La ‘magia’ dei cristalli di neve, tra fisica e geometria

Nell’immaginario collettivo l’inverno è quasi sempre associato al fiabesco e soffice mantello bianco, che non smette mai di incantare gli spettatori in uno scenario di quiete sublime: la neve. D’altronde è impossibile non fermarsi ad osservare la danza dei fiocchi di neve che scendono lentamente per depositarsi in una candida coltre che copre il paesaggio.

Wilson Bentley, celebre fotografo statunitense, era particolarmente affascinato dai fiocchi di neve e amava fotografarne i cristalli che era solito chiamare “snow blossoms” (fiori di neve) o “miracles of little beauty” (miracoli di piccola bellezza). Il segreto della loro bellezza, in realtà, non è altro che una straordinaria combinazione di fisica e geometria che genera forme complesse e uniche per ogni fiocco di neve. In natura,infatti, non esiste un fiocco di neve identico ad un altro, anche se sono tutti perfettamente simmetrici. Com’è posssibile? La risposta è da ricercare nel loro processo di formazione, nelle condizioni ambientali e in molti altri fattori che incuriosiscono molti appassionati e studiosi, tra i quali si distingue Kenneth G. Libbrecht, al California Institute of Technology (Caltech).

In particolare Libbrecht studia le dinamiche molecolari della crescita dei cristalli, compreso il modo in cui i cristalli di ghiaccio si sviluppano dal vapore acqueo, che è essenzialmente la fisica dei fiocchi di neve. Frutto dei suoi studi sono diversi  libri tra cui The Snowflake: Winter’s Frozen Artistry, La vita segreta di un fiocco di neve, L’arte del fiocco di neve e la Guida ai fiocchi di neve di Ken Libbrecht, oltre ad un interessante sito in cui risponde personalmente alle più svariate domande sull’argomento. Ecco alcune delle curiosità più strane sui cristalli  di neve e sul fenomeno della neve più in generale.

Che differenza c’è tra fiocco e cristallo di neve?

Il fiocco e il cristallo di neve non sono esattamente la stessa cosa. Il termine cristallo di neve indica il singolo cristallo di ghiaccio, all’interno del quale le molecole d’acqua sono tutte allineate in una precisa matrice esagonale, mentre l’espressione fiocco di neve è più generica e fa riferimento all’insieme di più cristalli di neve che si scontrano e si aggregano a mezz’aria mentre cadono, formando soffici palline.

Come si formano i cristalli di neve?

Un cristallo di neve appare quando il vapore acqueo nell’aria si converte direttamente in ghiaccio senza prima diventare acqua liquida.Progressivamente, il vapore condensa su un cristallo di neve nascente, che cresce e si sviluppa, facendo emergere i motivi decorati. Il processo in base al quale piccole gocce di pioggia si congelano è detto, invece, nevischio.

Perché esistono forme così complesse e simmetriche e perché non esistono due cristalli di neve identici?

Un cristallo di neve a forma di stella inizia con la formazione di una piccola piastra esagonale, dai cui angoli spuntano sei rami. Man mano che questa piastra si snoda attraverso le nuvole, incontra delle particolari condizioni di temperatura e umidità che influenzano la crescita dei rami.

La forma finale del cristallo di neve è determinata dal preciso percorso che esso fa attraverso le nuvole; i sei rami attraversano tutti lo stesso percorso, e sperimentano le stesse modifiche al medesimo tempo: ecco perché crescono in sincronia, generando una forma complessa, ma simmetrica. Poiché non esistono due cristalli di neve che seguono lo stesso percorso esatto tra le nuvole mentre cadono, in natura non esisteranno due cristalli di neve identici.

Che dimensione hanno i fiocchi di neve e perché assumono queste forme?

I fiocchi più piccoli sono chiamati “Cristalli di polvere di diamante” e sono piccoli come il diametro di un capello umano. Il nome deriva dalla loro forma sfaccettata e dalla caratteristica di brillare alla luce del sole; sono piuttosto rari ed appaiono solo a temperature bassissime. Il più grande cristallo di neve mai fotografato invece misura 10 mm da una punta all’altra.  Il comportamento di crescita di ghiaccio dipende dalla struttura molecolare e dinamica della superficie del cristallo, ma ad oggi la ragione precisa della forma dei cristalli resta un mistero, dettaglio che li rende ancora più affascinanti agli occhi degli studiosi.

Da cosa dipende la morfologia dei cristalli di neve?

Nonostante la forma iniziale del germe di ghiaccio, in condizioni naturali non estreme, sia sempre esagonale, le modalità del processo di accrescimento, e le forme finali che si possono raggiungere, dipendono delle diverse e mutevoli condizioni ambientali, queste ultime variabili sia nello spazio sia nel tempo di formazione, con importanti conseguenze morfologiche: nello specifico, gli stati finali sono influenzati dal grado di soprasaturazione dell’aria circostante (un parametro, che, in definitiva, è legato ai livelli di temperatura e umidità ambiente). Le diverse condizioni esterne danno vita, a partire da uno stesso germe simmetrico, a forme molto variabili e differenziate.

Le principali morfologie sono tre: quelle dette stelle o dendriti, esemplificate dal classico fiocco di neve, le forme piane, placchette o dischi, e le forme allungate e aghiformi,dette aghi di ghiaccio, colonne, o prismi, a seconda del rapporto lunghezza/larghezza. Le diverse condizioni che influenzano la morfologia dei cristalli sono descritte dal Diagramma di Nakaya (dal nome del fisico giapponese Ukichiro Nakaya, che ha scoperto il comportamento crescente dei cristalli di neve nel suo laboratorio nel 1930). Ad esempio, aghi e colonne si formano più facilmente quando tra le nuvole ci si aggira intorno a -6 °C, mentre i cristalli stellari, più grandi (e più fotogenici!), crescono solo in una ristretta gamma di temperatura intorno a -15 °C.

Perchè la neve è bianca?

Un oggetto è trasparente (come l’acqua) se è attraversato dalla luce; è colorato se in parte assorbe la luce e in parte la restituisce; è nero se assorbe tutta la luce che lo colpisce; è “a specchio” se invece la riflette. L’acqua è trasparente, incolore, mentre la neve, pur essendo fatta di acqua, è bianca.

Ogni raggio di luce attraversa il primo cristallo di neve che incontra (il singolo cristallo è ancora trasparente) venendo leggermente deviato, e, di cristallo in cristallo, continua a deviare fino a riemergere, tornando all’osservatore. Ai nostri occhi arrivano così tutti i colori di partenza, e di conseguenza percepiamo il colore bianco che ne è la somma. Inoltre, poiché quasi tutta la luce che entra viene restituita, il manto nevoso appare spesso abbagliante.

Può nevicare sugli altri pianeti?

La neve è stata osservata su Marte attraverso la sonda Phoenix, in prossimità del polo nord del pianeta e grazie a uno strumento chiamato lidar che ha scandagliato l’atmosfera con un raggio laser. La neve si è formata a circa 4.000 metri di quota, dove la temperatura rasenta i –70 °C. Ma una volta raggiunti i 2.500 metri d’altezza i fiocchi sublimavano (diventando gassosi) a causa delle condizioni di pressione e temperatura.

Si ipotizza che il fenomeno possa verificarsi anche su Titano, una luna di Saturno. A mettere in luce la possibilità di nevicate è stata la sonda Cassini, in orbita attorno a Saturno. La sonda ha infatti osservato la presenza di cirri, nuvole composte da piccoli cristalli di metano, che, di tanto in tanto, possono produrre nevicate sulla superficie di quel corpo celeste. Il metano, infatti, segue su Titano un ciclo del tutto simile a quello dell’acqua sulla Terra.

Perchè quando nevica non ci sono tuoni e fulmini?

In realtà tuoni e fulmini nel corso di una nevicata sono rari, ma non completamente assenti. Se l’aria molto fredda proveniente dalle aree polari incontra aria più calda che si trova, per esempio a sud delle Alpi, si può creare un’instabilità atmosferica che innesca dei temporali con neve al posto della pioggia. Questi temporali di neve, corredati da lampi e tuoni, sono più frequenti nei Paesi del nord Europa e in alcune aree degli Stati Uniti e del Giappone, più esposti alle discese di aria fredda polare. E si verificano più facilmente in autunno e in primavera. È difficile assistervi; non solo perché sono rari ma anche perché la neve attutisce i tuoni, che quindi non si sentono a più di 2-3 km dal punto in cui scaturisce il fulmine.

Perchè si sparge il sale sulle strade ghiacciate?

Il sale ha una proprietà davvero speciale: quella di riuscire ad abbassare il punto di congelamento dell’acqua. Che significa? Che, a contatto col sale, l’acqua si ghiaccia meno in fretta. Per comprendere come funziona questo meccanismo, bisogna considerare che a contatto con l’acqua, le molecole di sale si scindono in ioni, che si legano elettrostaticamente alle molecole d’acqua. Se la temperatura scende sotto zero, l’acqua comincia a formare i primi cristalli di ghiaccio, ma la presenza degli ioni interferisce con la crescita dei singoli cristalli.

Cosa accade quando il sale viene sparso sulla strada? Sulla superficie del ghiaccio c’è sempre un sottilissimo strato di liquido formato da molecole d’acqua che sfuggono ai cristalli di ghiaccio. In condizioni normali, le molecole che sfuggono sono pari a quelle che tornano a legarsi nei cristalli. Aggiungendo sale, questo equilibrio si sbilancia ed è più il ghiaccio che si scioglie rispetto a quello che si forma.

Può nevicare nel deserto?

Anche se raramente, può accadere: anzi, è successo proprio di recente. Nella notte tra il 21 e il 22 dicembre 2016 la regione desertica del Bechar in Algeria si è svegliata ricoperta di neve: uno spettacolo raro e sorprendente. La neve non ha solo imbiancato le cime del Djebel Antar, il punto più alto della catena montuosa, ma si è anche posata più a valle sulle dune di sabbia del deserto del Sahara. La straordinaria nevicata ha un solo precedente nella storia, nel 1979.

Source: snowcrystals.com