La física de los cristales de nieve

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La figura ilustra la gran variedad de formas que pueden adoptar los cristales de nieve. En última instancia, esta gran variedad de formas (morfología) de los cristales es una función de la temperatura y de la supersaturación del vapor de agua en el momento en el que crecen (esto se descubrió hace 75 años) y hoy creemos entender sus principios físicos generales. El cristal empieza a crecer alrededor de una pequeña impureza química disuelta en el aire. La estructura molecular de la superficie del cristal de hielo es extremadamente sensible a los factores ambientales, siendo esta sensibilidad la última responsable de su gran variedad morfológica. El proceso de solidificación limitada por la difusión explica gran número de los patrones que observamos, como el crecimiento de dendritas. Los mecanismos físicos que gobiernan la formación de cristales de nieve, un caso particular de la dinámica del crecimiento cristalino en fase de vapor, se estudian con detalle en el artículo de revisión de Kenneth G. Libbrecht, “The physics of snow crystals,” Reports on Progress in Physics 68: 855-895, 2005 , de donde he extraído las figuras de esta entrada y que recomiendo a los interesados en detalles técnicos. En esta entrada me limitaré a mostraros imágenes. ¿Más vale una imagen que mil “palabros”?

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Diagrama morfológico de los cristales de nieve en función de la temperatura y del grado de supersaturación del vapor de agua. (C) Furakawa

Johannes Kepler en 1611 escribió el primer tratado científico dedicado a la morfología de los cristales de nieve desde un punto de vista científico. René Descartes también los estudió en 1637 en su tratado sobre los fenómenos meteorológicos “Les Météores.” Estas primeras investigaciones observaron la variedad de los cristales pero no pudieron explicarla. Desde finales del s. XIX, con la aparición de la fotografía, Wilson Bentley catalogó varios miles de imágenes de cristales de nieve (publicadas en 1931). Las bellas imágenes de Bentley son las responsables de que los cristales de nieve se hayan convertido en un icono del invierno. Ukichiro Nakaya realizó los primeros estudios en laboratorio del crecimiento cristalino en los 1930, obteniendo los primeros cristales de nieve “sintéticos” a diferentes temperaturas y supersaturaciones. El diagrama morfológico de más arriba es producto de su trabajo. Muestra el crecimiento de cristales de nieve a una presión estándar de 1 atmósfera (actualmente se ha extendido hasta temperaturas de -70°C. En la naturaleza muchos copos de nieve son policristalinos (unión de diferentes tipos de cristales) ya que las condiciones de temperatura y supersaturación pueden cambiar mientras crecen y pueden aparecer nueva impurezas o puntos de nucleación, lo que incrementa la variedad de sus formas.

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El crecimiento de los cristales de nieve viene controlado por varios factores en competición: la difusión de las partículas de hielo, las pérdidas de calor latente por la solidificación, y la formación del frente de solidificación que determina las condiciones de contorno para la difusión. Son tres fenómenos que compiten entre sí. Dependiendo de las condiciones ambientales, uno de estos fenómenos pueda dominar sobre el resto o dos de ellos pueden competir entre sí sin contar con el tercero. Como estos fenómenos son no lineales su competición es responsable de la enorme variedad y belleza de la morfología de los cristales resultantes. Los que tengan acceso al artículo original y estén interesados en los detalles, disfrutarán con el artículo de Libbrecht, cuyo contenido matemático más técnico ha sido reducido al mínimo. Un buen artículo del que os mostraré, para acabar, otra más de sus múltiples y bellas fotografías de cristales de nieve.

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2 comentarios

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fernando arzate fernando arzate

realmente es un tema interesante y muy bello, creo que la nieve es un misterio que pronto podemos descubrir!!!

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