Dalle ire di Zeus alla meteorologia moderna

I fulmini sono uno degli aspetti più affascinanti e spettacolari della meteorologia. Fenomeni atmosferici che, a causa della rapidità con cui hanno luogo sono sempre stati complessi da studiare e da comprendere. Osservati dall’uomo fin dall’antichità con timore e rispetto, si vedeva in essi una manifestazione divina: i Greci attribuivano i fulmini a Zeus, mentre i Romani li vedevano come un segnale di Giove. Con il processo della scienza, tale fenomeno ha iniziato ad essere studiato in modo più sist
ematico. A tal proposito, già nel ‘700 grazie al contributo del celebre Benjamin Franklin con il suo esperimento del parafulmine, si capì che i fulmini erano scariche elettriche e non fenomeni soprannaturali. Da allora, lo studio dell’elettricità atmosferica si è evoluto, portando allo sviluppo di strumenti avanzati per monitorare e prevedere questi eventi e studiarne l’impatto sull’ambiente e i rischi che comportano, in particolare per l’aviazione. Pertanto, comprendere la formazione dei fulmini e, quindi, il processo di elettrificazione di una nube è un fattore determinante nell’ osservazione meteorologica e nella previsione a brevissimo termine, il cosiddetto now-casting.

Come nasce un fulmine?

Innanzitutto, con il termine fulmine si indica generalmente una intensa scarica elettrica atmosferica. Nella maggior parte dei casi, i fulmini si originano all’interno delle nubi temporalesche, i cumulonembi, che offrono le condizioni ideali per la separazione delle cariche elettriche. Tuttavia, la loro formazione è anche influenzata dal circuito elettrico globale, un sistema naturale che collega l’atmosfera, la superficie terrestre e la ionosfera attraverso un flusso continuo di corrente elettrica. L’equilibrio di questo circuito viene mantenuto dalle tempeste e dai fulmini stessi, che agiscono come generatori naturali. Infatti, la corrente di bel tempo (circa 1500 Ampere), generata a livello della ionosfera e diretta verso la superficie terrestre, annullerebbe il campo negativo di quest’ultima in poco più di dieci minuti se non intervenissero dei meccanismi di ricarica, responsabili del trasporto di nuova carica negativa verso la superficie e di carica positiva verso l’atmosfera. Questi processi sono determinati dai temporali e, in particolare, dai fulmini. Prima di approfondire il loro funzionamento, è fondamentale conoscere le diverse categorie e classificazioni di questi fenomeni elettrici.

Quanti fulmini conosciamo?

Esistono diverse tipologie di fulmini, classificate in base alla loro origine e al percorso della scarica elettrica. La classificazione più comune distingue i fulmini in una serie di categorie: intra-nube (IC – Intra Cloud), che si verificano tra centri di carica opposta all'interno della stessa nube e rappresentano circa il 70% di tutte le scariche elettriche atmosferiche; nube-suolo (CG - Cloud to Ground) sono quelli che colpiscono direttamente il terreno e sono i più pericolosi per esseri umani, edifici e infrastrutture; nube-nube (CC – Cloud to Cloud), si generano tra centri di carica opposta che si trovano all’interno di due nubi limitrofe; nube-aria(CA – Cloud to Air), si scaricano da una nube all’aria circostante. Per questioni di brevità, spesso, si è soliti accomunare i fulmini IC, CC e CA con l’unica categoria degli IC, in modo da ottenere solo due grandi categorie: quelli che non raggiungono il suolo (IC) e quelli che lo raggiungono (CG). Inoltre, è possibile distinguere i fulmini anche in base al segno della carica elettrica che trasportano: si ottiene così una separazione tra fulmini positivi e negativi.
Un’ultima classificazione, che si utilizza solo per la categoria dei fulmini CG, distingue i fulmini in discendenti ed ascendenti, a seconda che la scarica si propaghi dalla nube verso il terreno o viceversa; in genere i fulmini ascendenti si verificano solamente in corrispondenza di strutture elevate come torri e grattacieli mentre i fulmini discendenti possono svilupparsi su qualsiasi tipo di terreno e sono per questo motivo molto più comuni.

Il processo di elettrificazione di una nube

Scendendo nel dettaglio del processo di elettrificazione di una nube, questo è caratterizzato da fenomeni di interazione a livello microfisico tra le particelle che la compongono. Nello specifico, affinché avvenga il processo di elettrificazione è necessaria la presenza in nube di tre tipi di particelle: cristalli di ghiaccio, gocce di acqua sopraffusa, ovvero particelle che si presentano allo stato liquido nonostante le temperature al di sotto dello zero, e graupel, idrometeore formatesi per accrescimento dovute proprio al ghiacciamento istantaneo di acqua sopraffusa. Il meccanismo di formazione è legato alla presenza di correnti verticali ascendenti e discendenti (updraft e downdraft), cui si deve la collisione tra i tre tipi di particelle e il conseguente trasferimento di carica. Le particelle di ghiaccio più leggere ed elettricamente neutre, quindi, tendono ad accumulare cariche positive e a risalire nella parte alta della nube, mentre le gocce d’acqua più pesanti, le graupel, si caricano negativamente e scendono verso la base del cumulonembo. Questo processo crea una forte separazione di cariche che genera un intenso campo elettrico all’interno della nube. Durante un temporale si può osservare un numero di collisioni pari a 5x10³ collisioni per km³ con una generazione di differenza di potenziale, via via sempre maggiore, tra il top della nube (carico positivamente) ed la base (carica negativamente).

Questo meccanismo genera scariche elettriche all’interno della nube (IC – Intra Cloud) e, in alcuni casi, la scarica si sviluppa tra la nube e il suolo, dando origine a un fulmine nube-suolo. La formazione di un fulmine nube-suolo (CG – Cloud to Ground) inizia quando la carica negativa accumulata nella parte inferiore della nube supera una soglia critica, sufficiente a innescare un processo di ionizzazione dell’aria circostante. Questo porta alla creazione di una serie di scariche elettriche che si propagano verso il suolo attraverso step di circa 50 metri, con ciascuno step che dura appena un microsecondo. Questa fase è nota come stepped-leader e può richiedere diverse centinaia di avanzamenti prima che il fulmine raggiunga il suolo.
Quando la scarica si avvicina alla superficie terrestre, il forte campo elettrico che essa genera induce una risposta nel suolo stesso, facendo sì che cariche positive emergano da oggetti elevati, come alberi o edifici. A questo punto, una scarica di cariche positive, chiamata streamer, parte dal suolo e si connette con la stepped-leader, completando così il canale di scarica. Una volta stabilito il collegamento tra nube e suolo, si verifica la fase più intensa e visibile del fulmine, nota come return stroke. Questa scarica estremamente potente percorre il canale ionizzato, rilasciando l'energia accumulata e generando il caratteristico lampo luminoso. Mentre la fase di stepped leader rimane invisibile, il return stroke produce sia il lampo, dovuto alla ionizzazione e dissociazione termica dei gas atmosferici, sia il tuono, originato dalla rapida espansione dell'aria riscaldata dal passaggio della corrente elettrica.
Inoltre, un singolo fulmine nube-suolo può essere costituito da più scariche successive. Dopo la prima, il canale ionizzato resta attivo per un breve periodo, permettendo il passaggio di ulteriori scariche rapide, note come dart leader, che seguono lo stesso percorso della scarica iniziale. L’insieme di queste scariche multiple prende il nome di flash.

Dal punto di vista della polarità, come anticipato nel paragrafo sulla classificazione dei fulmini, la maggior parte dei fulmini nube-suolo trasferisce cariche negative dalla nube alla superficie terrestre e viene classificata come CG- (negativo). Tuttavia, in alcuni casi, può verificarsi il trasferimento di cariche positive, dando origine a un fulmine CG+ (positivo), generalmente più raro ma molto più potente.

I principi della Lightning Detection e la rete LAMPINET dell’Aeronautica Militare

Il rilevamento dei fulmini riveste un ruolo cruciale nella meteorologia aeronautica, poiché consente di individuare fenomeni potenzialmente pericolosi per le operazioni di volo. La rete LAMPINET, gestita dall'Aeronautica Militare, rappresenta il principale sistema di monitoraggio delle fulminazioni sul territorio nazionale e fornisce dati essenziali per la sicurezza al volo. Il suo funzionamento si basa sull’impiego combinato di due tecniche di rilevamento: il MDF (Magnetic Direction Finding), che determina la direzione di provenienza delle scariche elettriche analizzando le variazioni del campo magnetico, e il TOA (Time Of Arrival), che consente di triangolare con precisione la posizione del fulmine misurando il tempo di arrivo delle onde elettromagnetiche su più sensori. Le tecniche MDF e TOA possono essere combinate grazie alla tecnologia IMPACT (Improved Accuracy Using Combined Technology). In questo caso, ciascun sensore contribuisce al network acquisendo informazioni circa la direzione di arrivo dell’impulso elettromagnetico (MDF) ed il tempo assoluto di rilevamento (TOA). Il sistema risulta complessivamente più affidabile, con una Detection Efficiency (DE) maggiore rispetto a quella raggiunta applicando le due tecniche separatamente. La rete LAMPINET nasce nel 2004 ed è costituita da quindici sensori VLF/LF (Very Low Frequency/Low Frequency) distribuiti strategicamente sul territorio Italiano, i quali captano i segnali elettromagnetici generati dalle scariche atmosferiche e li trasmettono al centro di elaborazione dati dell’Aeronautica Militare, situato al CNMCA di Pratica di Mare. Qui vengono analizzate le informazioni per identificare la posizione e la tipologia della fulminazione, e fornendo aggiornamenti in tempo reale ai previsori impiegati presso il Meteorological Watch Office del CNMCA, responsabile per le FIR (Flight Information Region) di Milano, Roma e Brindisi.

Cosa fa un previsore aeronautico in presenza di fulmini?

In ambito aeronautico, in situazioni meteorologiche a rischio di sviluppare dei fulmini è fondamentale l’intervento tempestivo del previsore aeronautico e la sua azione di monitoraggio. Attraverso un attento lavoro di nowcasting, il previsore analizza in tempo reale i dati provenienti da radar meteorologici, satelliti e reti di rilevamento delle fulminazioni, come LAMPINET, per individuare l’evoluzione delle tempeste e la loro potenziale pericolosità per gli aeromobili. L’identificazione di fulminazioni in prossimità degli aeroporti o lungo le rotte richiede un’immediata valutazione del rischio, l’eventuale emissione di avvisi meteorologici operativi (AIRMET, SIGMET e AVVISI D’AERODROMO) e l’allertamento dei centri operativi di competenza. La prontezza nel diramare questi avvisi consente di adottare misure precauzionali, come la sospensione temporanea delle operazioni a terra, tra queste, l’attività di rifornimento degli aeromobili. Grazie a un’analisi dettagliata e all’emissione di avvisi specifici a supporto di piloti ed enti di controllo, il previsore aeronautico gioca un ruolo cruciale nella prevenzione di situazioni critiche, contribuendo a ridurre i rischi associati ai fulmini e garantendo la massima sicurezza delle operazioni.

Vediamo un caso di studio

Il 28 gennaio 2025, nelle prime ore del mattino, il settore settentrionale della nostra penisola è stato interessato da una depressione, con la conseguente attivazione di fenomeni atmosferici associati. In questo caso studio ci focalizzeremo sui fenomeni convettivi e sulle relative fulminazioni.
Dall’analisi del prodotto composito, che integra le osservazioni radar, il canale satellitare nell’infrarosso e i dati della rete LAMPINET, nonché dal prodotto specifico sulle scariche elettriche basato sulla stessa rete, emerge che la Lombardia è stata interessata da intensi temporali con frequenti fulminazioni. La persistenza e la concentrazione del fenomeno hanno determinato le condizioni necessarie per l’emissione di un avviso SIGMET per FREQUENT THUNDERSTORM (FRQ TS), che viene emesso quando l’area interessata dal fenomeno copre più del 75% della zona designata nel messaggio.

Quindi, la meteorologia aeronautica può davvero mitigare il rischio dei fulmini?

I fulmini, come detto all’inizio, da sempre considerati simbolo di forza incontrollabile, rappresentano ancora oggi una delle sfide più insidiose per l'aviazione. Tuttavia, il progresso tecnologico ha permesso di trasformare un fenomeno imprevedibile in un elemento gestibile con l’ausilio di strumenti sofisticati e di strategie ben definite. L’integrazione di sistemi di rilevamento avanzati, come la rete LAMPINET, e il costante lavoro di previsione e monitoraggio, garantiscono una capacità di reazione immediata e una gestione sempre più efficace del rischio. La tempestività nell’analisi dei dati e nella trasmissione degli avvisi meteorologici permette di evitare situazioni critiche, dimostrando come la sicurezza del volo non dipenda solo dall’avanguardia degli aeromobili, ma anche dall’accuratezza e l’immediatezza delle informazioni su cui vengono prese le decisioni operative. In un contesto operativo dove ogni secondo è cruciale, la meteorologia aeronautica si conferma essenziale per la sicurezza del volo, sostenendo la mission della Forza Armata nel garantire il fragile equilibrio tra rischio e sicurezza nei cieli.