Perché i fulmini compiono un percorso a zigzag?

Quando vediamo un fulmine passare da una nuvola all'altra o colpire la superficie, le forme che vediamo sono molto varie, ma mai una linea retta. La domanda che sorge rapidamente è perché i fulmini hanno quella forma a zigzag e non prendono il percorso più breve per andare da un punto all'altro. Questo modello caratteristico è correlato a una forma di ossigeno che si accumula quando il fulmine colpisce.

Secondo un rapporto citato da Live Science, alcune ricerche recenti hanno iniziato a indicare la strada per queste risposte. John Lowke, un fisico dell'Università del South Australia e autore principale di uno studio che studia il "modello a gradini" dei fulmini, ha osservato che "sebbene sappiamo tutto sulla maggior parte delle cose sulla Terra (gli scienziati, ad esempio, possono prevedere le eclissi lunari e solari con una precisione in una frazione di secondo) abbiamo ancora grandi misteri sui fulmini più comuni".

Gli elementi che dirigono ogni fulmine

Nel recente studio sulla fisica dei fulmini pubblicato nel dicembre 2022 sul Journal of Physics D: Applied Physics, Lowke e colleghi suggeriscono che il caratteristico andamento a zig-zag dei fulmini è causato da una forma altamente conduttiva di ossigeno che si accumula irregolarmente mentre il fulmine viaggia verso terra, a volte per grandi distanze.

Le fotografie di fulmini a rapida esposizione mostrano che i fulmini sono preceduti da scariche pilota (definite "leader") di aria ionizzata caricata elettricamente che si dirama dal fondo di una nuvola temporalesca.

Nella maggior parte dei casi, questi leader sono troppo deboli per essere visti ad occhio nudo. Come sottolinea Lowke, sono questi e non il fulmine finale, a formare il caratteristico percorso a gradini.

L'aria di solito funge da isolante che non conduce elettricità, ma i leader creano regioni con alte concentrazioni di una forma speciale di ossigeno altamente conduttivo chiamato "singlet delta oxygen", cioè molecole di ossigeno con uno stato energetico inferiore al normale. Ogni "zig" o "zag" di un leader rappresenta un "passo" di circa 50 metri di lunghezza causato dalla scarica di carica elettrica attraverso tale regione.

L'importanza di saperne sempre di più sui fulmini

Tra le conclusioni dello studio si è arrivati a capire che i potenti campi magnetici di livello inferiore creano quasi istantaneamente molecole aggiuntive di questo tipo di ossigeno dalle normali molecole di ossigeno nell'atmosfera, e le concentrazioni di questo ossigeno altamente conduttivo possono diramarsi in tutte le direzioni da dove il gradino finisce. Il leader si scarica attraverso passaggi successivi in circa un milionesimo di secondo, ciascuno seguito da un breve periodo "buio" in cui le fotografie non mostrano alcuna scarica visibile, e infine colpisce il suolo o un oggetto alto a lui collegato.

Tale impatto provoca il "colpo di ritorno" visibile e molto rumoroso del fulmine per circa un millesimo di secondo, viaggiando indietro lungo il percorso a zig-zag del singlet delta oxygen altamente conduttivo. Gli altri conduttori a questo punto perdono la carica e scompaiono. Secondo Lowke, “Una migliore comprensione di come funzionano i fulmini può aiutare le strutture e le persone a sopravvivere alle tempeste. Ad esempio, può essere utile per posizionare parafulmini su oggetti alti, come edifici, antenne radio e sovrastrutture navali”.

Sebbene gran parte della comunità scientifica ora presuma che si tratti di elettricità statica creata dal movimento delle particelle di ghiaccio nelle nuvole temporalesche, Lowke afferma che non è noto con certezza. Ritiene inoltre necessario continuare a indagare per trovare una risposta chiara ai dubbi generati dai fulmini.