Come si formano i fiocchi di neve e perché sono simmetrici?

Con l’arrivo dell’inverno, la natura ci regala uno degli spettacoli più affascinanti: la formazione dei fiocchi di neve. Quando guardiamo fuori dalla finestra in una giornata invernale, osservando i fiocchi di neve che cadono silenziosamente, ci troviamo di fronte a una delle meraviglie più affascinanti della natura. Ma come si formano questi piccoli capolavori di ghiaccio e perché sono simmetrici? Il viaggio di un fiocco di neve inizia in modo sorprendentemente semplice, ma si trasforma in un processo complesso e unico, riflettendo un’incredibile varietà di forme.

Come si formano i fiocchi di neve?

Tutto inizia con una goccia d’acqua estremamente fredda che congela attorno a una particella di polline o di polvere nell’atmosfera. Questo atto d’inizio dà vita a un cristallo di ghiaccio. Mentre questo cristallo precipita verso il suolo, il vapore acqueo nell’aria si congela su di esso, formando nuovi cristalli: i sei bracci di un fiocco di neve.

I cristalli di ghiaccio che compongono un fiocco di neve sono simmetrici, riflettendo l’ordine interno delle molecole d’acqua che si dispongono in spazi predeterminati per formare un fiocco a sei lati. La temperatura e, in misura minore, l’umidità dell’aria determinano la forma di base del cristallo di ghiaccio. Per esempio, a -5 °C vediamo cristalli a forma di ago, mentre a -15 °C compaiono cristalli piatti e a forma di piastra.

La forma complessa di un singolo braccio del fiocco di neve è determinata dalle condizioni atmosferiche che l’intero cristallo incontra durante la sua discesa. Un cristallo può iniziare a crescere in un modo, per poi cambiare direzione a causa di lievi variazioni di temperatura o umidità. Nonostante la forma esagonale sia sempre mantenuta, il cristallo può ramificarsi in nuove direzioni. Poiché ogni braccio sperimenta le stesse condizioni atmosferiche, appaiono identici.

Ogni fiocco di neve segue un percorso leggermente diverso dal cielo alla terra, incontrando condizioni atmosferiche differenti. Questo fa sì che ogni fiocco di neve sia unico, ricordando forme che vanno da prismi ad aghi fino al famoso modello pizzo.

Perché i fiocchi di neve sono simmetrici?

Come accennato in precedenza, la loro simmetria segue l’ordine delle molecole d’acqua. Infatti, questa sorprendente simmetria ha affascinato gli scienziati per secoli. Miriam Rossi, professoressa di chimica presso il Vassar College, e Howard T. Evans, Jr., cristallografo emerito presso l’U.S. Geological Survey, ci offrono spunti affascinanti per capire questo fenomeno.

I fiocchi di neve riflettono l’ordine interno delle molecole d’acqua durante la cristallizzazione, ovvero il passaggio dallo stato liquido a quello solido. Queste molecole formano legami deboli, noti come legami idrogeno, che si organizzano in un modo ordinato, creando la forma esagonale base del fiocco di neve. Ogni fiocco è un cristallo a sé, soggetto a condizioni atmosferiche specifiche, come temperatura e umidità, che influenzano la sua forma unica.

Durante la cristallizzazione, le molecole d’acqua si allineano per massimizzare le forze attrattive e minimizzare quelle repulsive. Questo processo è simile al posizionamento di piastrelle seguendo un preciso modello: una volta definito il modello e posizionate le prime piastrelle, tutte le altre devono seguire lo stesso schema per mantenere la simmetria. In questo modo si formano le varie braccia del fiocco di neve.

Il fascino dell’incertezza: il contributo di Evans

Secondo Evans, i fiocchi di neve sono un vero enigma. La loro forma deriva dall’arrangiamento delle molecole d’acqua nel cristallo di ghiaccio. Quando l’acqua congela, le molecole tendono a sistemarsi nello stato di energia più basso, che quasi sempre comporta una forma di simmetria. Tuttavia, le condizioni atmosferiche estremamente variabili influenzano il modo in cui un cristallo inizia e continua a crescere, portando a una varietà incredibile di forme, dai prismi e aghi fino ai fiocchi di neve lavorati che conosciamo.

L’acqua si rivela una sostanza sorprendente nel suo comportamento. La formazione dei fiocchi di neve è un esempio chiaro di come le leggi della chimica e della fisica si manifestino in modi visibilmente straordinari. Ogni fiocco di neve è un piccolo miracolo di simmetria e complessità, un promemoria della bellezza e del mistero del mondo naturale.