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Perché i fiocchi di neve sono esagonali?

by Adriana Carelli
fiocchi di neve

Introduzione

Si sa che i si formano in graziose strutture esagonali. L’immagine sotto mostra una varietà di tali strutture che sono possibili (anche se non è un elenco esaustivo):

Qual è il meccanismo di formazione dei fiocchi di in queste strutture esagonali simmetriche? Inoltre, qual è il meccanismo di formazione di ciascun fiocco di ?

Risposta:

Il ghiaccio sulla Terra cristallizza con una struttura chiamata Ice-Ih che è esagonale. La struttura dipende dalle proprietà di dipolo delle molecole di H2O.. In modo analogo al comportamento dell’acqua  per portare gli ioni in soluzione, la struttura cristallina dipende dall’allineamento energeticamente favorevole dei dipoli. In Ice-Ih l’allineamento più favorevole è un un anello esagonale piano con il dipolo negativo (l’ossigeno) rivolto verso l’interno. Anelli vicini nello stesso piano e anelli nel piano superiore e inferiore sono tenuti insieme da legami idrogeno (il dipolo positivo di entrambi gli idrogeni). (Vedi: Hexagonal Ice (ice Ih)).

http://www1.lsbu.ac.uk/water/hexagonal_ice.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Ice_Ih

I fiocchi di neve sono tutti diversi, perché la crescita dei cristalli è molto dinamica. Mentre una faccia cristallina si crea ne cresce subito un’altra che può essere soggetta alla dissoluzione. Quando il fiocco di neve viene soffiato nell’aria, la temperatura e l’umidità cambiano continuamente. Questo ha l’effetto aggiuntivo che a volte la nucleazione(1) dei cristalli e talvolta la crescita dei cristalli (che hanno un’energia favorevole a temperature differenti) sono attivi. Mentre il fiocco di neve scende, la stessa dinamica continua. Il cristallo lavora con l’acqua liquida. Persino le facce cristalline competono tra loro portando ad esempio alla dissoluzione di molecole all’interno e alla all’esterno. Poiché nessun fiocco di neve sperimenta le stesse condizioni nella stesso momento, ognuno appare un pò diverso (questo non sorprende perché in realtà non ci sono neanche due cristalli di zircone perfettamente uguali, o due fiori perfettamente uguali, ecc …).

Con condizioni ambientali differenti si formano forme cristalline differenti. Ice Ih crea cristalli esagonali e in certi regimi si possono trovare cristalli di ghiaccio triangolari o cubici. La forma esagonale è una conseguenza degli angoli di legame all’interno della molecola d’acqua che si forma in un reticolo cristallino solido.

Sotto notiamo un diagramma di fase che descrive Ice h tra 0 oC e -100 oC per tutta la pressione nella troposfera(2). Il cristallo di ghiaccio è esagonale, ma all’interno di questa forma cristallina ci sono molteplici combinazioni.

Immagine tratta da Weatherwise magazine, AMS

Gli assi di questo grafico sono la supersaturazione(3) rispetto al ghiaccio e la temperatura.

Tutti questi cristalli sono esagonali, ma alcuni sono prismi esagonali lunghi e magri e alcuni sono piatti esagonali molto sottili e larghi. Il fiocco di neve è una dendrite e questi cristalli crescono tra -10 e -22 ° C con una sovrasaturazione rispetto all’acqua liquida.

Quello che succede è che il cristallo esagonale ha 6 vertici che collegano i suoi 6 lati. Ad un alta supersaturazione il vapore viene rapidamente depositato nelle aree del gradiente di temperatura(6) migliorato e dei bracci della forma di dentrite. La particolare forma del dendrite dipenderà fortemente dal gradiente di temperatura che sta creando, che a sua volta è fortemente influenzato dalla sua forma attuale e dall’ambiente in cui cresce.

Note

(1) Il fenomeno della nucleazione, assieme all’accrescimento, è uno dei meccanismi attraverso cui può avvenire una transizione di fase[1] (ad esempio cristallizzazione, ebollizione o condensazione).

(2) La troposfera (dal greco:τροπος, modo, mutazione, cambiamento) è la fascia sferoidale aeriforme dell’atmosfera che si trova a diretto contatto con la superficie terrestre, di spessore variabile a seconda della latitudine: ai poli è spessa solamente 8 km mentre raggiunge i 16-20 km all’equatore.

(3) La supersaturazione è lo stato di una soluzione che contiene più del materiale disciolto di quello che potrebbe essere sciolto dal solvente in circostanze normali. Può riferirsi pure al vapore di un composto che ha una pressione (parziale) più alta della pressione di vapore di quel composto.

(4)Il termine dendrite è solitamente utilizzato per classificare strutture di tipo ramificato. L’origine del termine è riconducibile alla parola greca “dendròn” (δενδρον) cioè albero. L’acqua forma spontaneamente tali strutture se sottoposte ad un rapido congelamento.

(5)Il termine soluzione sovrasatura si riferisce ad una soluzione in cui il solvente ha più soluto della massima quantità che può contenere alle condizioni di equilibrio termodinamico[1]. L’eccesso di soluto presente in una soluzione satura e visibile sotto forma di precipitato tenderà per cui a solubilizzarsi.

(6) In fisica, il gradiente di temperatura è una quantità fisica utilizzata per descrivere la direzione e l’intensità delle variazioni di temperatura.

Approfondimenti

Lamb, D. and Verlinde, H., 2011: Vapor-growth of individual ice crystals. Physics and Chemistry of Clouds. Cambridge University Press, Ch 8.3, 342-369.

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