LA CHIMICA DEI FULMINI

Pubblicato dadrcrazychemistPubblicato in: Senza categoria

Negli ultimi giorni, il cielo sopra l’Italia, e in particolare su Milano, si è acceso di lampi e fulmini. Il maltempo sembra non dare tregua, con temporali intensi che si abbattono sulla città e altre regioni del Paese. Ma cosa si cela dietro questo fenomeno tanto affascinante quanto pericoloso? La risposta si trova nella chimica dei fulmini, un processo naturale che combina elettricità, atmosfera e particelle per dare vita a scariche potenti e spettacolari. In questo articolo esploreremo i meccanismi alla base dei fulmini e il loro impatto sulla nostra vita quotidiana.

COSA SI NASCONDE DIETRO AI FULMINI

Il fulmine è un fenomeno elettrico molto spettacolare dovuto al passaggio di cariche elettriche da un corpo a un altro. I fulmini che si osservano più facilmente sono quelli tra la terra e il cielo, ma questi fenomeni avvengono anche tra due nubi e all’interno della stessa nube.

All’interno delle nubi temporalesche, le correnti ascensionali caricano elettricamente gocce di pioggia e cristalli di ghiaccio, accumulando carica positiva in alto e negativa al centro, mentre il suolo si carica positivamente per induzione. Quando il potenziale elettrico supera un milione di volt per metro, la nube si scarica in un fulmine.

Nel 91% dei casi, i fulmini scendono dalla nube al suolo, ionizzando l’aria e producendo tuoni udibili fino a 15 km di distanza. Nel 50% dei casi, la corrente supera i 20 kA.

Oltre ai fulmini che colpiscono il suolo, ci sono scariche tra diverse parti della nube e fulmini che partono dalla sommità positiva, più frequenti alla fine dei temporali o in supercelle. Attività superiori a 50 fulmini al minuto indicano fenomeni violenti, con rischio di grandine o trombe d’aria.

È stato calcolato che le nubi che danno origine ai fulmini possono accumulare una carica elettrica di alcuni coulomb, raggiungendo in casi eccezionali valori compresi tra 10 e 15 C. Per comprendere meglio l’ordine di grandezza di un coulomb, si può considerare che la carica elettrica trasferita per strofinio è dell’ordine di 10-8 C.

La scarica elettrica, ovvero il trasferimento di cariche da un corpo all’altro, può avvenire in modi differenti. Ad esempio, nel caso di un fulmine tra la terra e il cielo, una possibile spiegazione è la seguente: dalla nube parte una scarica iniziale debole e invisibile, costituita da particelle negative, che si propaga verso il basso a una velocità di circa 100km/s. Quando questa scarica si avvicina al suolo, da esso parte una scarica di ritorno verso l’alto composta da cariche positive. L’incontro tra le due scariche, solitamente a un’altezza compresa tra trenta e cinquanta metri, genera il fulmine, accompagnato dalla produzione di luce (il lampo) e di suono (il tuono).

Il lampo segue un percorso a zig-zag perché la scarica elettrica si propaga attraverso lo strato d’aria tra la nube e il suolo seguendo il percorso di minore resistenza, che spesso risulta essere irregolare e tortuoso.

Il tuono è dovuto al rumore che produce l’espansione rapidissima dell’aria causata dal calore sviluppato dal fulmine: infatti l’aria può raggiungere una temperatura di circa 15000°C.

NON BASTA DIRE FULMINE!

I fulmini generati all’interno delle nuvole si dividono in diverse categorie: quelli che avvengono all’interno della stessa nuvola, quelli che si propagano da una nuvola all’altra, e infine quelli che colpiscono il suolo. Questi ultimi rappresentano solo una piccola percentuale del totale (circa il 10%).

Nel caso dei fulmini che si scaricano al suolo, la differenza di potenziale elettrico si sviluppa a causa dello sfregamento tra le particelle d’acqua in salita e le particelle di ghiaccio in discesa all’interno della nuvola. A seconda della conformazione del territorio e della presenza di strutture appuntite, il fulmine può essere di tipo discendente (dalla nuvola verso il suolo) o ascendente (dal suolo verso la nuvola).

La velocità è variabile e dipende sia dalle condizioni di umidità che dalla differenza di potenziale della scarica, ma si muove tra i 40.000 e i 50.000 km/s.

LA CHIMICA DEI FULMINI

Nella vita quotidiana spesso non ci rendiamo conto di quanta chimica ci circondi, e anche la chimica dei fulmini non fa eccezione: è davvero affascinante.

Come abbiamo detto precedentemente, durante un fulmine, l’aria circostante si riscalda rapidamente, raggiungendo temperature che possono superare i 30.000 °C. Questa estrema temperatura provoca la ionizzazione dell’aria.

Quando un fulmine colpisce, produce alte temperature e pressioni che possono causare reazioni chimiche nel vapore acqueo presente nell’atmosfera.

L’aria è composta principalmente da azoto (N₂) e ossigeno (O₂). Le temperature così estreme del fulmine sono sufficienti per rompere i legami chimici che tengono insieme queste molecole di gas, producendo atomi di azoto e ossigeno liberi.

Questi atomi sono ora liberi e altamente reattivi. Ad esempio, la reazione di scissione del N₂ può essere rappresentata come: N2→2N. Analogamente, la scissione dell’O₂ è: O2→2O.

Questi atomi liberi di azoto e ossigeno sono estremamente reattivi e possono rapidamente combinarsi tra loro per formare vari ossidi di azoto (NO, NO₂, N₂O), che sono composti chimici con effetti significativi sull’ambiente e sull’atmosfera.

2 N + O2​→2 NO

NO + O2​→ NO2​

Gli ossidi di azoto creati si combinano con l’acqua presente nell’atmosfera (H₂O) formando acido nitrico (HNO₃). La reazione chimica è:

2NO2 + H2O→ HNO3 + HNO2

I lampi, oltre a essere spettacolari, influenzano profondamente la chimica atmosferica. Secondo uno studio del ricercatore Renyi Zhang dell’Università A&M del Texas, i fulmini possono essere responsabili fino al 90% degli ossidi di azoto in estate e aumentare i livelli di ozono nella troposfera di fino al 30%.

EFFETTI SULL’ AMBIENTE E SULLA SALUTE UMANA

    L’acido nitrico prodotto viene trasportato dalle nuvole e può precipitare come pioggia acida. Questa pioggia può danneggiare il suolo, le piante e le strutture costruite dall’uomo.

    Gli ossidi di azoto possono essere benefici per il terreno in quanto arricchiscono il suolo di nutrienti, come il nitrato, che sono essenziali per la crescita delle piante. Tuttavia, l’effetto può variare a seconda delle concentrazioni e dell’ambiente specifico.

    L’arricchimento del suolo di nutrienti può influenzare positivamente la vegetazione in alcune aree, ma può anche causare squilibri ecologici se i nutrienti in eccesso alterano la composizione delle specie vegetali e animali locali.

    Un fulmine può causare danni alla salute sia in forma diretta, se colpisce direttamente il corpo, sia indiretta, se la corrente di ritorno attraversa il terreno e raggiunge l’individuo. I danni più gravi derivano dalla fulminazione diretta e possono essere fatali. La corrente può passare attraverso il cuore, causando un arresto cardiaco, o attraversare i centri nervosi e respiratori, portando a un arresto respiratorio. Le bruciature provocate dal fulmine possono anch’esse essere fatali o causare gravi ferite.

    Tra i danni meno gravi si trovano paralisi, amnesie e perdita di conoscenza che possono durare da pochi minuti a diverse ore. Inoltre, il bagliore del fulmine può provocare disturbi alla vista, mentre l’onda d’urto può danneggiare l’udito. Effetti indiretti dei fulmini includono incendi e caduta di alberi.

    In conclusione, i fulmini sono molto più di un semplice spettacolo naturale; sono fenomeni complessi che hanno un impatto profondo sulla chimica dell’atmosfera e sull’ambiente circostante. Comprendere questi fenomeni e i loro effetti è cruciale per gestire e mitigare i loro impatti, migliorando la nostra capacità di convivere con la natura e proteggere gli ecosistemi. In definitiva, lo studio dei fulmini ci offre non solo uno sguardo sulla potenza della natura, ma anche importanti insegnamenti per preservare l’equilibrio del nostro pianeta.

    Dott. Francesco Domenico Nucera

    FONTI:

    Lascia un commento