Tornado alias Tromba d'aria

Le trombe d'aria, o tornado, possono svilupparsi quasi ovunque (fatta eccezione per le regioni polari) e solitamente si presentano con le stesse caratteristiche se non fosse perchè nel nostro emisfero ruotano, nella quasi totalità dei casi, in senso antiorario mentre quelle che si formano nell'emisfero australe ruotano quasi tutte in senso orario. La tromba d'aria si sviluppa, nella quasi totalità dei casi, alla base del cumulonembo, sotto la nube Wall Cloud (nube a muro), di un temporale a Supercella in cui la corrente ascensionale (updraft) è molto intensa e dotata di un proprio moto rotatorio (mesociclone). In casi abbastanza rari, quando si è in presenza di aria abbastanza secca nei bassi strati, può accadere che una tromba d'aria nasca dalla Rain Free Base e non essendo visibile, in quanto la bassa umidità negli strati prossimi al suolo inibisce la formazione della Wall Cloud e delle altre nubi, è potenzialmente ancora più pericolosa perché comunque attiva con i suoi forti venti in rotazione e le sue veloci correnti ascensionali. Nella sua fase embrionale una tromba d’aria si presenta con la formazione  di un Funnel Cloud alla base della nube a muro (Wall Cloud), solitamente posizionata fra il centro ed il suo bordo meridionale, apparendo come una sporgenza rotante oppure come un cono diffuso a forma di V. Successivamente occorrerà verificare l'eventuale contatto col terreno mediante il Debris Cloud. La Debris Cloud è una nube in rotazione formata da polvere e detriti che si forma attorno alla base del tornado e non per condensazione del vapore acqueo. Ecco quindi che la Debris Cloud non è il tornado anche se quest'ultimo può essere avvolto da detriti e polvere.  Il Funnel Cloud può anche formarsi senza la presenza di una nube a muro (Wall Cloud). In questo caso la forma della tromba d’aria sarà assottigliata, molto contorta, poco potente e paragonabile, per gli effetti che avrà sul territorio, ad una tromba marina. Generalmente questo è il tipo di tromba d’aria che solitamente può svilupparsi sul suolo italiano ed europeo e che, non nascendo da un temporale a supercella, viene detta tromba d’aria non mesociclonica o landspout. La tromba d’aria non mesociclonica non avrà un riscontro nè visivo (wall cloud) e nemmeno sul tracciato di un radar (assenza del mesociclone e quindi dell’eco ad uncino). Le trombe marine non associate ad una Wall Cloud ed ad un mesocicloni sono chiamate Waterspout. Sono tornado di ridotte dimensioni che seguono l'evoluzione di un normale temporale, sono poco duraturi, spesso di scarsa intensità e si spostano lentamente. Tuttavia sono in grado di provocare danni significativi a persone o cose. Le trombe d’aria del tipo Landspout si formano durante le fasi più intense dei temporali multicellulari (tipo di temporale senza la formazione di Wall Cloud) all’interno di una singola cella in fase di maturazione (cella giovane) cioè quando le correnti ascensionali (updraft) sono dominanti. Il loro sviluppo, a volte, avviene in seno ad una Shelf Cloud molto attiva e ben delimitata quando il downdraft associato ha un’intensità discontinua, lungo tutta la nube, che ne provoca un’inclinazione o addirittura una frattura dovuta alla diversa spinta generata dalla corrente discensionale. Se l’inclinazione della Shelf Cloud è tale che un’estremità della nube va a toccare il suolo viene innescato un moto rotatorio in grado di generare una piccola tromba d’aria che generalmente ha un’intensità non superiore a F2. Se la corrente discensionale (downdraft) provoca una frattura, dalla Shelf Cloud si potrà originare una Funnel Cloud, ma il fenomeno sarà così repentino che l’osservatore vedrà solamente la tromba d’aria già formata. In altri casi piccole trombe d’aria si sviluppano senza che vi sia la sequenza di eventi descritti in precedenza ma in seguito a semplici turbolenze che si sviluppano all’interno della Shelf Cloud e         raggiungono il suolo. In questo caso la rotazione alla massa d’aria viene impressa dalla forza deviante di Coriolis. I tornado che nascono da una Supercella invece si formano quando il mesociclone è maturo o addirittura in fase di decadimento ed il loro innesco è derivato dalla concentrazione, in un’area relativamente ristretta rispetto all’estensione, della quantità di moto che occupa l’intera Supercella La trasformazione dalla struttura classica ad imbuto ad una forma più massiccia di tronco di cono rovesciato o di massa scura e indistinta, è tipica dell'avanzamento di un tornado mesociclonico che si trova nel suo stadio di maturità e di massima intensità Quando il diametro del vortice diminuisce e la nube si assottiglia, assumendo un aspetto contorto, significa che la tromba d’aria inizia la sua fase di decadimento e la Wall Cloud, se presente, si sta destrutturando ma ciò non significa che non possa creare un altro vortice in pochissimo tempo. In ogni caso il moto rotatorio viene quasi sempre innescato dalla linea di contrasto esistente fra la corrente ascensionale (updraft) e la corrente discendente (downdraft con annesse precipitazioni) e continua fino a quando la cella temporalesca è attiva cioè per tutto il tempo in cui si hanno contemporaneamente forti moti ascensionali e discensionali. Riassumendo possiamo affermare che quando una corrente d’aria salendo repentinamente verso l’alto cambia di velocità e di direzione è potenzialmente foriera di moti vorticosi che potrebbero favorire, in particolari condizioni ambientali, la formazione di trombe d’aria. La tromba d’aria generalmente si muove nella stessa direzione in cui punta il temporale (la direttrice solitamente è Ovest o Sud Ovest verso Est o Nord Est) con una velocità media di traslazione compresa fra 30 e 50 km/h ma che può arrivare a punte di 110 km/h. Lo spostamento di una tromba d’aria sarebbe ragionevolmente prevedibile se non fosse per due fattori che potrebbero trarre in inganno l’osservatore: 1) il mesociclone può creare una nuova Wall Cloud in un altro settore quasi sempre ad Est rispetto a quella vecchia, posto che il temporale si muova verso Est. La Wall Cloud può anche spostarsi per riformarsi a fasi ed in maniera irregolare (direzione imprevedibile) 2) la tromba d’aria può ritornare sul proprio percorso quando la base della stessa viene colpita dall'outflow proveniente dal centro del sistema temporalesco. La velocità delle correnti che formano il vortice può anche superare i 500 Km/h mentre al suo interno le correnti ascensionali possono raggiungere velocità di 300 Km/h. Solitamente nelle vicinanze di un tornado, nel raggio di pochi chilometri, l'aria è relativamente calma poichè ci si trova sotto l'updraft principale della struttura temporalesca. Tuttavia in alcuni forti tornado la bassa pressione al suolo, che richiama aria dalle zone adiacenti, porta ad un incremento regolare del vento sulla porzione esterna del vortice principale. Quest’aria si dirige verso il centro del tornado muovendosi parallelamente al terreno e trasportando polvere o altri detriti presenti potenzialmente pericolosi per persone o cose. Il passaggio del vortice è accompagnato da una varietà di suoni: 1)     irregolari. Sono quelli causati dai danni subiti dagli edifici, dalle vetture, dagli alberi e dalla cartellonistica pubblicitaria e stradale. 2)     costante. E’ il rumore che proviene dal nucleo centrale del temporale in cui i chicchi di grandine sbattono violentemente al suolo o collidono fra loro a mezz’aria. 3)     rombo. L’origine di un rumore simile ad un rombo non è ancora stata chiarita. I tornado si formano sul lato posteriore del sistema a Supercella vicino alla zona in cui il cielo è più chiaro e non ci sono precipitazioni di rilievo (per la sequenza delle precipitazioni all’interno della Supercella vedi la sezione specifica). Subito dopo il transito del tornado potrà ancora cadere un po' di pioggia e qualche chicco di grandine ma il cielo si rasserenerà rapidamente e definitivamente accompagnato da freschi venti provenienti da Ovest- Nord Ovest. Il tornado si indebolisce quando il mesociclone perde la sua forza a causa l'outflow del RFD che attornia il temporale isolando ed estinguendo quel serbatoio di aria calda ed umida che è l’inflow. La formazione , lo sviluppo e l’avvicinamento della tromba d’aria a volte possono essere nascoste da ostacoli orografici, alberi o addirittura nebbia. Nel caso in cui la tromba d’aria nasca da una Low Potential Supercell può essere occultata dalle dense Rain Curtain. In qualsiasi caso le conseguenze saranno ancora più gravi a causa dell’effetto sorpresa nei confronti dell’eventuale osservatore che potrà accorgersi dell’avvicinamento della tromba d’aria per l’intensificazione del rombo da essa provocato. Le trombe d'aria generalmente non si formano nelle zone montuose in cui i rilievi hanno una certa consistenza ma possono svilupparsi sulle aree pedemontane delle Prealpi e delle zone collinari appenniniche. La presenza di rilievi abbastanza elevati determina condizioni non idonee alla formazione dei vortici impedendo la linearità delle linee di flusso che ai vari livelli concorrono a strutturare la tromba d’aria. Nel caso in cui un vortice riuscisse a formarsi in presenza di ostacoli di grandi dimensioni, che producono moti localizzati (correnti generate dal rilievo montuoso spesso tangenziali al vortice o in grado di determinare windshear verticale sfavorevole), non riuscirebbe comunque a svilupparsi a causa del suo precoce disassamento. In sostanza il vortice per svilupparsi ha bisogno di spazi abbastanza liberi da ostacoli con dimensioni rilevanti. La scala Fujita La scala Fujita prende il nome da T. Theodore Fujita, un professore dell'Università di Chicago. E' stata introdotta nel 1971 e classifica i tornado in base agli effetti che produce all'ambiente, agli edifici e ad altre infrastrutture o manufatti costruiti dall'uomo. Grado Tipo Vento (Km/h) Effetti F0 Debole 65-120 Rami degli alberi spezzati, danneggiati i cartelloni e i segnali stradali.   F1 Moderato 120-180 Asportazione della superficie dei tetti; auto spinte fuori strada; piccoli stabili distrutti (garage, box).   F2 Intenso 180-250 Alberi sradicati, oggetti scagliati lontano a forte velocità, interi tetti sollevati dalle case, case senza fondamenta devastate.               F3 Forte 250-330 Boschi rasi al suolo, auto trascinate o sollevate da terra, possibilità di crollo di pareti di case.  F4 Devastante 330-420 Oggetti scagliati a notevole distanza, automobili sollevate da terra e spostate per decine di metri, gravi danni alle case con deboli fondamenta.   F5 Catastrofico 420-520 Auto spostate anche per centinaia di metri, sollevamento di autotreni, case con buone fondamenta distrutte, alberi distrutti e scortecciati, danni seri anche ad edifici in cemento armato,             Chiamato in gergo "Il dito di Dio"

(fonte: Meteo Castelverde)

Il Tuono

Il forte boato provocato dal riscaldamento improvviso dell'aria quando innescato dal passaggio di un fulmine viene definito tuono. Le onde d'urto sono udibili fino ad una distanza massima compresa fra 17 e 20 chilometri.

Ma come si riproduce il rumore del tuono?

Il tuono è un’onda d’urto che deriva dal sensibile aumento di pressione causato dall’intenso calore della scarica elettrica. Infatti l'aria circostante si riscalda (espansione) e subito si raffredda (contrazione): questo effetto a fisarmonica provoca una violenta onda d'urto che dà origine al tuono.

Come si calcola la distanza di caduta di un fulmine in base al tuono?

La luce viaggia a 300.000.000 metri al secondo, il suono invece si diffonde nell'aria a circa 340 metri al secondo. Questa enorme differenza, fa sì che si veda prima la scarica elettrica e successivamente si senta il frastuono prodotto dallo spostamento d'aria. Facendo quindi un piccolo calcolo, si nota che in tre secondi il rumore del tuono avrà percorso approssimativamente 1 chilometro (3 secondi = circa 1 chilometro). Di conseguenza sarà sufficiente conteggiare i secondi da quando vediamo scaricarsi il fulmine fino a al momento in cui udiamo il tuono, quindi dividere il risultato per tre. Quest'ultimo valore ci darà la distanza, in chilometri, che intercorre fra il luogo dove è caduto il fulmine rispetto a quello in cui ci troviamo.

Esempio: dopo aver visto il fulmine sono passati 9 secondi ed abbiamo udito il rumore del tuono. Quindi:

9 x 340 metri al secondo = 3.060 metri

se teniamo in considerazione che in 3 secondi il suono percorre circa 1 chilometro è lo stesso dire che:

9 secondi: 3 = 3 chilometri

In linea di massima i tuoni si possono udire fino a circa 17-20 chilometri, ma questo è un dato mediato che in realtà dipende da due fattori principali: l'umidità relativa e la direzione del vento. Se l'umidità relativa è bassa i tuoni si sentiranno a distanza maggiore, infatti elevate concentrazioni di vapore acqueo "schermano" la propagazione delle onde sonore. 

Se il vento soffia dalla cella temporalesca verso l'osservatore allora i tuoni si potranno sentire anche fino a 20-30 chilometri di distanza (trasporto di onde sonore da parte della corrente aerea).

Nel caso inverso si possono sentire i tuoni a non più di 10-15 chilometri.

(fonte: Meteo Castelverde)

Il Fulmine: modalità di comportamento per la vostra sicurezza

I fulmini sono la seconda causa di morte per eventi atmosferici dopo le piene improvvise e le alluvioni. Gli uomini sono colpiti quattro volte più che le donne (80 % contro il 20 %), sembra che ciò sia dovuto sia alle proprietà elettriche del testosterone (ormone maschile), sia al fatto che gli uomini svolgono maggiori attività all'aperto, spesso maneggiando oggetti metallici.

Solo il 20-30 % delle persone colpite da un fulmine muoiono.

La morte avviene o per arresto cardiaco o per paralisi respiratoria. L'effetto della scarica elettrica è quello di produrre profonde bruciature nel punto in cui è passata la corrente (tipicamente nella testa, nel collo e nelle spalle). 

Le attività più a rischio durante un temporale sono:
1. Lavorare o giocare in terreni aperti.

Se vi trovate all'aperto è sconsigliabile rimanere in acqua, essendo essa un ottimo conduttore di elettricità. Non rimanete presso alberi, tralicci, antenne o oggetti simili perchè possono fungere da richiamo. In particolare fate attenzione agli alberi, specie se isolati, vecchi e pieni di cavità poiché la corrente passando attraverso il tronco fa evaporare all'istante la linfa provocandone l'esplosione. Un buon rifugio è l'automobile che rimane isolata da terra con le ruote di gomma. Se vi trovate all'aperto senza ripari nelle immediate vicinanze converrà senz'altro piegarsi "a riccio" tenendo i piedi il più uniti possibile e con la testa tra le ginocchia. Infatti quando cade una saetta a terra si crea la corrente di passo, ovvero un campo di tensione       che si espande verso l'esterno. Se noi tocchiamo il suolo con entrambi i piedi tocchiamo due punti a differente tensione, quindi saremo attraversati dalla corrente. L'ideale sarebbe poggiare a terra con un solo piede...questa regola è ancora più importante se si rizzano i capelli o se sentiamo crepitii nell'aria, ciò significa che ci troviamo nella zona dell'elettricità positiva alla base del Cumulonembo dove il rischio di folgorazione è massimo. Per cui non sdraiatevi a terra perchè così aumenta la superficie a contatto con le cariche positive e quindi il rischio di essere fulminati.

2. Se vi trovate in casa:

Evitate di stare vicini a superfici e ad oggetti metallici.

Non accendete apparecchi elettrici tipo la televisione poiché l'antenna anche se "messa a terra" può funzionare da parafulmine.

Non tenete aperte le porte e le finestre evitando di restare vicino ad esse.

Non telefonate.

Non fate il bagno o la doccia.

Non entrate in contatto con acqua corrente evitando di lavare le stoviglie ed i panni sotto un rubinetto di acqua corrente.

3. Se vi trovate in mare

Evitate la navigazione.

Evitate la pesca anche se siete a terra

Evitate il nuoto e qualsiasi contatto con l'acqua.

Evitate di restare vicino all'acqua (spiaggia e bagnoasciuga).

4. Se vi trovate in montagna

Se vi trovate su un sentiero e venite sorpresi da un temporale conviene scendere di quota e cercare un buon rifugio all'interno di una struttura metallica.

S e non ne avete la possibilità buoni rifugi possono essere:

 a) l'interno di una grotta non sostando sulla soglia e rimanendo lontani dalla roccia

 b) le conche nel terreno

 c) le vie ribassate

 d) i bivacchi ed i fienili mantenendo una distanza dalle paretiesterne

Se siete costretti a rimanere all'aperto occorre che:

 e) vi allontaniate dai punti che sporgono rispetto ai dintorni e dai luoghi esposti

 f) evitiate di stare nelle vicinanze di tralicci, funi e scale che attrezzano i percorsi 

 g) vi togliate tutti gli oggetti metallici perchè potrebbero procurare serie bruciature.

 h) vi tappiate le orecchie soprattutto nell'istante successivo al bagliore

 i) evitiate di guardare direttamente la luce intensa del fulmine

In qualsiasi situazione vi troviate ricordatevi comunque il motto:

"Se puoi vederlo (fulmine) sbrigati, se puoi sentirlo (tuono) fuggi".

Come soccorrere una persona colpita da un fulmine.

Prima regola: non lasciarsi prendere dal panico. Chiamate i soccorsi perchè il soggetto dovrà essere al più presto sottoposto a trattamenti medici. Poichè la persona colpita dal fulmine non rimane carica elettricamente soccorrendola non si rischia nulla. L'80% delle vittime da fulminazione sopravvive, per cui un soccorso tempestivo ha molte probabilità di successo. Possono risultare efficaci se eseguiti immediatamente il massaggio cardiaco e la respirazione artificiale.

Oltre alle bruciature possono verificarsi alterazioni del sistema nervoso centrale, disturbi del ritmo cardiaco, crampi, paralisi o altri disturbi neurologici come la perdita di coscienza e l'amnesia che possono durare da qualche minuto a qualche ora. La protezione dall'ipotermia, la         posizione laterale, la copertura delle bruciature con garze sterili saranno sempre utili. Possono presentarsi inoltre ferite per cause indirette, ad esempio fratture da caduta. Infatti l'effetto della corrente sul sistema nervoso  è tale da provocare delle contrazioni muscolari involontarie capaci di scaraventarvi a distanza. In questo caso valgono le consuete norme di soccorso.

(fonte: Meteo Castelverde)

Il Fulmine

I fulmini sono delle violente scariche elettriche che si manifestano con l'emissione di luce (lampo) e suono (tuono).

Il calore di un singolo fulmine ha intensità inimmaginabile: in millionesimi di secondo la temperatura può raggiungere i 33.000 °C, quasi cinque volte la temperatura della superficie del sole. Gli effetti prodotti sono impressionanti, può ridurre gli alberi delle navi in segatura sparsa per il mare, fondere i metalli bucando le campane delle chiese, trasformare delle catene in sbarre di ferro saldate tra loro.

Ci sono tre tipi principali di fulmini:

1. Fulmine nube-terra

2. Fulmine nube-nube (internube)

3. Fulmine intranube

1

2

3

La formazione del diverso tipo di fulmine dipende dalla ripartizione delle cariche elettriche di segno opposto dentro e attorno al cumulonembo.

1) I fulmini nube-terra sono più frequenti nell'area delle correnti ascensionali e partono dalla base della nube, caricata negativamente, e giungono al suolo caricato positivamente. La superficie terrestre e gli oggetti sopra la stessa conducono l'elettricità molto meglio dell'aria: perciò i fulmini sfruttano il "potere delle punte" seguendo il percorso più breve ed abbattendosi su montagne, campanili, antenne, grandi alberi isolati. In casi piuttosto rari i fulmini nube-terra non partono dalla base del cumulonembo bensì dalla sua sommità, caricata positivamente, e si scaricano su una parte del suolo esterna al perimetro del temporale che è caricata negativamente. Questi sono i fulmini positivi che possono raggiungere addirittura lunghezze di 40-50 chilometri per quanto riguarda la sola scarica principale (senza le ramificazioni). Evidentemente sono casi più unici che infatti vengono chiamati fulmini a ciel sereno. I più comuni sono i fulmini negativi (base della nube-terra e nube-nube) ed hanno una lunghezza che di solito non supera i 4-5 chilometri.

2) I fulmini nube-nube o lampi si producono all'interno del Cumulonembo quando la scarica elettrica passa tra la base della nube (caricata negativamente) e la sua sommità (caricata positivamente). La zona della nube ove in genere si sviluppa il maggior numero di lampi è quella a maggior concentrazione di gocce sopraffuse. Le scariche elettriche che illuminano dall'interno la struttura verticale del temporale possono essere utilizzate per valutare la consistenza e la direzione del temporale. Considerato che i lampi scoccano a quote più elevate, rispetto ai fulmini nube-suolo, sono visibili anche a più di 300 chilometri di distanza se l'aria è limpida e la zona è pianeggiante. Se invece c'è foschia sono visibili a 100-120 chilometri.

3) I fulmini nube-aria si verificano quando una scarica elettrica si propaga tra un accumulo di cariche negative o positive all'interno della nube e una zona di cariche opposte nell'atmosfera circostante. Solitamente sono fulmini molto più sottili, deboli, corti e si formano quasi esclusivamente in corrispondenza della sommità della nube.

Solo il 20% dei fulmini che si sviluppano in un temporale tocca terra. L'osservazione  delle nubi non aiuta gran chè a prevedere le possibili aree colpite dai fulmini. Assume comunque una certa importanza l'individuazione delle rain curtain, ovvero la zona interessata dei rovesci, perchè i fulmini nube-suolo si attenuano temporaneamente finchè questi ultimi sono in atto. Al contrario risultano essere più pericolosi e frequenti subito prima della fascia dei rovesci poichè il canale di aria ionizzata su cui si indirizzano le scariche portanti, nella loro fase discendente, trova maggior fluidità e penetrazione tanto più l'aria è calda rispetto all'ambiente circostante.

Oltre a quelli precedentemente descritti esistono altri tipi di fulmine di particolare interesse e cioè:

Fulmine nube-cielo in alta atmosfera altrimenti noti come red sprites (spiriti rossi).

Palla di fuoco, (ball lightning) fulmine sferico o globulare. Questo tipo di fulmine è estremamente raro e generalmente non è pericoloso. Appare come una sfera di fuoco dal diametro di qualche metro ed è prodotto da una parte della carica elettrica di un fulmine nube-suolo che prende la forma di una palla che può rotolare sul terreno.

Fuochi di S.Elmo. Un fulmine caratterizzato da 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..). Osservati per la prima volta sulla sommità degli alberi delle navi fu chiamato fuoco di Sant'Elmo dal nome del patrono dei naviganti. Si verifica nei casi in cui l'accumulo di cariche opposte non è sufficiente a far scoccare un fulmine, per cui appaiono alcune scintille azzurrognole sulle estremità degli oggetti appuntiti vicini alla zona temporalesca.

I fulmini a razzo sono molto rari e costituiti da una scarica che procede molto lentamente tanto da dare l'impressione di un razzo che voli.

I fulmini a perla appaiono suddivisi in segmenti ad intervalli più o meno regolari fra loro.

I fulmini superficiali hanno l'aspetto di lingue di fuoco provenienti dall'orizzonte e sono prodotti da scariche elettriche non direttamente visibili dall'osservatore anche se può udirne il tuono. Possono verificarsi dentro una nube o dietro le nubi più vicine rendendole visibili anche a grandissima distanza.

Fisicamente il fulmine è determinato dal rapido passaggio di corrente che avviene fra due conduttori (le nuvole, la terra o altri oggetti) quando l'eccessiva presenza di cariche elettriche di segno opposto vengono a contatto una volta che l'isolante (l'aria) non riesce più a tenerle separate. L'aria (circa 78% azoto, 21% di ossigeno) è un isolante (le molecole che la costituiscono normalmente si trovano allo stato neutro) e quindi perché ci sia il passaggio di corrente elettrica deve essere "ionizzata". Perché questo avvenga c'è bisogno di energia e all'interno di un temporale questa non manca. Il fulmine è un processo di scarica a valanga, infatti è la stessa energia prodotta dal fulmine che ionizza le particelle d'aria circostante (gli ioni accelerati dal campo elettrico hanno energia cinetica superiore all'energia di estrazione degli elettroni e quindi producono con gli urti la ionizzazione delle particelle d'aria).

All'interno dei Cumulonembi le cariche positive sono concentrate nella parte più alta e quelle negative in quella più bassa. Esistono varie teorie che tentano di spiegare questa particolare disposizione e la più credibile è che tale separazione abbia origine dalle collisioni fra i vari elementi che compongono la nube (piccole gocce di acqua e piccoli cristalli di ghiaccio), dovute alle forti correnti ascendenti e discendenti caratteristiche di queste imponenti e turbolente nubi a sviluppo verticale.
Le particelle più piccole sembra che tendano ad acquistare cariche negative e a concentrarsi appunto in basso, mentre le più grandi tendano ad acquistare cariche positive concentrandosi in alto.
La suddetta separazione produce enormi differenze di potenziale sia all'interno della nube che fra la nube e la terra, che per induzione tende a caricarsi positivamente. La differenza di potenziale, che può raggiungere i milioni di volt, supera la capacità isolante dell'aria e a questo punto le cariche vengono a contatto scoccando il fulmine.

Il meccanismo della scarica è complesso e si manifesta così:

1) Scarica leader (o scarica guida): inizialmente dalla nube scende verso il suolo una scarica pilota debole ed invisibile composta da particelle cariche negativamente che avanza verso il basso ad una velocità di circa 100 chilometri al secondo con percorsi successivi di breve lunghezza, procedendo a zig-zag e creando un'intensa ionizzazione. Questo processo richiede un centesimo di secondo e riesce a formare un canale ionizzato lungo anche 8 chilometri.

2) Quando la scarica guida (scarica leader) si avvicina al suolo, da quest'ultimo parte una scarica di ritorno diretta verso l'alto composta da un flusso di cariche positive presenti a terra.

3)Quando le due si incontrano (ad un altezza media di 30-50 metri), si instaura una forte corrente elettrica nel canale (largo poco più di una matita).

4) Quando le due scariche si incontrano, segnano nell'aria una scia di congiunzione tra cielo e terra lungo la quale risale verso la nube una fortissima corrente elettrica ad una velocità stimata in circa un terzo di quella della luce (130 milioni di metri al secondo). Una volta creato il canale ionizzato altri fulmini possono utilizzarlo (producendo una caratteristica luce intermittente)

Anche se la scarica di un fulmine ha una durata di millesimi di secondo è in grado di liberare una quantità enorme di energia, pensate che si possono raggiungere:

Lunghezza: anche decine di chilometri

Larghezza: poco più di una matita

Differenza di potenziale: diverse centinaia di milioni di Volt

Intensità di corrente: 20.000 Ampere

Temperatura: 33.000 °C

Velocità: circa 130 milioni di metri al secondo.

Tempo: la scarica leader raggiunge il punto di congiunzione in 20 millisecondi, la scarica di ritorno in 70 millisecondi raggiunge la nube.

Il fulmine assume una configurazione ramificata perchè il canale conduttore, creato dalla scarica guida (leader), si divide in molti canali lungo i quali si verificano numerose scariche di ritorno.

Se lungo lo stesso canale ionizzato, creato dalla scarica guida, passano in poco tempo diversi fulmini si crea quell'effetto di luce tremolante molto spesso visibile durante un temporale.

La tipica conformazione a zig zag di un fulmine è dovuta al fatto che la corrente non procede in linea retta cercando la via più breve per raggiungere il terreno, ma segue il tragitto dettato dalla minore resistenza elettrica dell'aria.  

La struttura elettrica dell'atmosfera.

Durante le giornate di bel tempo, esiste una differenza di potenziale dai 200.000 ai 500.000 V fra la superficie della terra e la ionosfera (80 chilometri di altitudine) con associata un'intensità di corrente di circa 2 pA/m². Questa differenza di potenziale è mantenuta su valori così elevati dall'attività temporalesca in corso sulla Terra che stima in media: da 30 a 100 fulmini nube-terra in ogni secondo per un totale di circa 5.000.000 di fulmini al giorno.

Esistono due teorie che cercano di spiegare il motivo per cui una nube temporalesca acquista carica elettrica positiva alla sua sommità e negativa alla base.

La teoria convettiva e la teoria gravitazionale.

Secondo la teoria convettiva le regioni cariche di elettricità sono create dagli ioni liberi nell'atmosfera che catturati dalle goccioline d'acqua vengono trasportati dalle correnti ascensionali interne alle nubi.

Secondo la teoria gravitazionale invece le particelle cariche negativamente sono più pesanti di quelle cariche positivamente e quindi si separano a causa della forza di gravità. Secondo questa teoria esistono processi di scambio di carica elettrica, fra particelle di diversa dimensione, che possono essere processi induttivi o processi non-induttivi. Sembra che il più importante sia il processo non-induttivo che si instaura fra i cristalli di ghiaccio e la grandine (chiamato ghiaccio-ghiaccio). Processo che si spiega con le proprietà termo-elettriche del ghiaccio. Infatti il difetto di ioni (OH3)+ nel ghiaccio è più grande del difetto di ioni (OH)- e questo difetto aumenta con la temperatura. Quando particelle di ghiaccio calde e fredde entrano in contatto, le particelle più fredde (cristalli di ghiaccio) si caricano di segno più, mentre le più calde (grandine, nevischio, groupel) di segno meno. Anche se questa è oggi la teoria più quotata, sembra non essere del tutto soddisfacente (ad esempio non spiega i fulmini osservati nelle nuvole con assenza di ghiaccio). 

A livello chimico i fulmini causano la formazione di ozono (avvertibile dall'odore acre) e di composti nitrici tramite l'ossidazione dell'azoto. In quest'ultimo caso si producono nel suolo gigantesche quantità di materie azotate (che lo fertilizzano).
Non dimentichiamoci gli effetti elettromagnetici. Le scariche sono accompagnate da forti emissioni di onde elettromagnetiche che producono disturbi nelle trasmissioni radio, in particolare nel campo delle onde lunghe e medie (accendendo la radio - ovviamente su frequenze che non stanno trasmettendo nessun tipo di suono è possibile sentire degli schiocchi quando si verificano i fulmini).

Rilevamento dei Fulmini. E' da alcuni anni che sono attive delle reti di rilevamento in tempo reale dei fulmini nube-terra. Esse permettono il posizionamento esatto e una stima dell'intensità del fulmine caduto. In Italia è attiva la rete dell'ENEL-CESI denominata SIRF (Sistema Italiano Rilevamento Fulmini). Si tratta di una rete di sensori (simili a delle radio) che percepiscono le variazioni elettromagnetiche prodotte dai fulmini e attraverso delle triangolazioni ne consentono la localizzazione. Ogni sensore percepisce fulmini fino a 400 chilometri di distanza. Questo tipo di rilevamento è particolarmente utile alle compagnie elettriche, che possono sapere in tempo reale dove sono le scariche e deviare la corrente su altre linee, sia per attivare il servizio di manutenzione dei guasti. A livello amatoriale i fulmini possono essere sentiti su una normale radio sintonizzata su una frequenza, senza segnale, compresa fra 1 kHz e 1 MHz.

(fonte: Meteo Castelverde)