La stagione invernale è il momento dell’anno in cui è più facile ritrovare quella sensazione caratteristica dei bambini che è lo stupore. L’inverno ogni anno ci stupisce, ci lascia a bocca aperta, e lo fa in particolare attraverso un fenomeno meteorologico, che è la neve. Di fronte alla caduta dei primi fiocchi capita a tanti di ritrovarsi a sorridere. C’è chi allunga il palmo della mano per raccogliere i soffici segnali celesti dell’inizio della stagione fredda, mentre in mente scorrono i ricordi di inverni vicini e lontani. E agli appassionati di sport invernali sale la voglia di tornare a divertirsi tra le vette imbiancate. Potrebbero bastare queste emozioni a farci definire i fiocchi di neve magici, ma la vera magia è nella loro natura. Sapete come nasce un fiocco di neve?
Storia di un fiocco di neve
Cosa sono i fiocchi di neve? La risposta più corretta potrebbe essere la seguente: una meraviglia della natura. Espressione che suona forse un po’ esagerata per un umido batuffolo bianco. Per comprendere quanto essa sia adatta a descrivere quel mucchietto di neve che per pochi istanti possiamo tenere nel palmo della mano, prima che si trasformi in acqua, è necessario osservarlo al microscopio ottico. Ci accorgeremmo così di avere tra le mani delle composizioni effimere di cristalli di ghiaccio dalle forme particolari e variegate.
Il termine fiocco di neve può indicare sia il singolo cristallo che il “batuffolo” che vediamo scendere dal cielo, che altro non è se non agglomerato di cristalli. La forma più frequentemente associata ai fiocchi di neve è quella che ricorda una stella a sei punte, i cui bracci a loro volta somigliano ai rami di un abete, da cui il nome di “dendriti stellari”, quel classico fiocco che a tanti sarà capitato di riprodurre con la carta da bambino (o anche dopo). Questa forma è predominante tra i cristalli di neve, ma non è la sola possibile.
I cristalli di ghiaccio possono infatti assumere una forma di prisma esagonale piatto o di ago, e ancora a colonna, a triangolo, solo per citarne alcuni. E nei fiocchi, la combinazione di più cristalli, può generare ulteriore forme, ad esempio, dalla collisione e unione di due cristalli a 6 punte si può originare un fiocco a 12 punte. Come si può leggere su Snowcrystals.com, sito perfetto per chi voglia scoprire il mondo dei fiocchi di neve, non esiste una classificazione assoluta dei diversi tipi e non potrà mai essercene una. “Per comprendere il dilemma relativo al nome dei fiocchi di neve, considerate una domanda diversa: quanti colori ci sono? Naturalmente ci sono gli standard: rosso, verde, blu, giallo, arancione, ecc., ma esiste un elenco completo di tutti i nomi dei colori? No, e non potrà mai esserci un elenco definitivo. I nomi dei colori dipendono da chi li nomina”. Attualmente ci sono tabelle di classificazione che superano quota 100.
Anche le dimensioni variano ampiamente, da alcune decine di micron fino al centimetro. Nel librone del Guinness dei Primati compare un fiocco da record di dimensioni pari a 38 cm di diametro e 8 cm di spessore. Che strana reazione avverrà mai nell’atmosfera tale da spiegare l’origine di simili meraviglie? Come la natura ci insegna, non c’è trucco non c’è inganno, ma alla base di quelli che possono apparirci come fenomeni eccezionali, vi sono semplicemente le leggi della fisica.
La location in cui essi prendono forma è rappresentata dalle nuvole. E fin qui tutto facile. Il come essi si formino rappresenta un capitolo più complesso, ma cerchiamo di semplificare il discorso, scusandoci a priori con gli esperti di fisica. Necessario è un rapido ripasso degli stati della materia, che sono 3: solido, liquido e gassoso. Le molecole di una determinata sostanza possono andare incontro a passaggi di stato in funzione di due parametri, che sono temperatura e pressione.
Ora immaginiamo di entrare in una nube, all’interno della quale l’acqua è presente in tutti e 3 gli stati della materia: solido, liquido e gassoso, e di trovarci in uno strato cui la temperatura scenda al di sotto dello zero. Potremmo qui assistere a un piccolo spettacolo, ovvero alla formazione di cristalli di ghiaccio a partire da molecole di acqua sia allo stato liquido (congelamento) che gassoso (brinamento) attorno a dei nuclei di cristallizzazione. Con questo termine si intendono granelli di pulviscolo, particelle di sale, sabbie, particelle di origine vulcanica, particolato di origine antropica, in senso ampio particelle solide sospese nelle nubi.
Il primordio di un cristallo così formatosi andrà poi incontro a un progressivo accrescimento per aggiunta di nuove molecole di acqua che andranno a inserirsi nel reticolato cristallino, contribuendo a quella che sarà la forma finale. Tale processo può avvenire potenzialmente nelle nubi in ogni momento dell’anno ma perché nevichi è necessario che i cristalli non fondano una volta “usciti” dalla nube, così da poter raggiungere il suolo (o il palmo della nostra mano) integri, e questo è possibile soltanto a temperature ambientali rigide, pari, inferiori o anche leggermente superiori a 0°C.
Esistono due fiocchi di neve uguali?
La forma di un cristallo di neve dipende dal percorso che esso si trova ad affrontare nella nube prima di precipitare al suolo. Allo stato solido le molecole di acqua, composte da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno, stringono tra loro il massimo numero di legami, che determinano l’assunzione da parte del reticolo cristallino di una forma a esagono. Il nucleo iniziale del futuro cristallo di neve possiamo immaginarlo dunque esagonale. Ora, se esso andrà incontro a uno sviluppo a stella a 6 punte, o a prisma esagonale, o a colonna, tutto dipenderà dalle combinazioni di temperatura e umidità in cui si troverà a svilupparsi.
Lo scienziato che per primo si dilettò a creare fiocchi di neve in laboratorio, cercando di definire come cambiassero le forme dei cristalli al variare delle condizioni di temperatura e umidità relativa, fu negli anni Trenta il fisico giapponese Ukichiro Nakaya. A lui si deve quello che ancora oggi è il diagramma di riferimento per comprendere la dinamica di formazione dei cristalli. Sull’asse delle x è riportata la temperatura (negativa). Sull’asse delle y è riportata invece l’umidità relativa, per essere precisi il grado di sovrasaturazione, in quanto nelle nubi l’umidità sale oltre il 100%. Dal grafico si evince che maggiore è il valore di sovrasaturazione, più rapida e articolata è la crescita di un cristallo. La tipica forma stellata che associamo al fiocco di neve si produce in condizioni di elevata umidità relativa e temperatura attorno ai -15°C. A valori termici superiori o inferiori e umidità “bassa”, si assiste allo sviluppo di cristalli piatti o colonnari.
Se la forma è determinata da una coppia di valori (temperatura e sovrasaturazione) sorge spontaneo pensare che a parità di condizioni sia possibile ottenere due cristalli uguali. È così? Dipende da cosa si intenda per “uguali”. Creando due cristalli di neve nelle medesime condizioni in laboratorio, senza alcun ulteriore disturbo, come in una nube può essere la vicinanza tra due cristalli in accrescimento, se si va poi ad analizzare tali prodotti al microscopio, si noterà che all’apparenza essi possano risultare identici. E non è detto che due cristalli di neve naturali non appaiano allo stesso modo simili tra loro al microscopio ottico. Ma ciò non basta per definirli uguali. Se andassimo infatti ad analizzarli a livello molecolare, scopriremmo con alta probabilità che non lo siano affatto.
Questo perché gli stessi mattoncini di cui si compongono, le molecole di acqua, non sono tutte uguali tra loro. Accanto alla “classica” molecola composta da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno, esistono infatti molecole che presentano degli isotopi dell’uno o dell’altro. Considerando che in media in un piccolo cristallo possa contenere circa 10miliardi di miliardi di molecole di acqua, ci saranno delle molecole di acqua con isotopi diversi sparse qui e là. Trovare due cristalli che presentino lo stesso assortimento di molecole, inoltre distribuite secondo la medesima configurazione spaziale, è decisamente improbabile, per non dire impossibile.