Premesse
0	Cenni storici
1	Composizione dell'atmosfera
2	Conduzione elettrica dei gas
3	Le nuvole
4	Formazione della scarica
5	Il tuono
6	Probabilistica del fulmine
7	Grandezze caratteristiche dei fulmini
8	Conseguenze dei fulmini

4 - Formazione della scarica

La presenza di cariche negative nella parte inferiore della nuvola induce sul terreno sottostante delle cariche positive. La situazione è analoga ad un condensatore, in cui cariche positive e negative sono separate da uno strato d'aria che rappresenta il dielettrico. Si crea così un campo elettrico con una differenza di potenziale che è la causa principale della formazione della scarica.
Quando la differenza di potenziale è sufficiente, dalla regione della nuvola in cui è maggiore la concentrazione di cariche negative partono una o più cariche con percorsi tortuosi e ramificati; spesso anche da più punti della nuvola possono partire diverse decine di rami. Queste sono dette scariche pilota (scariche leader).
La propagazione avviene dall'alto verso il basso, con scatti ad intervalli di 10-12 microsecondi. La velocità di propagazione durante questi scatti è dell'ordine dei 10.000 Km/s, mentre l'effettiva velocità di propagazione della scarica si mantiene in genere sull'ordine dei 100 Km/s e raramente supera i 300 Km/s.
Questa fase di propagazione delle cariche negative verso il terreno è silenziosa e debolmente luminosa.
Quando le propaggini della scarica si avvicinano al terreno, sul quale intanto si sono indotte forti concentrazioni di cariche positive, da un punto del terreno con concentrazione di carica particolarmente elevata, partono analoghe schiere di cariche positive verso l'alto.
Le cariche positive che salgono e quelle negative che scendono si incontrano ad una quota di circa 15-50 metri dal suolo. A questo punto si genera la scarica vera e propria che è detta scarica di ritorno: un intensissimo flusso di cariche positive dal terreno raggiunge la nuvola lungo il percorso precedentemente preparato dalle scariche pilota che si sono staccate dalla nuvola.
E' questa la fase durante la quale si generano il lampo ed il tuono, che sono la manifestazione ottica ed acustica della enorme quantità di energia che si sprigiona (La velocità media della scarica di ritorno è di 20.000Km/s mentre la corrente può raggiungere valori di centinaia di migliaia di Ampere); ed è in base a questa scarica che vanno dimensionate le protezioni per gli edifici.
Va sottolineato che, benché le cariche negative procedano verso il suolo con diverse ramificazioni, solo una di queste incontra le cariche positive che partono dal terreno e dà luogo alla scarica di ritorno.
Quando la scarica di ritorno raggiunge la nuvola una vasta zona di quest'ultima viene neutralizzata e si generano degli squilibri con conseguenti scariche interne alla nuvola. In breve la nuvola raggiunge di nuovo l'equilibrio, con concentrazione di cariche negative nella sua parte inferiore; ciò può generare un'altra migrazione di cariche negative dalla nuvola verso il terreno che questa volta segue il percorso di gas fortemente ionizzati lasciati precedentemente dalla scarica di ritorno.
Misurazioni effettuate hanno mostrato che circa il 50% dei fulmini hanno almeno due scariche, mentre in alcuni fulmini sono state registrate anche 40 scariche successive.

 

La superficie inferiore della nuvola e la supericie del terreno sottostante costituiscono le armature di un grande condensatore fra le quali è interposta l'aria come isolante dielettrico. Come in un condensatore quando la differenza di potenziale fra le armature è sufficientemente elevata (tenzione di perforazione) il dielettrico si perfora ed avviene la scarica.	Le cariche elettriche negative lasciano la parte inferiore della nuvola nei punti in cui il gradiente di potenziale è più elevato e scendono lungo il dielettrico con un percorso tortuoso e ramificato. Questo processo avviene a scatti intervallati da brevi pause.	Aumentano le ramificazioni con cui si propagano le cariche negative che procedono tutte alla stessa velocità. Il percorso delle cariche negative è caratterizzato da una debole luminosità.	Dal terreno sottostante, dove si concentrano le cariche positive indotte, partono delle cariche positive verso l'alto che si incontrano con le cariche negative discendenti. Il punto di incontro si trova generalmente ad una quota tra i 15 - 20 metri.

 

Dal terreno parte la scarica di ritorno, luminosissima e elevata intensità. Questa scarica trasporta le cariche positive del terreno alla nuvola, neutralizzando le cariche negative in essa contenute. E' questa la scarica che produce il tuono.	La neutralizzazione delle cariche nella nuvola produce uno squilibrio nella distribuzione delle cariche restanti e delle conseguenti scariche interne alla nuvola stessa. Successivamente si riforma una concentrazione di cariche negative alla base della nuvola e positive sul terreno. Si hanno dunque le condizioni per la formazione di nuove scariche che procederanno lungo lo stesso percorso della prima scarica.	Da terreno parte una nuova serie di scariche di ritorno. Anche questa secinda scarica è molto luminosa e di elevata intensità (generalmente meno della prima).	Una nuova serie di cariche negative scendono dalla nuvola e raggiungono il terreno. Questo fenomeno può manifestarsi, con intensità decrescenti, numerose volte.

I tipi scarica

Il tipo di scarica descritto in precedenza è quello probabilisticamente più frequente, nei casi in cui la scarica avviene tra una nuvola e un terreno aperto.
Il fulmine con cariche positive ascendenti è invece più probabile quando la scarica avviene tra una nuvola ed una struttura metallica di grandi dimensioni o molto elevata.
Riassumendo i tipi principali di fulmini sono:
Fulmine nube-terra: ascendente e discendente, come sopra descritti.
Fulmine nube-nube: detto anche internube, è una scarica tra due nuvole.
Fulmine intranube: sono scariche all'interno di una nuvola. Agli effetti dela protezione degli edifici ha scarsa importanza lo studio delle scariche che avvengono all'interno di una nuvola senza interessare il terreno sottostante. Hanno invece la loro importanza nello studio del comportamento delle linee elettriche aeree.

Oltre a questi di particolare interesse sono:
Fulmine nube-cielo: fulmine dell'alta atmosfera, noti anche come red sprites (spiriti rossi).
Fulmine sferico o globulare: estremamente raro, generalmente non pericoloso, appare come una sfera di fuoco, dal diametro di qualche metro, che danza per alcuni secondi nel cielo. Non è ancora chiaro quale sia il meccanismo di formazione.
Fuochi di S.Elmo (dal nome del patrono dei marinai): un velo incandescente di forma varia che si forma attorno alle punte di qualsiasi oggetto sporgente (estremità di alberi di nave, cime di piante d'alto fusto, guglie, ecc..).
I fuochi di S.Elmo, che nel passato furono appunto interpretati come manifestazioni soprannaturali, sono in realtà dovuti al fenomeno che in elettromagnetismo prende il nome di "potere delle punte".

Cap 3

Cap 5