El universo del copo de nieve y sus cuestiones físicas: el por qué de esas formas

La nieve, meteoro frecuente en ambiente apropiado, reserva de agua dulce, que forma idílicos paisajes, posee unas características poco conocidas y como mínimo curiosas. Es del dominio público la frase “blanco como la nieve”, y, sin embargo, nos encamina a una característica física singular y normalmente desconocida: la nieve no es blanca, sino translúcida -casi transparente – en condiciones habituales, siempre que no esté asociada a núcleos de condensación o elementos que la coloreen.

La blancura de la nieve es el resultado de la absorción de la luz blanca solar por la superficie nivosa y su posterior reflexión en el espectro que los conos del ojo humano reciben y que el lóbulo occipital cerebral procesa como color blanco.

Aunque existen diferentes formas precipitables de nieve, y su posterior transformación, el copo de nieve típico formado en la nube es sencillamente agua congelada alrededor de un núcleo de condensación. Debo hacer una aclaración sobre el lugar donde se forma el cristal o copo: la nube, que la creencia popular la sitúa en el estado físico gaseoso (vapor de agua), resultando un error, pues está compuesta por gotitas de agua (estado líquido) y partículas sólidas (cristales de hielo, nieve, además de núcleos de condensación), todo ello dentro de los gases atmosféricos. 

 Otra característica morfológica de estos pequeños cristales de hielo que conforman el típico copo de nieve, es la forma geométrica singular con características físico-matemáticas que se incluyen en lo conocido como “fractales”: objetos geométricos cuya estructura básica se repite en diferentes escalas, replicándose el mismo patrón.

 La forma del cristal de nieve típico es la hexagonal ramificada “dendrítica” (que recuerda las prolongaciones alrededor del cuerpo de una célula neuronal), aceptablemente simétrica, con variaciones en tamaño y particularidades de forma, que hacen prácticamente singular y distinto a cada copo formado en la naturaleza y que responde a variabilidades físicas como veremos posteriormente. Pero existen otras formas de los cristales que constituyen un copo, como son agujas, prismas, placas planas y columnas huecas o macizas, cuya geometría es mayoritariamente hexagonal en todos los casos.

Tras la precipitación o incluso dentro de ella, dependiendo de las condiciones meteorológicas, los copos sufren una metamorfosis -fuera del alcance de este epígrafe – que modifican su forma y características físicas.

Vamos a citar sucintamente diferentes tipos de precipitación y metamorfosis de la nieve, a fin de dar una idea global de este meteoro:

-Cellisca: Precipitación sólida y líquida al tiempo (“aguanieve”) con copos sólidos, agua y copos en transformación de sólido a líquido.

-Cinarra: Precipitación de nieve granular muy fina en forma de placas, agujas o cilindros, que a veces parece suspendida en el aire.

-Copos recientes, nieve polvo o seca: Copos recién caídos con la forma hexagonal dendrítica y otras formas descritas. Poco cohesionada, lo hace por trabazón, dejando huecos de aire que lleva a menor compactación y por tanto menor densidad por volumen.

-Nieve granulada: Pequeños granos con aspecto de corcho de embalaje. Procede de precipitaciones turbulentas donde los cristales se rodean, en su precipitación o en el suelo, de agua sobreenfriada en un proceso de escarchado. La cohesión no es buena y las capas precipitadas son deslizantes entre sí.

-Partículas reconocibles: Copos con cristales fragmentados por el viento o parcialmente redondeados por metamorfosis. Deja una capa más compacta que la nieve seca o en polvo debido a su cohesión por “sinterización” y menor contenido de aire atrapado.

-Granos finos: Pequeños granos redondeados que, a diferencia de la cinarra, han sufrido metamorfosis destructiva por aumento de la temperatura. A veces forman conglomerados por sinterización.

-Granos de caras planas: Con caras planas y bordes angulosos por metamorfosis. Dejan una interfase de agua que disminuye la cohesión entre las capas.

-Cubiletes: Cristales de hielo por metamorfosis del copo, en forma de cubiletes con grandes estrías. Se forman por difusión de vapor de agua debido a gradientes fuertes de temperatura en la capa nívea.

-Escarcha de superficie: No se trata de la típica escarcha sobre suelo seco. Se forma por condensación de vapor de agua sobre la superficie fría de la nieve, en noches frías, con cielo despejado y poco viento. Su aspecto es de pequeñas plumas transparentes de varios milímetros o incluso algún centímetro.

-Granos redondos: Transformación por metamorfosis de los copos caídos tras una subida de la temperatura con posterior bajada. Se trata de una transformación a hielo de los copos.

-Costra de rehielo: Se produce cuando la capa superficial de nieve funde a agua líquida y posteriormente vuelve a congelar. Sucede tras fuerte insolación con posterior bajada de la temperatura, o cuando hay una precipitación de agua encima de la nieve sin que esta funda en su totalidad.

-Capa de hielo (interna): Fusión de los copos en el interior del manto nivoso por agua que traspasa una superficie de nieve, quedando una capa de agua en su interior que congela.

En las estructuras de hielo no se reconoce la forma de los copos o granos individuales: ha habido una transformación a hielo.

 Otras clasificaciones llevan otras nomenclaturas:

-Nieve fresca: La hemos descrito como copos recientes en polvo. 

-Nieves transformadas: Nieve granulada, nieve primavera o podrida (en algunos lugares con el nombre vernáculo de “nieve papa”), nieve costra, nieve venteada, “sastrugis” producidos por el viento, “frinspiegel” (costra helada superficial), “verglás” o hielo cristal, “penitentes”, huecos de fusión, cornisas por nieve venteada, etc. 

Cuando un manto de nieve profunda se mantiene en el tiempo, esa nieve vieja, por el proceso metamórfico se transforma en hielo, conociéndose como “nevisa”, “ firn” o “neve”.

Sirva esta introducción para situarnos y contestar a ciertas cuestiones con los mecanismos íntimos físicos que explican las anteriores descripciones.

 Para responder a esta pregunta es conveniente conocer dos conceptos:

-Entalpía (“H”): Es el calor que absorbe o libera un sistema físico sin que varíe la presión (a presión constante), pudiendo ser positiva (si el proceso absorbe calor – enfriándose la zona adyacente-), o negativa (si en el proceso se libera calor -calentándose la zona adyacente-).

-Cambios de estado de la materia: Son sobradamente conocidos los diferentes estados de la materia (sólido, líquido, gas y plasma -”el cuarto estado de la materia”-). El paso de uno a otro lleva implícito una absorción o liberación energética, y, por tanto, una entalpía positiva o negativa.

 El copo, o mejor cristal de nieve, no es una gota de agua congelada, sino cristales de hielo que se forman en la nube a partir de vapor de agua que solidifica sin pasar por el estado líquido. Este proceso es conocido como “sublimación inversa o deposición” en la física clásica, aunque en meteorología se usa el término sublimación -sin apellido- tanto para el paso de sólido a gas, como de gas a sólido, indistintamente.

Esta sublimación inversa del vapor de agua hace que los microcristales de hielo que se  forman se adhieran a las gotículas de agua sobreenfriadas de la nube -por debajo de 0 °C-, gotículas que, por otra parte, lleva en su interior una partícula o núcleo de condensación. El descenso de la temperatura va favoreciendo la congelación y deposición de hielo, en un proceso de entalpía negativa (liberando calor interno), formándose una reacción en cascada:  ese calor liberado afecta a las gotículas del entorno formando vapor de agua que sigue sublimando sobre el cristal formado, creciendo, hasta que su peso sea suficientemente elevado para que precipite, dejando de “flotar” en la nube.

 Por tanto, la formación del cristal o copo de nieve lleva implícita una entalpía negativa (con liberación de calor al entorno), quedando resuelta la pregunta.

 Las condiciones de temperatura y humedad nos dará unas formas u otras de los cristales, y deben ser las adecuadas para que en su caída el copo llegue al suelo en estado sólido, pues si encontrase mucha humedad o mayor temperatura en las capas inferiores a la precipitación, los copos pasarían del estado sólido al líquido y la precipitación acabaría siendo en forma de agua.

 Encontramos, por tanto, una diferencia entre el mecanismo de formación de la nieve con respecto al hielo, pues mientras este último lo hace por congelación, la nieve se forma por sublimación inversa, aunque ambos procesos tienen en común que su entalpía es negativa.

Lógicamente, la fusión del copo de nieve lleva el proceso contrario, pues el paso del estado sólido al líquido lleva aparejado una absorción del calor del entorno, y, por tanto, una entalpía positiva.

 El Segundo Principio de la Termodinámica nos dice, de forma resumida, que en un sistema físico cerrado los procesos naturales siempre ocurren en la misma dirección, perdiendo energía, siempre a más y de forma irreversible (entendiendo como sistema físico cerrado aquel donde no existen flujos de energía entrantes o salientes). El Universo, en sí mismo y en conjunto, se considera un sistema aislado (obviando la teoría de los multiversos).

 De esta segunda ley se deriva el concepto de “Entropía” (S), que no es sino una medida del desorden, tendiendo a la dispersión con expansión. En la naturaleza, el calor siempre fluye de los cuerpos calientes a los fríos y nunca a la inversa.

 En el caso del copo de nieve, y como consecuencia de lo expuesto, el mayor calor del ambiente -con referencia al del copo- le transmite esa energía térmica al cristal fundiéndolo, pasando del estado sólido al líquido, e incluso en ciertas ocasiones llegando a darse un proceso de sublimación (paso del estado sólido al gaseoso sin pasar por el líquido) con formación de vapor de agua.

 Por otra parte, la Entropía al aumentar tiende a desorganizar el cristal sólido (más ordenado) pasando este al estado líquido, e incluso gaseoso, más desorganizados.

 Aunque el acervo popular tenga muy interiorizado el término “magnético”, está más indicado el concepto de electromagnetismo, una de las cuatro fuerzas fundamentales en la física. Estas fuerzas actúan tanto a nivel subatómico (cuántico) como macroscópico (física clásica), provocando tanto una atracción (acercamiento) como una repulsión (alejamiento), mediadas por fotones, afectando a las partículas con carga eléctrica, tengan o no masa tangible. Dentro del “modelo estándar” su intensidad solo es superada por la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos a los protones de un núcleo atómico.

 Su relación con el cristal de nieve empieza conociendo que la molécula de agua libre está compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, donde los primeros se unen al segundo formando un ángulo de 104,5° (en vez de 90°), lo que permite, sin entrar en detalles, que se forme una red hexagonal donde los átomos de hidrógeno de las otras moléculas se orientan hacia los vecinos por esa propiedad electromagnética, aunque al final la red hexagonal termine siendo una unión por enlace de puentes de hidrógeno.

 Y cito esta estructura hexagonal (hielo hexagonal “Ih”) por ser el tipo casi exclusivo que se forma de manera natural en nuestro planeta, polos incluidos, por sus condiciones de presión y temperatura, salvo en las profundidades de los casquetes glaciares, donde por las fuertes presiones puede encontrarse hielo formando una red cúbica (hielo cúbico “Ic”). Otras estructuras cristalinas de hielo, e incluso una forma amorfa, no se dan naturalmente en la Tierra, por lo que quedan alejadas de este epígrafe.

 Esa estructura hexagonal es poco compacta, con un factor de empaquetamiento más bajo que la forma líquida, debido a la repulsión electromagnética entre los átomos de hidrógeno y oxígeno para las presiones ordinarias, dejando una densidad más baja que el agua líquida, razón por la cual el copo (o el hielo) flota sobre esta.

 A nivel macroscópico, el copo -para mí formado por más de un cristal-, en su movimiento dentro de la nube y en su caída, por la fricción con las moléculas de los gases, va cargándose electrostáticamente de modo que según la carga adquirida, se acercarán entre sí formando copos más grandes, o se alejarán unos de otros.

 Llamativo el caso particular de las agujas de hielo (copos en forma de aguja), que al orientarse por sus cargas electrostáticas en una determinada dirección, provoca unos fotometeoros de lo más llamativos con irisaciones y arcos, que aunque comunes en las zonas polares, pueden observarse en nuestras latitudes siempre que se den las condiciones de frío y humedad para su formación.

 De modo que un copo de nieve -mejor un cristal – siempre tendrá estructura hexagonal, independientemente de su forma macroscópica (estrella, placa, aguja, columna o prisma).

 La gravedad es, por mucho, la fuerza más débil de las cuatro fuerzas fundamentales del “modelo estándar” de partículas, afectando a todas las que tengan masa independientemente de su carga eléctrica. Es tan débil que con dos dedos levantamos una barra de acero del tamaño de un bolígrafo que, sin embargo, no podemos doblar fácilmente y menos partirla con esos dos dedos, debido a las otras fuerzas que mantienen unidas las moléculas que componen dicha barra.

 En la mecánica clásica la Ley de la Gravitación Universal, descrita como todo el mundo sabe por I. Newton, predice la fuerza ejercida entre dos cuerpos con masa a cierta distancia, directamente proporcional a la masa de ambos cuerpos, e inversamente proporcional a la distancia al cuadrado entre ellos. 

 En el caso del copo de nieve, debido a su despreciable masa en comparación con el planeta, será siempre atraído por el segundo. 

 Otra cuestión es la aceleración con la que dos objetos, aun con diferente masa, son atraídos por la Tierra desde la misma distancia, siendo la misma. De lo que se deduciría que un copo de nieve esponjoso y plano caería a la misma velocidad que un granulito de nieve compacta -casi granizo- llegando al suelo al mismo tiempo, cuando en la práctica no es así, pues eso se debe al rozamiento con las partículas del aire: el más compacto, por su menor resistencia a la fricción llega antes y con mayor velocidad.

 Frecuentemente, ocurre que, debido a esa poca densidad y mucha superficie, el copo o los cristales no solo no descienden, sino que son arrastrados en horizontal por el viento o incluso vuelven a ascender, como ocurre habitualmente en el seno de una nube de tormenta (Cb) cuyas corrientes ascendentes internas elevan no solo copos “con alas”, si no gotas de agua y granizo. Este mecanismo con subidas y bajadas constantes de la precipitación en el seno de la nube hace que en el caso de gotas de agua, tras el choque de unas con otras se vayan formando unas de mayor tamaño por coalescencia, que a la superficie del granizo se le vayan sumando capas concéntricas de agua sobreenfriada que congelan aumentado su tamaño, y que el copo se una a otros, o rompan parte en el choque, perdiendo o transformando su forma original, siendo esta -aparte del mecanismo de formación – una de las razones por la que dos copos casi nunca son idénticos en la nieve formada naturalmente. 

 En cualquier caso, llega un momento en que la fuerza de la gravedad supera a las fuerzas ascensionales produciéndose una precipitación efectiva.

 La nieve en general es un elemento esencial en nuestro planeta, reserva de agua, necesaria para la supervivencia de las especies, de los ecosistemas y los nichos ecológicos. Tan bella como romántica, su escasez en la actualidad representa un problema. La belleza de un copo es tan sublime como interesante el mecanismo íntimo que lo forma y merece conocerse sin lugar a dudas.

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