Nient’altro che del bianco a cui badare…
di Alberto Monte
- Materie coinvolte: Fisica
“Nient'altro che bianco a cui badare, da toccare, da vedere o da non vedere” scriveva il poeta francese Arthur Rimbaud in una lettera del 1878 indirizzata alla sua famiglia, offrendo una descrizione della strada che stava percorrendo. La neve è uno dei fenomeni atmosferici più suggestivi: sconfinate distese bianche, fitti boschi di abeti avvolti da una tempesta, vette montuose innevate o un semplice fiocco di neve – sono tutte immagini evocative che difficilmente ci lasciano indifferenti. Dal punto di vista fisico, i fiocchi di neve sono oggetti interessanti, ed è proprio la fisica a spiegarci perché ogni fiocco di neve è unico e non è possibile trovarne due identici.
1. La materia e i passaggi di stato
In generale, la materia può presentarsi in tre diversi stati – stato solido, stato liquido oppure stato gassoso – a seconda delle condizioni di temperatura e densità. Tali condizioni, tuttavia, possono variare, comportando un passaggio di stato, una trasformazione fisica nell’arco della quale la materia passa da uno stato a un altro.
Le possibili trasformazioni che si osservano in Natura sono le seguenti [Figura 1]:
Le possibili trasformazioni che si osservano in Natura sono le seguenti [Figura 1]:
- Fusione: passaggio dallo stato solido allo stato liquido.
- Solidificazione: passaggio dallo stato liquido allo stato solido.
- Vaporizzazione: passaggio dallo stato liquido allo stato gassoso.
- Condensazione: passaggio dallo stato gassoso allo stato liquido.
- Sublimazione: passaggio dallo stato solido allo stato gassoso.
- Brinamento: passaggio dallo stato gassoso allo stato solido.
Figura 1. Le trasformazioni tra stati della materia.
Nel caso dei fiocchi di neve, il passaggio di stato che si verifica è il brinamento, che avviene quando le temperature scendono al di sotto dello zero: il vapore acqueo presente nell’aria si trasforma in ghiaccio.
2. La forma dei fiocchi di neve
La forma assunta da un fiocco di neve può variare di molto, benché vi siano alcune “forme predilette” [Figura 2]. In particolare, i fiocchi di neve tendono a svilupparsi a partire da una base di ghiaccio di forma esagonale. Infatti, la disposizione degli atomi in un cristallo di ghiaccio presenta una simmetria esagonale, la quale incide sulla struttura del fiocco di neve.
Figura 2. Alcuni esempi di forme geometriche e simmetriche assunte dai fiocchi di neve.
Una volta formatosi, il primo blocco esagonale continua a “fluttuare” tra le nubi, e altro vapore acqueo vi brina intorno, comportando un aumento delle sue dimensioni; durante questo processo di accrescimento possono formarsi strutture come quelle rappresentate in Figura 2; finché, a un certo punto, la massa del fiocco di neve raggiunge un valore tale per cui la forza di gravità prende il sopravvento: inizia allora il suo moto discendente verso il suolo.
Ogni fiocco di neve è unico: in Natura non è possibile imbattersi in due fiocchi di neve identici. La ragione risiede nel fatto che la forma precisa assunta da un fiocco di neve dipende dal percorso che esso segue tra le nubi e mentre cade verso il basso. Siccome non è possibile che due fiocchi seguano lo stesso identico percorso, non è neanche possibile trovarne due identici “in tutto e per tutto”.
Le forme geometriche assunte dai fiocchi di neve sono suggestive e, se vogliamo, sono un’ulteriore conferma del fascino che l’idea di simmetria esercita sull’uomo. È però sbagliato pensare che ogni fiocco di neve abbia una forma geometrica ben definita e, soprattutto, perfettamente simmetrica: spesso, infatti, la forma finale che essi assumono è irregolare.
Ogni fiocco di neve è unico: in Natura non è possibile imbattersi in due fiocchi di neve identici. La ragione risiede nel fatto che la forma precisa assunta da un fiocco di neve dipende dal percorso che esso segue tra le nubi e mentre cade verso il basso. Siccome non è possibile che due fiocchi seguano lo stesso identico percorso, non è neanche possibile trovarne due identici “in tutto e per tutto”.
Le forme geometriche assunte dai fiocchi di neve sono suggestive e, se vogliamo, sono un’ulteriore conferma del fascino che l’idea di simmetria esercita sull’uomo. È però sbagliato pensare che ogni fiocco di neve abbia una forma geometrica ben definita e, soprattutto, perfettamente simmetrica: spesso, infatti, la forma finale che essi assumono è irregolare.
3. Il diagramma di Nakaya
Un importante contributo alla comprensione della formazione dei fiocchi di neve e della loro struttura è stato offerto dal fisico giapponese Ukichiro Nakaya (1900-1962) [Figura 3], che definì i fiocchi di neve come lettere spedite dal paradiso – “snow crystals may be called letters sent from heaven”.
In particolare, Ukichiro Nakaya è autore di un libro illustrato dal titolo Snow Crystals: Natural and Artificial, pubblicato dalla Harvard University Press nel 1954 e ancora oggi usato come riferimento classico per la forma e la “genesi” dei fiocchi di neve.
Figura 3. Ukichiro Nakaya in una fotografia risalente al 1946.
Durante la sua caduta, un fiocco di neve può incontrare diverse condizioni di temperatura e umidità; questi due fattori – temperatura e umidità – giocano un ruolo di prim’ordine nella formazione del fiocco di neve stesso.
Nell’arco dei suoi studi, Ukichiro Nakaya ha ideato un diagramma, noto come diagramma di Nakaya, nel quale si può vedere in quali condizioni di temperatura e umidità è più probabile che si formino fiocchi di neve aventi una certa forma [Figura 3].
Si nota, per esempio, che i fiocchi di neve a forma di stella tendono a formarsi solo in una fascia ristretta di temperature, compresa tra i −15 °C e −20 °C, e umidità; lo stesso dicasi per i fiocchi a forma di ago, che si formano a temperature prossime ai −5 °C; fiocchi di neve a forma di dendrite si formano sia a temperature prossime allo zero sia a temperature di circa −15 °C, in quest’ultimo caso a elevata umidità; a basse temperature, tra i −25 °C e −30 °C, i fiocchi tendono ad assumere una forma “a colonna” oppure, se l’umidità è particolarmente bassa, forme piatte. Si nota, inoltre, che anche le dimensioni dei fiocchi di neve subiscono delle variazioni a seconda delle condizioni di temperatura e umidità.
Nell’arco dei suoi studi, Ukichiro Nakaya ha ideato un diagramma, noto come diagramma di Nakaya, nel quale si può vedere in quali condizioni di temperatura e umidità è più probabile che si formino fiocchi di neve aventi una certa forma [Figura 3].
Si nota, per esempio, che i fiocchi di neve a forma di stella tendono a formarsi solo in una fascia ristretta di temperature, compresa tra i −15 °C e −20 °C, e umidità; lo stesso dicasi per i fiocchi a forma di ago, che si formano a temperature prossime ai −5 °C; fiocchi di neve a forma di dendrite si formano sia a temperature prossime allo zero sia a temperature di circa −15 °C, in quest’ultimo caso a elevata umidità; a basse temperature, tra i −25 °C e −30 °C, i fiocchi tendono ad assumere una forma “a colonna” oppure, se l’umidità è particolarmente bassa, forme piatte. Si nota, inoltre, che anche le dimensioni dei fiocchi di neve subiscono delle variazioni a seconda delle condizioni di temperatura e umidità.
Figura 4. Diagramma di Nakaya mostra come diversi tipi di cristalli di neve crescono in aria a pressione atmosferica, in funzione della temperatura e dell’umidità. Crediti: http://www.snowcrystals.com/
Attività per la classe – Il concetto di “simmetria” in Natura
L’uomo è sempre stato affascinato dal concetto di simmetria. Al concetto di simmetria se ne legano altri, come quello di ordine, bellezza, armonia, eleganza, perfezione… Poiché il mondo che ci circonda presenta molte simmetrie, le discipline che lo studiano hanno avuto spesso e continuano ad avere a che fare con questo concetto.
- Dividetevi in gruppi.
- Ogni gruppo sceglie una delle seguenti discipline scientifiche (eventualmente, sentitevi liberi di sceglierne anche delle altre al di fuori di questo elenco): fisica, biologia, geologia, botanica, zoologia.
- Fate una ricerca su come e quando il concetto di simmetria entra nella disciplina scientifica che avete scelto: focalizzatevi su qualche esempio.
- Ogni gruppo prepara una presentazione, arricchita da foto, video ed esempi sull’argomento e la discute di fronte al resto della classe.
Referenze
[1] Toward a Comprehensive Model of Snow Crystal Growth Dynamics: 1. Overarching Features and Physical Origins. Libbrecht, K. G.
[2] SnowCrystals.com
[3] Wired: La fisica della caduta dei fiocchi di neve
[4] Geopop: Fiocchi di neve. come si formano e perché sono tutti diversi/La forma dei fiocchi di neve
[5] University of Utah: The science behind snowflakes
[2] SnowCrystals.com
[3] Wired: La fisica della caduta dei fiocchi di neve
[4] Geopop: Fiocchi di neve. come si formano e perché sono tutti diversi/La forma dei fiocchi di neve
[5] University of Utah: The science behind snowflakes
