Ni Frozen ni Disney: la ciencia detrás de por qué no hay dos copos de nieve iguales

Al haber crecido en Dakota del Norte, Ken Libbrecht estaba acostumbrado a la nieve. Pero tuvo que mudarse al sur de California —al Instituto Tecnológico de California, donde es físico— para apreciar la ciencia de todos esos copos helados que veía de niño.

Mientras investigaba el crecimiento de los cristales, Libbrecht quedó fascinado por la física del hielo y pronto se convirtió en el mayor experto mundial en copos de nieve. En sus viajes invernales a Míchigan, Ontario y otros lugares del norte, comenzó a capturar y fotografiar cristales de hielo a través de un microscopio. En un laboratorio de la soleada Pasadena, construyó una cámara fría donde podía cultivar sus propios copos.

Libbrecht ha acumulado innumerables ejemplos de copos de nieve clásicos de seis ramificaciones, así como placas, columnas, prismas y otras formas heladas. En el Annual Review of Materials Research, Libbrecht explora los factores que impulsan el crecimiento de los cristales de hielo —y transforman el agua simple en belleza cristalina—.

“Cuando empecé a estudiar el hielo, me sorprendió lo poco que se había avanzado en los últimos 50 años”, afirma. “Se trata de un fenómeno que, literalmente, cae del cielo, y no entendemos cómo funciona”.

Cada copo de nieve es un cristal de hielo que se condensa a partir del vapor de agua de la atmósfera. Pero, dependiendo de la temperatura, la humedad, el viento y otros factores del lugar donde se forma, cada copo crece a un ritmo diferente y, por lo tanto, adquiere un patrón diferente al de los que le precedieron. Con solo observar los tipos de copos que caen Libbrecht puede determinar con precisión la temperatura y la humedad de las nubes que hay encima.

Libbrecht explora cuestiones científicas como la forma en que las interacciones entre el aire y el cristal en crecimiento afectan a su forma final. Pero también se interesa por el arte de los copos de nieve, por ejemplo, haciéndolos mucho más grandes de lo que la naturaleza puede hacer para generar nuevos patrones cristalinos. (Un copo de nieve normal puede tener tres milímetros de diámetro, pero Libbrecht espera alcanzar hasta un centímetro con sus “supercopos”).

Es esta combinación de física y esplendor lo que sigue atrayendo a Libbrecht hacia los copos de nieve. “Hay complejidad y simetría juntas, que es lo que los hace realmente hermosos”, dice. “La parte científica es fascinante, pero la parte artística también es divertida”. Las fotografías de copos de nieve de Libbrecht han adornado una serie de sellos postales estadounidenses, e incluso consiguió un trabajo como consultor en la película Frozen de Disney.

Conceptos básicos sobre cristales de hielo

Cada copo de nieve empieza con un diminuto núcleo de hielo, creado cuando una gota de agua de una nube se congela alrededor de una partícula de polvo microscópica. Este proceso suele producirse entre -6 y -15 ° C (por debajo del punto de congelación del agua), rango en el que las partículas de polvo sirven de núcleo para que las gotas de agua se congelen.

A continuación, el cristal semilla comienza a capturar las moléculas de vapor de agua que flotan cerca de él. Estas se congelan en el cristal y hacen que crezca. El cristal sigue creciendo durante aproximadamente media hora, hasta que se vuelve tan pesado que cae de la nube y ya no tiene vapor de agua adicional para alimentarlo. Los científicos conocen como cristal de nieve a un solo cristal de hielo formado de esta manera.

Muchas facetas

Un proceso clave que da forma al crecimiento de los copos de nieve se conoce como facetado. Este prisma hexagonal tiene facetas maravillosamente afiladas.

La estructura es el resultado de la forma en que las moléculas de agua se adhieren al cristal semilla inicial. Cada molécula de agua quiere agarrarse a tantas otras moléculas como sea posible, por lo que se autoorganizan de forma natural en un patrón que maximiza el contacto entre las moléculas y da como resultado seis facetas lisas.

A veces, el copo de nieve seguirá creciendo principalmente a través del facetado, produciendo un gran cristal hexagonal como el que se muestra aquí.

Un segundo proceso clave que determina el crecimiento de los copos de nieve es la ramificación. Consideremos un cristal semilla inicial con forma hexagonal. Las moléculas de agua prefieren adherirse a superficies rugosas, y las esquinas del hexágono son relativamente rugosas. Por lo tanto, el vapor de agua suele acumularse en cada una de las seis esquinas.

Lo que comienza como una pequeña protuberancia en cada esquina pronto se convierte en una protuberancia más grande y, a continuación, en el comienzo de toda una rama de hielo. Cada rama conserva el ángulo característico de 60 grados que refleja la red molecular del agua.

Condiciones cambiantes

La variedad ilimitada de copos de nieve se debe al hecho de que cada uno nace y crece en un conjunto único de circunstancias. La cantidad de vapor de agua disponible en la atmósfera y la temperatura a la que cae el cristal mientras crece determinan el aspecto único del copo de nieve que se forma. Incluso los copos de nieve que caen uno al lado del otro muestran variaciones.

Una mayor humedad conduce a un crecimiento más rápido y a ramificaciones más elaboradas; los copos de nieve más grandes y complejos, conocidos como dendritas, se forman cuando la humedad es relativamente alta y la temperatura ronda los -15 ° C. Las ramificaciones laterales cortas de este cristal de rápido crecimiento no son perfectamente simétricas a ambos lados de las seis ramificaciones principales. Estas diferencias reflejan las condiciones cambiantes en el momento en que se formó el cristal.

Placas estelares

Más allá de las bellezas de seis ramificaciones, los copos de nieve presentan una gran variedad de formas y tamaños. Este cristal es un ejemplo de placa estelar. Los cristales en forma de placa se forman a dos temperaturas distintas: alrededor de -2 ° C y alrededor de -15 ° C. Son extremadamente sensibles a pequeños cambios en las condiciones ambientales: basta con añadir un poco más de humedad para que comiencen a crecer y se conviertan en dendritas más espectaculares.

Un copo de nieve típico crece en solo 30 minutos, y estos patrones complejos reflejan los cambios que experimentó en tan solo media hora.

Cristales columnares

Menos espectaculares que sus primos ramificados, los cristales de hielo en forma de columna suelen crecer largos y delgados, como un lápiz de madera helado. Los extremos de la columna suelen crecer más rápido, lo que hace que el centro de la cara se quede atrás y la columna se vacíe en cada extremo. Finalmente, el centro deja de crecer por completo.

Las columnas se forman normalmente a unos -5 ° C, justo por debajo del punto de congelación del agua. Cuando la humedad es alta, pueden crecer hasta tres milímetros de largo, en formas delgadas conocidas como cristales de aguja. Los racimos de cristales largos y delgados son comunes y se pueden apreciar a simple vista.

Cristales sobre cristales

Después de formarse los cristales de hielo, a menudo chocan con otras gotas de vapor de agua que se congelan en la estructura cristalina para formar una capa conocida como escarcha. A veces, la escarcha es tan espesa que el cristal parece enormemente esponjoso; otras veces forma un borde irregular, como si se hubiera enrollado en una capa de azúcar decorativo.

Aquí, las partículas de escarcha han adquirido un aspecto adicional. Colisionaron y se congelaron formando un gran cristal hexagonal, y luego comenzaron a crecer un poco más. Este patrón indica que la estructura molecular del agua en las partículas de escarcha se ha alineado con la del cristal subyacente. Se han fusionado en una sola entidad cristalina.

Una historia compleja

“Solo he visto cristales como este una vez”, dice Libbrecht, y ocurrió en las afueras de Houghton, Míchigan. Este copo de nieve de aspecto extraño comenzó su vida como un cristal columnar muy delgado, casi como una aguja. Luego se encontró con algunas gotas de agua que se congelaron y lo recubrieron de escarcha, creando pequeñas gotas de hielo a lo largo de la columna.

A continuación, el cristal se desplazó a otra parte de la nube donde las temperaturas bajaron, quizás hasta los –10 o –15 ° C, donde las placas pueden empezar a crecer. Las gotas de escarcha comenzaron entonces a formar un conjunto de placas hacia el exterior, que aparecen como placas transversales perpendiculares al cristal principal.

“Es bastante inusual que un cristal tenga ese tipo de historia”, afirma Libbrecht. “De repente, estas cosas tan extrañas aparecieron durante diez minutos, y eso fue todo”.

Hecho a propósito

El corazón de este copo de nieve delata su origen artificial, con un patrón tipo telaraña que nunca se encontraría en la naturaleza. Libbrecht creó este copo de nieve sintético a partir de una pequeña semilla de cristal de hielo en una cámara fría. Luego le suministró moléculas de vapor de agua mientras ajustaba la temperatura circundante. A medida que el cristal de hielo crecía, conservaba una huella del cambio de temperatura —la telaraña— de la misma manera que los anillos de los árboles conservan un registro de los cambios en las condiciones ambientales.

Finalmente, en las esquinas de la telaraña brotaron ramificaciones, que a su vez generaron placas en sus extremos. El proceso completo para crear este cristal duró casi dos horas, mucho más lento que los minutos que suele tardar en producirse un copo de nieve natural. Los cristales sintéticos creados uno al lado del otro pueden ser prácticamente idénticos.

Este artículo apareció originalmente en Knowable en español, una publicación sin ánimo de lucro dedicada a poner el conocimiento científico al alcance de todos. Suscríbase al boletín de Knowable en español.