Sapere Scienza

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Le delicate geometrie di un fiocco di neve

21 Dicembre 2017

Bianca, leggera e silenziosa: è la neve che sta ricoprendo strade, case e alberi in questi giorni d’inverno. La poesia che la circonda non finisce qui: ci sono i fiocchi di neve che, con le loro straordinarie strutture, sanno sorprendere grandi e piccini. Ancora una volta la scienza è in grado di spiegarci come si formano queste intricate geometrie senza, però, dissolverne la magia che le accompagna.

 

Let it snow

 

Quello che noi comunemente chiamiamo fiocco di neve è, in realtà, più propriamente detto cristallo di neve: inizia a formarsi quando nell’alta atmosfera una quantità piccolissima di vapore acqueo congela su una particella di polvere o un grano di polline, il nucleo iniziale del processo. Il “seme” comincerà il suo percorso verso il suolo durante il quale catturerà altre goccioline di acqua che congeleranno a loro volta, permettendogli di accrescersi in strutture che mostreranno sempre una simmetria esagonale. Il ripetersi di quest'ultima in tutti i fiocchi di neve è dovuto alla disposizione delle molecole di acqua nel ghiaccio. I delicati intrecci che possiamo esaminare nelle foto al microscopio sono determinati dalle condizioni atmosferiche che il cristallo attraversa mentre cade, infatti i suoi bracci possono svilupparsi da principio in un modo e, con lievi cambiamenti di temperatura e umidità (che possono avvenire in intervalli di tempo che vanno dai minuti ai secondi), proseguire la propria formazione in un altro.

 

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Non esistono due cristalli di neve uguali

 

È possibile che non esistano due cristalli di neve identici? Mentre, come vedremo in seguito, ci sono determinate strutture alle quali si possono ricondurre tutte le forme, non sono stati mai osservati due cristalli che abbiano una disposizione perfettamente identica dei propri atomi. Questo succede perché ogni fiocco percorre un preciso e unico cammino attraverso le nuvole e, quindi, è molto difficile che due nuclei subiscano gli stessi cambiamenti, nelle stesse fasi di accrescimento. Questa è la natura ma, in un laboratorio del Caltech (California Institute of Technology), il professore di fisica Kenneth G. Libbrecht è riuscito a immortalare la nascita di due cristalli di neve gemelli in condizioni controllate.

 

Il diagramma di Nakaya

 

Come già accennato, la crescita dei cristalli di neve dipende dalla temperatura e dall’umidità presenti nelle nuvole. I valori di questi parametri e le geometrie corrispondenti sono sintetizzate nel diagramma di Nakaya: Ukichiro Nakaya è il fisico giapponese che, negli anni ’30, scoprì le modalità di sviluppo delle geometrie dei fiocchi di neve. In questa rappresentazione grafica, per esempio, potrete osservare come la celebre struttura piatta a forma di stella si crei in uno strettissimo intervallo di temperature (intorno ai -15°C) o che i cristalli colonnari o ad ago si possono ritrovare intorno ai -6°C. Per quanto riguarda l’umidità, vedrete come le ramificazioni più complesse appartengano ai valori più alti.

 

 

Se desiderate scoprire come la bellezza della natura parli il linguaggio della matematica, acquistate e leggete l’articolo “Il matematico nell’irrazionale regno dei cristalli”, nel numero di Sapere di dicembre.

copertina   settembre-ottobre 2018

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