Ogni anno l’Italia è colpita mediamente da circa 600 mila fulmini (mari esclusi). Per una superficie di 301,340 km², questo significa una densità media di fulmini al suolo di ca. 2 scariche per km² ogni anno. L’effettiva densità dei fulmini dipende tuttavia in gran parte dalla conformazione geografica. Una panoramica di primo orientamento può essere ottenuta dalla mappa della densità di fulmini al suolo contenuta nella Figura 3.2.3.1. Maggiore è la risoluzione della mappa della densità di fulmini al suolo, più precise sono le informazioni che fornisce circa l’effettiva frequenza dei fulmini nella zona in esame. Utilizzando gli impianti di rilevamento dei fulmini del servizio informativo sui fulmini del CESI (SIRF – Sistema Italiano Rilevamento Fulmini) è ora possibile individuare la posizione di un fulmine con la precisione di 200 m in tutta Italia. A questo scopo sono presenti in Europa più di 145 stazioni di misura. Esse sono sincronizzate per mezzo di una precisa identificazione temporale grazie al sistema di posizionamento globale (GPS). Queste stazioni di misurazione registrano l’istante in cui l’onda elettromagnetica della scarica del fulmine giunge in corrispondenza del rispettivo ricevitore. Il punto di impatto del fulmine viene calcolato sia in base alle differenze nei tempi di rilevamento dell’onda elettromagnetica registrati dai vari ricevitori, sia in base alla direzione del campo elettromagnetico rilevato da ciascun sensore, permettendo un calcolo accurato e ridondante. I dati così rilevati vengono archiviati centralmente e messi a disposizione dell’utente organizzati in diversi pacchetti. Ulteriori informazioni su questo servizio possono essere reperite consultando il sito web www.fulmini.it.

Presupposto per la formazione dei fenomeni temporaleschi è il moto ascensionale delle masse d’aria calda con un’umidità sufficientemente elevata. Questo moto può avvenire con modalità diverse. Nei cosiddetti temporali di calore, il terreno si surriscalda localmente per via di un intenso irraggiamento solare. Gli strati d’aria più vicini al suolo si scaldano e salgono verso l’alto. Nel caso di temporali frontali, in seguito all’arrivo di un fronte freddo, una massa di aria fredda si incunea sotto l’aria calda e la obbliga a salire verso l’alto. Nei temporali orografici, invece, l’aria calda vicina al suolo viene sollevata verso l’alto dalle correnti costrette ad innalzarsi quando incontrano un rilievo. Altri fattori fisici intensificano ulteriormente la spinta verso l’alto delle masse d’aria. A causa di ciò, si formano canali di correnti ascensionali con velocità verticali fino a 100 km/h che danno origine ai cumuli, densi ammassi di nubi tipicamente di 5-12 km di altezza e 5-10 km di diametro.

Per via dei processi di separazione delle cariche elettrostatiche, come attrito e nebulizzazione, le gocce d’acqua e le particelle di ghiaccio contenute nelle nubi si caricano elettricamente. Nella parte alta della nube temporalesca si accumulano le particelle con carica positiva, nella parte bassa quelle con carica negativa. Alla base della nube si forma inoltre una piccola sacca di cariche positive. Ciò deve la sua origine all’effetto corona, un fenomeno per cui attorno ai corpi appuntiti situati a terra al di sotto della nube (piante, per esempio) si accumulano delle cariche positive che vengono poi trasportate verso l’alto dal vento.

Se, per via della densità spaziale di carica presente, in una cella temporalesca si vengono a creare intensità di campo locali dell’ordine di numerose centinaia di kV/m, si producono delle scariche guida che precedono la scarica del fulmine vero e proprio. I fulmini nube-nube provocano una compensazione della differenza di potenziale tra i centri delle cariche positive e quelli delle cariche negative all’interno delle nubi e non colpiscono direttamente alcun oggetto al suolo. Questi rappresentano tuttavia un pericolo per i sistemi elettrici ed elettronici a causa dei campi elettromagnetici impulsivi (LEMP) che essi irradiano e devono quindi essere ugualmente presi in considerazione.
I fulmini che colpiscono il terreno producono una compensazione della differenza di potenziale tra le cariche elettriche delle nubi e le cariche al suolo. In particolare, si possono creare due tipi di fulmini:

• fulmine discendente (nube-terra)
• fulmine ascendente (terra-nube)

Nel caso dei fulmini discendenti, la scarica elettrica viene preceduta da scariche guida dirette verso il basso, cioè da nube a terra. Questo tipo di fulmine si verifica per lo più su aree pianeggianti e in corrispondenza di costruzioni basse. I fulmini nube-terra sono riconoscibili dalle ramificazioni dirette verso terra (Figura 2.1.1). Più frequentemente, si verificano fulmini discendenti negativi, nei quali dalla nube temporalesca si spinge verso terra un canale discendente (leader) di cariche negative (Figura 2.1.2). Tale canale discendente si propaga con una velocità di circa 300 chilometri orari, a passi di poche decine di metri ciascuno, intervallati da pause della durata di alcune decine di microsecondi. Quando la scarica guida è vicina al terreno (da qualche centinaio a poche decine di metri), il campo elettrico attorno alle parti del suolo che più si trovano vicine alla scarica guida (come alberi, colmi dei tetti) aumenta. L’aumento è tale da superare la rigidità dielettrica dell’aria. In questi punti parte una scarica verso l’alto che incontra la scarica guida e dà origine alla scarica principale.

I fulmini discendenti positivi possono invece avere origine da un accumulo di cariche positive alla base della nube temporalesca (Figura 2.1.3). Per quanto riguarda la polarità, si ha un 90% circa di fulmini negativi contro un 10% di fulmini positivi. Questa ripartizione dipende dalla conformazione geografica del terreno.

In corrispondenza di oggetti al suolo esposti e di altezza considerevole (come turbine eoliche, tralicci di antenne radio, torri per telecomunicazioni, campanili di chiese) o in corrispondenza delle vette di montagne, si possono verificare fulmini ascendenti (fulmini terra-nube). Questi sono riconoscibili dalle ramificazioni della scarica principale rivolte verso l’alto (Figura 2.1.4). Nel caso di un fulmine ascendente l’elevata intensità di campo necessaria per dare origine ad una scarica guida o leader non viene raggiunta all’interno della nube, ma è determinata dalla distorsione del campo elettrico in corrispondenza dell’oggetto esposto e del conseguente aumento di intensità di campo. A partire da questo punto al suolo, la scarica guida si spinge verso la nube portando con sé il suo accumulo di cariche elettriche. I fulmini ascendenti si verificano sia con polarità negativa (Figura 2.1.5), sia con polarità positiva (Figura 2.1.6). Poiché nei fulmini ascendenti le scariche guida si instaurano a partire da oggetti al suolo molto isolati verso le nubi, gli oggetti di notevole altezza possono essere interessati più volte dalla scarica di un fulmine nel corso di un temporale. A seconda del tipo, ogni fulmine è composto da uno o più fulmini parziali, o “colpi”. Si distinguono “colpi brevi” di durata inferiore a 2 ms e “colpi lunghi” di durata superiore a 2 ms. Altre caratteristiche distintive dei fulmini parziali sono la polarità (negativa o positiva) e la posizione temporale nell’ambito della scarica del fulmine (primo, susseguente o sovrapposto). Le combinazioni possibili di fulmini parziali sono illustrate nella Figura 2.1.7 per quanto riguarda i fulmini discendenti e nella Figura 2.1.8 per i fulmini ascendenti.

Le correnti di fulmine composte da colpi brevi e colpi lunghi sono correnti impresse, cioè non sono influenzate dagli oggetti colpiti. Dalle curve delle correnti di fulmine indicate nelle Figura 2.1.7 e Figura 2.1.8 si possono desumere quattro parametri importanti per la protezione contro i fulmini:

• il valore di picco della corrente di fulmine I;
• la carica della corrente di fulmine Q_flash, comprendente la carica del colpo breve Q_short e la carica del colpo lunga Q_long
• energia specifica W/R della corrente di fulmine;
• la pendenza di/dt del fronte di salita della corrente di fulmine.

Nei capitoli seguenti verranno descritti gli effetti dei singoli parametri e il modo in cui tali parametri influenzano il dimensionamento degli impianti di protezione contro i fulmini.