L'enigma che ha tormentato per decenni la comunità scientifica internazionale potrebbe finalmente aver trovato una soluzione. Nonostante i fulmini accompagnino l'umanità da sempre e rappresentino uno dei fenomeni atmosferici più studiati, i meccanismi precisi che scatenano queste scariche elettriche all'interno delle nubi temporalesche rimanevano avvolti nel mistero. Un team di ricercatori guidato da Victor Pasko della Penn State University ha svelato la reazione a catena che dà origine ai fulmini, offrendo per la prima volta una spiegazione completa del processo.
La scoperta che cambia tutto
I risultati dello studio, pubblicati il 28 luglio sul Journal of Geophysical Research, mostrano che all’interno delle nubi temporalesche si generano intensi campi elettrici in grado di accelerare gli elettroni fino a farli collidere con molecole di azoto e ossigeno. Questi scontri producono raggi X e danno il via a una vera e propria valanga di elettroni e fotoni ad alta energia, creando le condizioni ideali per l’innesco di un fulmine.
La ricerca segna un passo decisivo nella comprensione di uno dei fenomeni naturali più affascinanti.
“I nostri risultati offrono la prima spiegazione chiara e quantitativa di come si formano i fulmini in natura”, ha spiegato Vadim Pasko, professore di ingegneria elettrica alla Penn State. “Abbiamo collegato per la prima volta raggi X, campi elettrici e la fisica delle valanghe di elettroni in un unico quadro coerente”.
Il modello matematico che svela i segreti delle tempeste
Al centro della scoperta c’è un modello matematico avanzato, sviluppato dal team per spiegare i fenomeni fotoelettrici osservati nell’atmosfera. I ricercatori hanno simulato le condizioni in cui elettroni ad alta energia, generati dai raggi cosmici provenienti dallo spazio, vengono accelerati dai campi elettrici dei temporali e producono brevi esplosioni di fotoni ad alta energia.
Questo fenomeno, chiamato lampo di raggi gamma terrestre, consiste in raffiche invisibili di raggi X e segnali radio che si verificano naturalmente durante i temporali. Zaid Pervez, dottorando in ingegneria elettrica e coautore dello studio, ha utilizzato il modello per confrontare questi dati con osservazioni reali raccolte da altri gruppi di ricerca tramite sensori a terra, satelliti e aerei ad alta quota.
Quando l'invisibile genera il visibile
Una delle scoperte più sorprendenti riguarda il motivo per cui i lampi di raggi gamma terrestri si verificano spesso senza i classici lampi di luce e le forti emissioni radio che normalmente accompagnano i fulmini durante i temporali.
“Nei nostri modelli, i raggi X ad alta energia prodotti dalle valanghe di elettroni generano nuovi elettroni attraverso l’effetto fotoelettrico nell’aria, facendo crescere rapidamente queste valanghe”, spiega Pasko.
Questa reazione a catena può avvenire con intensità molto diverse, e spesso genera raggi X rilevabili anche quando le emissioni di luce o onde radio sono debolissime. È proprio questo meccanismo che spiega come i lampi di raggi gamma possano provenire da zone delle nubi che appaiono quasi del tutto buie e silenziose agli strumenti tradizionali.
Un team internazionale per svelare i misteri dell'atmosfera
Alla ricerca ha partecipato un team internazionale di esperti, tra cui Sebastien Celestin dell’Università di Orléans, Anne Bourdon dell’École Polytechnique in Francia e Reza Janalizadeh del NASA Goddard Space Flight Center. Il progetto è stato sostenuto da diversi enti, tra cui la National Science Foundation statunitense, il Centre National d’Études Spatiales francese e il Ministero della Difesa della Repubblica Ceca.
Il modello sviluppato, chiamato Photoelectric Feedback Discharge e pubblicato nel 2023, simula le condizioni fisiche che favoriscono la formazione dei fulmini. Le equazioni alla base del modello sono state rese disponibili nell’articolo scientifico, per permettere ad altri ricercatori di applicarle nei propri studi e approfondire così la conoscenza dei fenomeni atmosferici più estremi.