Un modello matematico fornisce una possibile spiegazione dei fenomeni atmosferici all’origine dei fulmini e dei lampi di raggi gamma terrestri

Nonostante gli scienziati abbiano compreso da tempo come si formano i fulmini, la catena di eventi che porta effettivamente all’origine di questi fenomeni è rimasta al di fuori della nostra portata. Il misterioso processo che illumina le nubi temporalesche di saette e lampi gamma terrestri, però, potrebbe finalmente avere una spiegazione molto precisa.

Grazie a un modello matematico che simula le condizioni fisiche di un temporale, una ricerca internazionale sostenuta da National Science Foundation, Centre National d’Etudes Spatiales (CNES), Institut Universitaire de France e Ministero della Difesa della Repubblica Ceca descrive per la prima volta, nel dettaglio, la potente reazione a catena all’origine dei fulmini.

Lampi di raggi gamma terrestri, il mistero all’origine dei fulmini

Per certi versi, l’origine dei fulmini è ancora un mistero. Sappiamo che le tortuose saette che accendono il cielo durante i temporali sono il disegno lasciato da elettroni che cercano di raggiungere il suolo percorrendo la strada più veloce, illuminato poi dagli ioni che risalgono questi percorsi in direzione delle cariche negative delle nuvole.

E sappiamo, sin dalle prime rilevazioni atmosferiche degli anni Ottanta, che durante i temporali l’atmosfera terrestre si carica di fenomeni ad alta intensità energetica. Abbiamo iniziato a osservare direttamente questi fenomeni soltanto negli anni Novanta, e ad accorgerci della loro reale portata in tempi ancora più recenti.

Prendiamo i lampi di raggi gamma terrestri (Terrestrial Gamma-ray Flashes, o TGF), emissioni di raggi gamma molto brevi e intense che si formano in prossimità di eventi temporaleschi. La prima osservazione risale al 1994, e si deve al Compton Gamma-Ray Observatory NASA. Nel 2015, poi, grazie alle osservazioni del Fermi Gamma-ray Space Telescope, si è scoperto che si trattava di fenomeni tutt’altro che rari e isolati, come si credeva: ogni giorno, tra le nuvole, avvengono centinaia di eventi del genere.

Nel 2019, uno studio giapponese ha dimostrato che i TGF sono fisicamente legati ai gamma-ray glows, e in tempi più recenti si è iniziato a ipotizzare che questi fenomeni potessero addirittura avere un ruolo nell’origine dei fulmini. Come ha spiegato Martino Marisaldi dell’INAF, tra gli autori di due studi apparsi alla fine del 2024 su Nature,

“Ora sappiamo che questi fenomeni sono (…) intrinsecamente connessi ai processi di carica e scarica delle nubi. Un’affascinante ipotesi che stiamo considerando è che siano uno degli elementi che facilitano o addirittura causano i fulmini, la cui origine è tuttora un mistero”.

Azoto, ossigeno e cascate di elettroni: come nascono i fulmini

Il velo che ci separava da una visione precisa dell’origine dei fulmini e dei TGF potrebbe essere caduto. In un articolo pubblicato il mese scorso su Journal of Geophysical Research, un team di ricercatori guidato da Victor Pasko, professore di ingegneria elettrica presso la Penn State School of Electrical Engineering and Computer Science, ha rivelato la potente reazione a catena alla base di questi fenomeni.

Il nuovo studio descrive per la prima volta un meccanismo che consente di spiegare nel dettaglio quello che si nasconde dietro i risultati delle osservazioni dei fenomeni fotoelettrici nell’atmosfera terrestre. Come spiega Pasko,

“Le nostre scoperte forniscono la prima spiegazione precisa e quantitativa di come si formano i fulmini in natura: collega i punti tra i raggi X, i campi elettrici e la fisica delle valanghe di elettroni”.

I forti campi elettrici presenti nelle nubi temporalesche, spiegano gli scienziati, accelerano gli elettroni che si scontrano con molecole come l’azoto e l’ossigeno, producendo raggi X e innescando una valanga di elettroni aggiuntivi e fotoni ad alta energia: la “tempesta perfetta” da cui nascono i fulmini.

“Simulando le condizioni osservate sul campo, abbiamo fornito una spiegazione completa per i raggi X e le emissioni radio presenti nelle nubi temporalesche. Abbiamo dimostrato come gli elettroni, accelerati dai forti campi elettrici nelle nubi temporalesche, producano raggi X quando collidono con molecole d’aria come quelle di azoto e ossigeno, creando una valanga di elettroni che generano fotoni ad alta energia che danno origine ai fulmini”,

spiega il professore.

Un modello matematico per “osservare” i fulmini

Come si legge nello studio, l’aspetto più sconcertante e inspiegabile di eventi come i TGF è che i raggi gamma provengono da regioni di spazio molto compatte, mentre “le regioni sorgenti sembrano otticamente deboli e radio silenziose rispetto ai processi che caratterizzano le normali scariche elettriche”.

La possibile soluzione a questo mistero è arrivata grazie all’uso di un modello matematico, pubblicato da Pasko e colleghi nel 2023, che simula le condizioni fisiche in cui è probabile che si generi un fulmine. Zaid Pervez, dottorando in ingegneria elettrica, ha utilizzato il modello per confrontare le condizioni nelle nubi temporalesche simulate con i dati raccolti sul campo utilizzando sensori terrestri, satelliti e aerei spia ad alta quota.

Come spiega Pasko,

“Nella nostra modellazione, i raggi X ad alta energia prodotti dalle valanghe di elettroni relativistici generano nuovi elettroni guidati dall’effetto fotoelettrico nell’aria, amplificando rapidamente queste valanghe. Questa reazione a catena incontrollata può verificarsi con intensità altamente variabile, portando spesso a livelli rilevabili di raggi X, accompagnati da emissioni ottiche e radio molto deboli. Questo spiega perché questi lampi di raggi gamma possono emergere da regioni sorgente che appaiono otticamente deboli e radio silenti”.

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