La gran teoría del copo de nieve

La nieve en la parte central de Rusia no es suficiente este invierno. En algunos lugares se cayó, por supuesto, pero en el mes de enero se podría esperar un clima más helado y nevado. El gris opaco y el granizado desagradable hacen que sea difícil sentir la alegría de la diversión invernal habitual. Por lo tanto, Cloud4Y sugiere agregar algo de nieve a nuestras vidas hablando de ... copos de nieve.

Se cree que solo hay dos tipos de copos de nieve. Y uno de los científicos, a veces llamado el "padre" de la física del copo de nieve, tiene una nueva teoría que explica la razón de esto. Kenneth Libbrecht es una persona increíble que está lista para abandonar el cálido California del Sur en pleno invierno para llegar a Fairbanks (Alaska), ponerse una chaqueta abrigada y sentarse en un campo helado con una cámara y un pedazo de espuma en sus manos.

Por qué Está buscando los copos de nieve más brillantes, más texturizados y más hermosos que la naturaleza puede crear. Según él, los patrones más interesantes tienden a formarse en los lugares más fríos: los famosos Fairbanks y en la nevada parte norte de Nueva York. La mejor nevada que Kenneth observó fue en Cochrane, un lugar en el noreste de Ontario, donde un viento suave rodeaba los copos de nieve que caían del cielo.

Fascinado por los elementos, Libbrecht, con la terquedad de un arqueólogo, estudia su tablero de espuma. Si hay algo interesante allí, la apariencia seguramente lo atrapará. Si no, la nieve se barre del tablero, y todo comienza de nuevo. Y dura horas.

Libbrecht es físico. Por una extraña coincidencia, su laboratorio en el Instituto de Tecnología de California ha estado investigando la estructura interna del Sol e incluso ha desarrollado instrumentos avanzados para detectar ondas gravitacionales. Pero en los últimos 20 años, la verdadera pasión de Libbrecht ha sido la nieve, no solo su apariencia, sino también lo que la hace verse así. "La pregunta de qué tipo de objetos caen del cielo, cómo sucede esto y por qué se ven así, me atormenta todo el tiempo", admite Kenneth.



Durante mucho tiempo, los físicos tenían suficiente conocimiento de que entre los muchos pequeños cristales de nieve, se pueden distinguir dos tipos predominantes. Una de ellas es una estrella plana con seis o doce rayos, cada una de las cuales está decorada con hermosos y vertiginosos encajes. La otra es una especie de columna en miniatura, a veces encajonada entre "tapas" planas, y otras veces similar a un perno normal. Estas formas se pueden ver a diferentes temperaturas y humedad, pero la razón de la formación de una forma u otra era un misterio. Los años de observación de Libbrecht ayudaron a comprender mejor el proceso de cristalización de los copos de nieve.

El trabajo de Libbrecht en esta área ayudó a crear un nuevo modelo que explica por qué los copos de nieve y otros cristales de nieve forman lo que estamos acostumbrados a ver. Según su teoría, publicada en Internet en octubre de 2019, describe el movimiento de las moléculas de agua cerca del punto de congelación (cristalización) y cómo los movimientos específicos de estas moléculas pueden dar lugar a un conjunto de cristales que se forman bajo diferentes condiciones. En su monografía de 540 páginas , Libbrecht describe todo el conocimiento de los cristales de nieve.

Estrellas de seis puntas

Usted, por supuesto, sabe que es imposible ver dos copos de nieve idénticos (excepto en la etapa de origen). Este hecho está relacionado con la forma en que se forman los cristales en el cielo. La nieve es una acumulación de cristales de hielo que se forman en la atmósfera y conservan su forma cuando todos caen juntos a la Tierra. Se forman cuando la atmósfera es lo suficientemente fría como para evitar la fusión o fusión y convertirse en nieve o lluvia húmeda.

Aunque se pueden registrar muchas temperaturas y niveles de humedad dentro de una sola nube, estas variables serán constantes para un solo copo de nieve. Es por eso que un copo de nieve a menudo crece simétricamente. Por otro lado, cada copo de nieve está expuesto al viento, la luz solar y otros factores. De hecho, cada cristal está sujeto al caos de la nube y, por lo tanto, toma varias formas.

Según un estudio de Libbrecht, la primera reflexión sobre estas delicadas formas se registró en 135 a. C. en China "Las flores de las plantas y los árboles son generalmente de cinco puntas, pero las flores de nieve siempre son de seis puntas", escribió Han Yin, un científico. Y el primer científico que intentó descubrir por qué sucede esto fue probablemente Johannes Kepler, un científico y académico alemán.

En 1611, Kepler presentó un regalo de Año Nuevo a su patrón, el Sacro Emperador Romano Rodolfo II: un pequeño tratado titulado "Sobre los copos de nieve hexagonales".

“Cruzo el puente atormentado por la vergüenza. ¡Te dejé sin un regalo de Año Nuevo! ¡Y aquí se me ocurre una buena oportunidad! El vapor de agua, espesándose del frío en la nieve, deja caer copos de nieve sobre mi ropa, todo en uno, hexagonal, con rayos esponjosos. ¡Lo juro por Hércules, esa cosa, que es más pequeña que cualquier gota, tiene una forma, puede servir como un regalo de Año Nuevo tan esperado para el amante de Nothing y es digno de un matemático que no tiene Nada y no recibe Nada, ya que cae del cielo y oculta la apariencia de una estrella hexagonal!

“Debe haber una razón por la cual la nieve tiene la forma de una estrella hexagonal. Esto no puede ser un accidente ”, aseguró Johannes Kepler. Quizás recordó una carta de su contemporáneo Thomas Harriot, un científico y astrónomo inglés que también logró trabajar como navegador para el explorador Sir Walter Raleigh. Alrededor de 1584, Harriot estaba buscando la forma más eficiente de apilar balas de cañón en las cubiertas de los barcos de Raleigh. Harriot descubrió que los patrones hexagonales parecían ser la mejor manera de organizar las esferas, y discutió este tema en la correspondencia de Kepler. Kepler se preguntó si algo así estaba sucediendo en los copos de nieve, y gracias a qué elemento aparecieron y sostuvieron estos seis rayos.


Se puede decir que esta fue una comprensión inicial de los principios de la física atómica, que se discutirá solo después de 300 años. De hecho, las moléculas de agua con sus dos átomos de hidrógeno y un oxígeno tienden a unirse para formar matrices hexagonales. Kepler y sus contemporáneos ni siquiera se dieron cuenta de lo importante que era esto.

Como dicen los físicos, gracias al enlace de hidrógeno y la interacción de las moléculas entre sí, podemos observar una estructura cristalina abierta. Además de la capacidad de cultivar copos de nieve, la estructura hexagonal hace que el hielo sea menos denso que el agua, lo que tiene un gran impacto en la geoquímica, la geofísica y el clima. En otras palabras, si el hielo no nadara, la vida en la Tierra sería imposible.

Pero después del tratado de Kepler, observar los copos de nieve era más un pasatiempo que una ciencia seria. En la década de 1880, un fotógrafo estadounidense llamado Wilson Bentley, que vivía en la pequeña ciudad fría y nevada de Jericho (Vermont, EE. UU.), Comenzó a tomar fotografías de copos de nieve con placas fotográficas. Logró crear más de 5,000 fotografías antes de morir de neumonía.



Incluso más tarde, en la década de 1930, el investigador japonés Ukichiro Nakaya comenzó un estudio sistemático de varios tipos de cristales de nieve. A mediados de siglo, Nakaya cultivó copos de nieve en el laboratorio usando pelos de conejo separados colocados en una habitación fría. Buscó ajustes de humedad y temperatura, cultivó los principales tipos de cristales y elaboró ​​su catálogo original de posibles formas. Nakaya descubrió que los copos de nieve de las estrellas tienden a formarse a -2 ° C y -15 ° C. Las columnas se forman a -5 ° C y a aproximadamente -30 ° C.

Es importante tener en cuenta que a una temperatura de aproximadamente -2 ° C aparecen formas delgadas de copos de nieve en forma de placa, a -5 ° C crean columnas y agujas delgadas, cuando la temperatura cae a -15 ° C, se convierten en placas realmente delgadas y a una temperatura más baja 30 ° C vuelven a columnas más gruesas.



En condiciones de baja humedad, los copos de nieve de las estrellas forman varias ramas y se asemejan a placas hexagonales, pero a alta humedad se vuelven más intrincados, encajes.

Según Libbrecht, las razones de la aparición de varias formas de copos de nieve se hicieron más claras precisamente gracias al trabajo de Nakai. Se descubrió que los cristales de nieve se convierten en estrellas y placas planas (en lugar de estructuras tridimensionales), cuando los bordes crecen rápidamente hacia afuera y las caras crecen lentamente. Las columnas delgadas crecen de manera diferente, con caras de crecimiento rápido y bordes de crecimiento más lento.

Al mismo tiempo, los principales procesos que influyen en si un copo de nieve se convierte en estrella o columna no han quedado claros. Quizás el secreto estaba oculto en condiciones de temperatura. Y Libbrecht trató de encontrar la respuesta a esta pregunta.

Receta de copo de nieve

Junto con su pequeño equipo de investigadores, Libbrecht estaba tratando de encontrar una receta de copos de nieve. Es decir, un cierto conjunto de ecuaciones y parámetros que se pueden descargar a una computadora y recibir de la IA una gran variedad de copos de nieve.

Kenneth Libbrecht comenzó su investigación hace veinte años, aprendiendo sobre la forma exótica de los copos de nieve, llamada columna cerrada. Parece un carrete de hilo o dos ruedas y un eje. Nacido en el norte del país, se sorprendió por el hecho de que nunca había visto un copo de nieve.

Golpeado por las infinitas formas de cristales de nieve, comenzó a estudiar su naturaleza, creando un laboratorio para cultivar copos de nieve. Los resultados de muchos años de observaciones han ayudado a crear un modelo que el propio autor considera un gran avance. Propuso la idea de difusión molecular basada en energía superficial. Esta idea describe cómo el crecimiento de un cristal de nieve depende de las condiciones iniciales y del comportamiento de las moléculas que lo forman.



Imagine que las moléculas de agua se encuentran libremente, ya que el vapor de agua apenas comienza a congelarse. Si uno pudiera estar dentro de un pequeño observatorio y observar este proceso, uno podría ver cómo las moléculas de agua congelada comienzan a formar una red rígida, donde cada átomo de oxígeno está rodeado por cuatro átomos de hidrógeno. Estos cristales crecen incorporando moléculas de agua del aire circundante a su estructura. Pueden crecer en dos direcciones principales: hacia arriba o hacia afuera.

Se forma un cristal plano delgado (laminar o en forma de estrella) cuando los bordes se forman más rápido que las dos caras del cristal. Un cristal en crecimiento se extenderá hacia afuera. Sin embargo, cuando sus caras crecen más rápido que sus bordes, el cristal se vuelve más alto y forma una aguja, un pilar hueco o una varilla.


Otro momento Tenga en cuenta la tercera fotografía tomada por Libbrecht en el norte de Ontario. Este es un cristal de "columna cerrada": dos placas unidas a los extremos de un grueso cristal columnar. En este caso, cada placa se divide en un par de placas mucho más delgadas. Eche un vistazo más de cerca a los bordes, verá cómo la placa se divide en dos. Los bordes de estas dos placas delgadas son casi tan afiladas como una cuchilla de afeitar. La longitud total de la columna de hielo es de aproximadamente 1,5 mm.

Según el modelo de Libbrecht, el vapor de agua primero se deposita en las esquinas del cristal, y luego se extiende (se difunde) a lo largo de la superficie hacia el borde del cristal o hacia sus caras, haciendo que el cristal crezca hacia afuera o hacia arriba. Cuál de estos procesos "gana" depende principalmente de la temperatura.

Cabe señalar que el modelo es semi-empírico. Es decir, está parcialmente construido para corresponder a lo que está sucediendo y no para explicar los principios del crecimiento del copo de nieve. Las inestabilidades e interacciones entre innumerables moléculas son demasiado complejas para descubrirlas por completo. Sin embargo, queda la esperanza de que las ideas de Libbrecht sirvan de base para un modelo integral de dinámica de crecimiento de hielo, que puede detallarse utilizando mediciones y experimentos más detallados.

No piense que estas observaciones son de interés para un círculo estrecho de científicos. Preguntas similares surgen en la física de la materia condensada y en otros campos. Las moléculas de drogas, los chips semiconductores para computadoras, las células solares y muchas otras industrias dependen de cristales de alta calidad, y grupos enteros están trabajando en el tema de su cultivo. Por lo tanto, los copos de nieve muy queridos por Libbrecht pueden servir para el beneficio de la ciencia.

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