La física de los copos de nieve: ¿es cierto que no existen dos iguales?

Cuando hay una gran semejanza, decimos que se parecen como dos gotas de agua. Pero de los copos de nieve decimos que no hay dos iguales. Lo cierto es que el agua, tan común, es también el líquido más extraño del universo: a diferencia de los demás, que se contraen y se densifican al congelarse, el agua se expande, reduce su densidad y hace que el hielo flote. La clave es la estructura de los cristales, los mismos que forman los copos de nieve; todos ellos únicos y diferentes debido a una curiosa física que aún no se conoce en su totalidad.

Aunque el agua es transparente, la nieve es blanca por la dispersión de la luz en las múltiples facetas de los pequeños cristales que la componen. Los cristales con forma de placa o estrella de seis puntas nos resultan muy familiares porque son típicos en los motivos de decoración invernal o navideña. Según el físico de Caltech Kenneth Libbrecht, experto de referencia mundial en la física de los copos de nieve, el registro más antiguo de la observación de estos copos se debe al filósofo chino Han Yin, que en el año 135 a.C. escribió sobre la diferencia entre las cinco puntas de las flores y las seis de los cristales de nieve.

En Occidente no existen observaciones documentadas hasta los siglos XVI y XVII, con el matemático René Descartes y los astrónomos Thomas Harriot y Johannes Kepler. Fue este último quien en 1611 presentó un ensayo titulado El copo de nieve de seis esquinas, en el que planteaba la incógnita de la simetría cristalina hexagonal, en el hielo y en los minerales, como un posible principio de organización natural. Kepler, sin embargo, no disponía de una ciencia lo suficientemente avanzada en su tiempo como para desentrañar el misterio.

El secreto de las nubes

Pero algo que ya entonces notó Descartes es que no todos los copos obedecen al patrón de la estrella plana; hay una segunda forma general que mantiene la simetría hexagonal, pero que consiste en una figura alargada, de prisma, columna o aguja, a veces con placas en sus extremos como las ruedas en el eje de un carro. Reuniendo todas las variaciones de estos dos tipos básicos, se habla de ocho categorías, de las cuales se derivan 35 formatos o incluso hasta 80 variantes. ¿A qué se debe la existencia de estas diferentes estructuras?

El secreto del proceso comienza en las nubes, formadas por la condensación del vapor de agua de la atmósfera sobre las partículas de polvo que flotan en el aire. Al congelarse estas gotitas, los cristales de hielo nacientes tienen forma de hexágono, lo cual viene determinado por el ángulo de las propias moléculas de agua.

Los cristales de hielo, estas diminutas plaquitas hexagonales, empiezan a crecer cuando el agua de las nubes se evapora y el vapor se congela directamente sobre ellos. Si lo hace preferentemente prolongando sus bordes, el cristal se expande a lo ancho, formando una placa o estrella de cuyos vértices pueden crecer brazos de formas intrincadas, siempre en ángulos múltiplos de 60 grados. En cambio, si el vapor se congela principalmente en capas sucesivas sobre las caras planas, el cristal crece en forma de columna.

Más diseños posibles que átomos en el universo

En condiciones frías y secas, los copos aumentan de tamaño enganchándose unos a otros por medio de sus ramas y espículas. La nieve resultante es seca y ligera, el polvo ideal para las pistas de esquí. Por el contrario, con mayor humedad y temperatura se derrite una fina capa de agua en el borde de los copos, que actúa como pegamento para amalgamarlos. En este caso se forma una nieve más húmeda y pesada. Por fin y cuando el copo es demasiado pesado para sostenerse en las corrientes de aire, cae hacia el suelo.

La estructura de cada copo, incluyendo la aparición de uno u otro de estos dos modelos básicos, depende de las condiciones concretas de humedad y temperatura que atraviesa durante su formación. La forma del copo es simétrica porque toda su estructura se crea a la misma humedad y temperatura, pero las variaciones de las condiciones en las que se forman unos y otros al atravesar la nube determinan las diferencias en sus formas.

Y dado que estas condiciones nunca son similares entre dos copos, el resultado es una diversidad inconcebiblemente inmensa: una estimación habla de 10¹⁵⁸ posibles diseños distintos; es decir, un uno seguido de 158 ceros, 10⁷⁰ veces más que el número de átomos en el universo. En el laboratorio, aplicando condiciones idénticas, se ha demostrado la posibilidad de crear copos iguales. Pero es virtualmente imposible que esto ocurra en la naturaleza.

La piedra Rosetta de los copos

Pero ¿cómo determinan estas condiciones la forma final del copo? El enigma de la morfología de los copos que Kepler no pudo resolver comenzó a desvelarse a partir de la década de 1930, con las investigaciones del físico y glaciólogo japonés Ukichiro Nakaya, el primer científico que creó cristales de nieve artificiales. Al variar las condiciones de temperatura y humedad y observar la forma resultante de los copos, Nakaya produjo su gran aportación: el diagrama de morfología.

El diagrama de morfología de Nakaya muestra qué tipos de copos se forman para distintos valores de humedad y temperatura.

En líneas generales, resume Libbrecht, los cristales forman placas en torno a los -2 grados centígrados, cambiando a agujas finas hacia -5, de nuevo a placas más grandes y finas con forma de estrella a -15, y de vuelta a estructuras de columna a -30. En cuanto a la humedad, el aumento induce una mayor complejidad en los cristales, desde prismas o placas simples hacia estrellas ramificadas de puro encaje helado.

Según Libbrecht, y aunque posteriormente ha sido ampliado y matizado por otros investigadores, “el diagrama de morfología de los cristales de nieve se ha convertido en algo así como una piedra Rosetta de los copos, proporcionando al menos una explicación cualitativa para la gran variedad de tipos de cristales de nieve que pueden encontrarse en la naturaleza”. Las columnas con placas que describió Descartes, tipo eje de carro, se forman cuando las columnas crecen a -5 grados y luego la nube asciende en un frente frío hacia una temperatura por debajo de -10.

La fórmula de la nieve

Pero, como dice Libbrecht, el de Nagaya es un modelo empírico, nacido de la observación, y cualitativo, que no cuantifica la geometría del cristal en función de los valores de los parámetros. Este es el campo en el que ha destacado la contribución del científico de Caltech: “He creado un modelo físico que explica todas las principales observaciones del diagrama de Nakaya, y lo he probado mediante experimentos dirigidos”, cuenta Libbrecht a SINC. “Hasta ahora funciona bastante bien, e incluso explica la formación de cristales triangulares”.

A pesar del avance que supone el modelo cuantitativo de Libbrecht, una especie de fórmula de la nieve, “todavía hay mucho que pensar”, subraya el físico. “Hasta ahora, por ejemplo, nadie ha creado un modelo computacional realista del crecimiento de cristales de nieve, así que este es un desafío pendiente”. Estas pequeñas y preciosas estrellas de cristal helado, que el poeta naturalista Henry David Thoreau atribuyó al “genio creativo” del aire, son también la obra maestra de una física que los humanos aún estamos aprendiendo a entender.

Fuente: SINC