La nieve en la parte central de Rusia ha sido escasa este invierno. En algunos lugares ha caído, por supuesto, pero en enero se podría haber esperado un clima más frío y nevado. La grisácea monotonía y la desagradable humedad impiden disfrutar de las habituales diversiones invernales. Por eso, Cloud4Y propone añadir un poco de nieve a nuestras vidas, hablando sobre... copos de nieve.
Se considera que los copos de nieve son de solo dos tipos. Y uno de los científicos, a quien a veces se le llama el 'padre' de la física de los copos de nieve, ha desarrollado una nueva teoría que explica la razón de esto. es un hombre sorprendente que está dispuesto a abandonar el cálido sur de California en medio del invierno para llegar a Fairbanks (Alaska), ponerse un abrigo cálido y sentarse en un campo helado con una cámara y un trozo de espuma en las manos.
¿Por qué? Busca los copos de nieve más brillantes, más texturizados y más hermosos que la naturaleza puede crear. Según él, los ejemplos más interesantes tienden a formarse en los lugares más fríos: el famoso Fairbanks y en la nevada parte norte de Nueva York. Sin embargo, la mejor nieve que Kenneth ha observado alguna vez cayó en Cochrane, un lugar en el noreste de Ontario, donde una suave brisa hacía girar los copos de nieve que caían del cielo.
Encantado por el elemento, Libbrecht estudia su placa de espuma con la perseverancia de un arqueólogo. Si hay algo interesante, su mirada se fijará en ello. Si no, la nieve se barre de la placa y todo comienza de nuevo. Y esto puede durar horas.
Libbrecht es físico. Por una curiosa coincidencia, su laboratorio en el Instituto de Tecnología de California investiga la estructura interna del sol y incluso ha desarrollado dispositivos modernos 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 lucir así. 'La pregunta sobre qué tipo de objetos caen del cielo, cómo sucede y por qué lucen de esa manera me atormenta constantemente', confiesa Kenneth.
Durante mucho tiempo, los físicos solo necesitaban saber que entre muchos diminutos cristales de nieve se podían distinguir dos tipos predominantes. Uno de ellos es una estrella plana con seis o doce puntas, cada una decorada con encajes increíblemente hermosos. El otro es una especie de columna en miniatura, que a veces queda atrapada entre "tapitas" planas, y a veces parece un tornillo ordinario. Estas formas se pueden observar a diferentes temperaturas y niveles de humedad, pero la razón detrás de la formación de una u otra forma había sido un misterio. Los años de observaciones de Libbrecht han ayudado a comprender mejor el proceso de cristalización de los copos de nieve.
Los logros de Libbrecht en este campo han ayudado 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, en línea 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 en diferentes condiciones. En su de 540 páginas, Libbrecht describe todo el conocimiento sobre los cristales de nieve.
Estrellas de seis puntas
Por supuesto, usted sabe que es imposible ver dos copos de nieve iguales (salvo en la etapa de su formación). Este hecho está relacionado con la forma en que se forman los cristales en el cielo. La nieve es un conjunto de cristales de hielo que se forman en la atmósfera y mantienen su forma cuando caen juntos a la Tierra. Se forman cuando la atmósfera está lo suficientemente fría como para evitar la fusión o el derretimiento en nieve húmeda o lluvia.
Aunque dentro de una nube se pueden registrar muchas temperaturas y niveles de humedad, para un solo copo de nieve, estas variables serán constantes. Es por eso que un copo de nieve tiende a crecer de manera simétrica. Por otro lado, cada copo de nieve está expuesto al viento, la luz solar y otros factores. En esencia, cada cristal está sujeto al caos de la nube y, por lo tanto, adopta diversas formas.
Según el estudio de Libbrecht, las primeras reflexiones sobre estas delicadas formas fueron registradas en el año 135 a.C. en China. "Las flores de las plantas y los árboles suelen ser de cinco puntas, pero las flores de la nieve siempre son de seis puntas", escribió el académico Han Yin. El primer científico que intentó entender por qué ocurre esto fue, probablemente, Johannes Kepler, un erudito y científico alemán.
En 1611, Kepler hizo un regalo de Año Nuevo a su patrocinador, el emperador del Sacro Imperio Romano, Rodolfo II: un pequeño titulado "Sobre los copos de nieve hexagonales".
"Cruzo un puente, atormentado por la vergüenza: ¡te dejé sin regalo de Año Nuevo! Y aquí se me presenta una conveniente oportunidad. Las vaporosas de agua, al condensarse por el frío, caen en forma de copos de nieve sobre mi ropa, todos, como uno, hexagonales, con puntas esponjosas. ¡Juro por Hércules, aquí hay algo que es menor que cualquier gota, tiene forma, puede servir como el tan esperado regalo de Año Nuevo para un amante de la Nada y es digno de un matemático que posee la Nada y recibe la Nada, ya que cae del cielo y contiene la semejanza de una estrella hexagonal!".
"Debe haber una razón por la cual la nieve tiene forma de estrella hexagonal. No puede ser una casualidad", estaba convencido Johannes Kepler. Quizás le vino a la mente una carta de su contemporáneo Thomas Harriot, un científico y astrónomo inglés que también había trabajado como piloto para el explorador sir Walter Raleigh. Alrededor de 1584, Harriot buscaba la manera más eficiente de apilar balas de cañón en las cubiertas de los barcos de Raleigh. Harriot descubrió que los patrones hexagonales parecen ser la mejor manera de colocar esferas, y discutió este tema en su correspondencia con Kepler. Kepler se preguntaba si algo similar ocurría en los copos de nieve y qué elemento hacía que esos seis rayos aparecieran y se mantuvieran.
Las formas de los copos de nieve
Se podría decir que esta fue una comprensión inicial de los principios de la física atómica, de los cuales se hablará solo dentro de 300 años. De hecho, las moléculas de agua, con sus dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, tienden a unirse, formando arreglos hexagonales. Kepler y sus contemporáneos ni siquiera imaginaban cuán importante era esto.
Como dicen los físicos, gracias a los enlaces de hidrógeno y la interacción entre moléculas, podemos observar una estructura cristalina abierta. Además de la capacidad para cultivar copos de nieve, la estructura hexagonal permite que el hielo sea menos denso que el agua, lo que tiene un enorme impacto en la geoquímica, geofísica y el clima. En otras palabras, si el hielo no flotara, la vida en la Tierra sería imposible.
Sin embargo, después del tratado de Kepler, la observación de los copos de nieve fue más un pasatiempo que una ciencia seria. En la década de 1880, un fotógrafo estadounidense llamado Wilson Bentley, que vivía en un pequeño pueblo frío y nevado llamado Jericó (Vermont, Estados Unidos), comenzó a tomar fotografías de copos de nieve utilizando placas fotográficas. Logró crear más de 5000 fotografías antes de morir de neumonía.
Aún más tarde, en la década de 1930, el investigador japonés Ukichiro Nakaya comenzó un estudio sistemático de los diferentes tipos de cristales de nieve. A mediados del siglo, Nakaya cultivó copos de nieve en un laboratorio, utilizando pelos individuales de conejo en un ambiente refrigerado. Experimentó con la humedad y la temperatura, cultivando tipos básicos de cristales y recopilando su catálogo original de formas posibles. Nakaya descubrió que los copos de nieve en forma de estrella tienden a formarse a -2 °C y -15 °C. Las columnas se forman a -5 °C y aproximadamente a -30 °C.
Es importante señalar que a temperaturas alrededor de -2 °C aparecen formas delgadas y planas de copos de nieve, a -5 °C crean delgadas columnas y agujas, cuando la temperatura desciende a -15 °C, se convierten realmente en placas delgadas, y a temperaturas por debajo de -30 °C regresan a columnas más gruesas.
En condiciones de baja humedad, los copos de nieve en forma de estrella forman varias ramificaciones y se asemejan a placas hexagonales, pero con alta humedad se vuelven más intrincados y encajonados.
Según Libbrecht, las razones para la aparición de las diferentes formas de copos de nieve se comprendieron mejor gracias al trabajo de Nakaya. Se estableció que los cristales de nieve se convierten en estrellas planas y placas (y no en estructuras tridimensionales) cuando los bordes crecen rápidamente hacia afuera y las caras crecen lentamente hacia arriba. Las delgadas columnas crecen de manera diferente, con caras que crecen rápidamente y bordes que crecen más lentamente.
Al mismo tiempo, los procesos principales que determinan si un copo de nieve se convierte en una estrella o una columna siguen siendo desconocidos. Quizás el secreto radique en las condiciones de temperatura. Y Libbrecht intentaba encontrar la respuesta a esta pregunta.
La receta del copo de nieve
Junto con su pequeño equipo de investigadores, Libbrecht intentaba idear una receta para el copo de nieve. Es decir, un conjunto de ecuaciones y parámetros que se pueden cargar en una computadora para que la IA genere una magnífica variedad de copos de nieve.
Kenneth Libbrecht comenzó sus investigaciones hace veinte años, al enterarse de una forma exótica de copo de nieve llamada columna cerrada. Se parece a un carrete de hilo o a dos ruedas unidas por un eje. Nacido en el norte del país, se sorprendió al descubrir que nunca había visto un copo de nieve de este tipo.
Impactado por las infinitas formas de los cristales de nieve, se dedicó a su naturaleza, creando un laboratorio para cultivar copos de nieve. Los resultados de años de observaciones ayudaron a desarrollar un modelo que el propio autor considera revolucionario. Propuso la idea de la difusión molecular basada en la energía superficial. Esta idea describe cómo el crecimiento de un cristal de nieve depende de las condiciones iniciales y el comportamiento de las moléculas que lo forman.
Imagina que las moléculas de agua están dispuestas libremente, ya que los vapores de agua apenas comienzan a congelarse. Si pudieras estar dentro de una diminuta observación y observar este proceso, podrías ver cómo las moléculas de agua congelada comienzan a formar una estructura rígida, donde cada átomo de oxígeno está rodeado por cuatro átomos de hidrógeno. Estos cristales crecen al incluir moléculas de agua del aire circundante en su estructura. Pueden crecer en dos direcciones principales: hacia arriba o hacia afuera.
Se forma un cristal delgado y plano (en forma de lámina o estrellado) cuando los bordes se forman más rápido que dos caras del cristal. El cristal en crecimiento se expandirá hacia afuera. Sin embargo, cuando las caras crecen más rápido que los bordes, el cristal se vuelve más alto, formando una aguja, una columna hueca o un vástago.
Formas raras de copos de nieve
Un momento más. Presta atención a la tercera fotografía, tomada por Libbrecht en el norte de Ontario. Este es un cristal con "columnas cerradas": 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. Observa los bordes, verás cómo la placa se divide en dos. Los bordes de estas dos placas delgadas son aproximadamente tan afilados como una hoja 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 difunde por la superficie hacia el borde del cristal o hacia sus caras, haciendo que el cristal crezca hacia afuera o hacia arriba. Qué proceso "gana" depende principalmente de la temperatura.
Es importante señalar que el modelo es "semiempírico". Es decir, se construye en parte para ajustarse a lo que está ocurriendo, en lugar de explicar los principios de crecimiento de los copos de nieve. Las inestabilidades y las interacciones entre las innumerables moléculas son demasiado complejas para desentrañarlas por completo. Sin embargo, hay esperanza de que las ideas de Libbrecht sirvan de base para un modelo integral de dinámica de crecimiento del hielo, que podría ser detallado mediante mediciones y experimentos más precisos.
No hay que pensar que estas observaciones son de interés solo para un círculo restringido de científicos. Preguntas similares surgen en la física de medios condensados y en otros campos. Las moléculas de medicamentos, los chips semiconductores para computadoras, los elementos solares y muchas otras industrias dependen de cristales de alta calidad, y grupos enteros se dedican a la cuestión de su cultivo. Así que los copos de nieve tan queridos por Libbrecht pueden ser de gran utilidad para la ciencia.
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Fuente: habr.com
