento, per cui, scontrandosi con gli atomi d'aria, li spezzano in nuclei ed elettroni.

Riso. 2. I fulmini iniziano a formarsi in una nuvola

Anche gli elettroni rilasciati in questo caso si precipitano a terra e, scontrandosi nuovamente con gli atomi dell'aria, li separano.È come la caduta della neve in montagna, quando dapprima una piccola massa, rotolando giù, si ricopre di fiocchi di neve attaccati ad essa e, accelerando il suo volo, diventa una grande valanga.

E qui la valanga di elettroni cattura nuovi volumi d'aria, spaccando i suoi atomi in pezzi. In questo caso, l'aria viene riscaldata e all'aumentare della temperatura aumenta la sua conduttività. Si trasforma da isolante in conduttore. Attraverso il risultante canale conduttivo dell'aria dalla nuvola, l'elettricità inizia a drenare sempre di più. L'elettricità si avvicina alla terra a una velocità incredibile, raggiungendo i 100 chilometri al secondo.

In centesimi di secondo, la valanga di elettroni raggiunge il suolo. Questo termina solo la prima parte, per così dire, "preparatoria" del fulmine: il fulmine si è fatto strada fino a terra. La seconda, importante parte dello sviluppo di Lightning deve ancora arrivare. La parte considerata della formazione del fulmine è chiamata conduttore. Questa parola straniera significa "leader" in russo. La guida ha lasciato il posto alla seconda parte più potente del fulmine; questa parte è chiamata la parte principale. Non appena il canale raggiunge il suolo, l'elettricità inizia a fluire attraverso di esso in modo molto più violento e rapido.

Ora c'è una connessione tra l'elettricità negativa accumulata nel canale e l'elettricità positiva che è caduta a terra con le gocce di pioggia, e per azione elettrica c'è una scarica di elettricità tra la nuvola e il suolo. Tale scarica è una corrente elettrica di enorme forza - questa forza è molto maggiore della forza della corrente in una rete elettrica convenzionale.

La corrente che scorre nel canale aumenta molto rapidamente e, dopo aver raggiunto la massima forza, inizia a diminuire gradualmente.Il canale del fulmine attraverso il quale scorre una corrente così forte si riscalda molto e quindi si illumina intensamente. Ma il tempo del flusso di corrente in una scarica di fulmine è molto breve. La scarica dura per frazioni di secondo molto piccole e quindi l'energia elettrica prodotta durante la scarica è relativamente piccola.

Nella fig. 3 mostra il movimento graduale del parafulmine verso terra (prime tre figure a sinistra).

Riso. 3. Sviluppo graduale del parafulmine (prime tre figure) e della sua parte principale (ultime tre figure).

Le ultime tre figure mostrano momenti separati della formazione della seconda parte (principale) del fulmine. Una persona che guarda il flash, ovviamente, non sarebbe in grado di distinguere la sua guida dalla parte principale, poiché si susseguono molto rapidamente, sullo stesso percorso.

Dopo aver collegato due diversi tipi di elettricità, la corrente viene interrotta. Di solito i fulmini non si fermano qui. Spesso un nuovo leader si precipita subito lungo il percorso tracciato dal primo lancio, e dietro di lui, sullo stesso percorso, c'è di nuovo la parte dell'occhio del lancio. Questo completa la seconda scarica.

Possono esserci fino a 50 categorie separate, ciascuna composta dal proprio leader e corpo principale. Molto spesso ce ne sono 2-3. La comparsa di scariche separate rende il fulmine intermittente e spesso una persona che guarda il fulmine lo vede tremolare. Questo è ciò che provoca lo sfarfallio del flash.

Il tempo che intercorre tra la formazione di scarichi separati è molto breve. Non supera i centesimi di secondo Se il numero di scariche è molto elevato, la durata del fulmine può raggiungere un secondo intero o anche diversi secondi.

Abbiamo considerato solo un tipo di fulmine, che è il più comune.Questo lampo è chiamato lampo lineare perché appare ad occhio nudo come una linea, una banda stretta e luminosa di colore bianco, azzurro o rosa brillante.

I fulmini lineari hanno una lunghezza da centinaia di metri a molti chilometri. Il percorso del fulmine è solitamente a zigzag. Il fulmine ha spesso molti rami. Come già accennato, i fulmini lineari possono verificarsi non solo tra la nuvola e il suolo, ma anche tra le nuvole.

Fulmine globulare

Oltre al lineare, tuttavia, esistono molto meno spesso altri tipi di fulmini. Ne considereremo uno, il più interessante: il fulmine globulare.

A volte ci sono scariche di fulmini che sono palle di fuoco. Il modo in cui si formano i fulmini globulari non è stato ancora studiato, ma le osservazioni disponibili di questo interessante tipo di scarica di fulmini ci consentono di trarre alcune conclusioni.

Molto spesso, il fulmine globulare ha la forma di un'anguria o di una pera. Dura relativamente a lungo, da una frazione di secondo a diversi minuti.

La durata più comune dei fulmini globulari va dai 3 ai 5 secondi. Molto spesso, i fulmini globulari appaiono alla fine di un temporale sotto forma di sfere luminose rosse con un diametro da 10 a 20 centimetri. In casi più rari, è anche grande. Ad esempio, è stato fotografato un fulmine con un diametro di circa 10 metri.

La palla a volte può essere di un bianco accecante e avere contorni molto netti. I fulmini globulari di solito emettono un sibilo, un ronzio o un sibilo.

I fulmini globulari possono svanire silenziosamente, ma possono emettere un debole crepitio o persino un'esplosione assordante. Quando scompare, spesso lascia una nebbia dall'odore pungente. Vicino al suolo o al chiuso, i fulmini globulari si muovono alla velocità di un uomo che corre, circa due metri al secondo.Può rimanere a riposo per un po 'e una palla così "sistemata" sibila e lancia scintille finché non scompare. A volte il fulmine globulare sembra essere guidato dal vento, ma di solito il suo movimento è indipendente dal vento.

I fulmini globulari sono attratti da spazi chiusi, dove penetrano attraverso finestre o porte aperte e talvolta anche attraverso piccole fessure. Le pipe sono un buon modo per loro; ecco perché spesso le palle di fuoco escono dai forni delle cucine. Dopo aver viaggiato per la stanza, la sfera di fulmini lascia la stanza, uscendo spesso lungo lo stesso percorso in cui è entrata.

A volte il fulmine sale e scende due o tre volte a distanze da pochi centimetri a pochi metri. Contemporaneamente a questi alti e bassi, la palla di fuoco a volte si muove in direzione orizzontale, quindi il fulmine globulare sembra fare dei salti.

Spesso i fulmini globulari "si depositano" sui fili, preferendo i punti più alti, oppure rotolano lungo i fili, ad esempio lungo i tubi di drenaggio. Muovendosi lungo i corpi delle persone, a volte sotto i vestiti, le palle di fuoco provocano gravi ustioni e persino la morte. Ci sono molte descrizioni di casi di danni mortali a persone e animali causati da fulmini. I fulmini termici possono causare danni molto gravi agli edifici.

Dove colpisce il fulmine?

Poiché il fulmine è una scarica elettrica attraverso lo spessore dell'isolante - aria, si verifica più spesso dove lo strato d'aria tra la nuvola e qualsiasi oggetto sulla superficie terrestre sarà più piccolo. Le osservazioni dirette lo dimostrano: i fulmini tendono a colpire alti campanili, alberi, alberi e altri oggetti alti.

Tuttavia, i fulmini si precipitano non solo su oggetti alti.Da due alberi adiacenti di uguale altezza, uno di legno e l'altro di metallo, e non distanti l'uno dall'altro, i fulmini si precipiteranno su quello di metallo. Ciò accadrà per due ragioni: in primo luogo, il metallo conduce l'elettricità molto meglio del legno, anche quando è bagnato. In secondo luogo, l'albero di metallo è ben collegato a terra e l'elettricità da terra può fluire più liberamente all'albero durante lo sviluppo del leader.

Quest'ultima circostanza è ampiamente utilizzata per proteggere vari edifici dai fulmini. Maggiore è la superficie dell'albero metallico a contatto con il suolo, più facile è che l'elettricità dalla nuvola passi nel terreno.

Questo può essere paragonato a come un flusso di liquido viene versato attraverso un imbuto in una bottiglia. Se l'apertura nell'imbuto è abbastanza grande, il getto andrà dritto nella bottiglia. Se l'apertura nell'imbuto è piccola, il liquido inizierà a traboccare dal bordo dell'imbuto e si riverserà sul pavimento.

Il fulmine può colpire anche su una superficie piana della terra, ma allo stesso tempo si precipita dove la conduttività elettrica del suolo è maggiore. Così, ad esempio, l'argilla bagnata o la palude vengono colpite dai fulmini prima della sabbia asciutta o del terreno arido sassoso. Per lo stesso motivo, i fulmini colpiscono le rive di fiumi e torrenti, preferendoli agli alberi alti ma secchi che torreggiano vicino a loro.

Questa caratteristica del fulmine - correre verso corpi ben radicati e ben conduttori - è ampiamente utilizzata per implementare vari dispositivi di protezione.