¿Cómo se forman los copos de nieve?

Ukichiro Nakaya creó el primer copo de nieve artificial hace casi 90 años, después de haber realizado uno de los estudios más completos sobre cristales de hielo. Además, Nakaya fotografió una gran cantidad de cristales de nieve, catalogando sus distintos tipos. Sus observaciones se resumen hoy en un diagrama morfológico de los cristales, que predice sus formas en función de variables como la temperatura y la humedad. Como todos lo hemos hecho alguna vez, se planteó la pregunta:  ¿Por qué los copos de nieve tienen, casi siempre, una forma hexagonal simétrica?

Si hay algo que caracteriza a los cristales de hielo que componen los copos de nieve, es la variedad de su forma. A pesar de que -en general- todos tienen una simetría hexagonal, es prácticamente imposible encontrar dos iguales ¿Por qué ocurre esto, si se forman dentro de una misma nube, sometida a las mismas condiciones atmosféricas? El secreto está, como sabemos actualmente, en la temperatura y la supersaturación del vapor de agua en el momento en que los cristales se desarrollan.

El cristal comienza a crecer alrededor de una pequeña impureza química -generalmente el polvo que se encuentra flotando en la atmósfera- en el aire. La estructura molecular del cristal de hielo es extremadamente sensible a los factores ambientales mencionados, y pequeñas variaciones en algunos de esos parámetros dan como resultado cristales completamente diferentes. Hoy creemos comprender los principios físicos que gobiernan su desarrollo, aunque seguimos siendo incapaces de predecir con algún grado de certeza cuál será la forma exacta de un cristal de nieve.

La gente -y en especial los científicos- se han sentido atraídos por la forma de los cristales de hielo que conforman los copos desde prácticamente la primera vez que un humano vio nevar. Es muy posible que el primer científico que haya abordado metódicamente este problema haya sido Johannes Kepler, que en 1611 escribió el primer tratado “serio” dedicado a la morfología de los cristales de nieve de que se tenga noticia.

René Descartes también se preocupó por esta cuestión y -luego de una larga investigación- hizo público en 1637 en su tratado sobre los fenómenos meteorológicos: “Les Météores.” Pero estos estudios se limitaron a describir la variedad de cristales existentes, sin lograr explicar su origen. Hubo que esperar decenas y décadas de años, hasta finales del siglo XIX, cuando la invención de la fotografía permitió realizar un análisis más profundo de los cristales de hielo. Así fue como Wilson Bentley pudo crear un catalogo de más de 5000 formas y publicó la mayor parte de ellas en un libro editado en 1931.

Es posible que la belleza de las imágenes de capturadas por Bentley sean las responsables de que los cristales de nieve se hayan convertido en un verdadero icono del invierno. Finalmente, y luego de intentarlo durante siglos, la humanidad estaba a punto de comprender cómo se formaban estos cristales.

Fue el japonés Ukichiro Nakaya quien realizó los primeros estudios “de laboratorio”. Intrigado como quienes lo precedieron por la forma en que adoptaban los cristales a lo largo de su crecimiento, logró, en 1933, obtener los primeros cristales de nieve “sintéticos”. Nakaya realizó experimentos en los que variaba ligeramente la temperatura y el nivel de supersaturación del agua, y observó la influencia que esto tenía sobre la forma de los cristales generados.

El perfil general de todos los copos siempre será hexagonal. A pesar de la variedad casi infinita de cristales que pueden generarse, es la forma de la molécula de agua la que dicta su simetría. Dado que el H2O es un perfecto triángulo equilátero, cada nodo de crecimiento del cristal no tiene otra opción que “pegarse” en un ángulo de exactamente 60 grados con respecto a los vértices del triángulo. Este hecho es el responsable de que, en cada “capa” de crecimiento, seis de esos “triángulos moleculares” formen la base del crecimiento siguiente, por lo que la forma será siempre hexagonal. Sin embargo, conocer esto no basta para determinar la forma del cristal resultante.

Sabemos que la parte estática del proceso genera objetos con simetría hexagonal, pero poco podemos decir sobre su aspecto dinámico: ¿Formará facetas? ¿Será único o se fragmentará en comunidades más pequeñas? Todo esto depende de la ubicación espacial de cada uno de los átomos que se agregan a la estructura, un proceso lo suficientemente complicado como para tornarse impredecible. Esta es la causa de que al examinar dos nevadas separadas por solo unas horas uno pueda encontrar cristales con agujas muy diferentes.

¿Cómo puede ser que se produzcan estructuras tan diferentes a partir de exactamente el mismo material? El doctor Kenneth Libbrecht -profesor de física en el CalTech– es una de las personas que mejor han estudiado este proceso, y cree tener una respuesta: “Cada columna, aguja y placa de forma estrellada que nos cae del cielo, comienza como un sencillo prisma hexagonal, que es la forma básica de un cristal de nieve. Esta forma básica tiene dos facetas que llamamos `basales´ y seis facetas `prismáticas´. Sin embargo, la estructura final depende de las velocidades de crecimiento relativo en las superficies de las facetas: el vapor se condensa más rápidamente en las caras prismáticas. El mero hecho de que existan cristales columnares y planos exige que la velocidad de crecimiento varíe en un factor de 1000 bajo diferentes condiciones“. La solución, parece, pasa por comprender el proceso de su crecimiento individual más que en el resultado final, ya que allí se originan las diferencias.

Este mismo razonamiento fue el que llevó a Ukichiro Nakaya, hace casi un siglo, a cultivar y hacer crecer sus propios copos de nieve. Dentro de su laboratorio podría estudiar el proceso de formación bajo condiciones controladas. Sus observaciones se resumen en un diagrama morfológico de los cristales, que muestra la manera en que la temperatura y la humedad determinan a grandes rasgos la forma de los cristales.

Como ves en la figura de arriba, la temperatura se representa sobre el eje horizontal y la humedad en el vertical. Nakaya muestra qué ocurre cuando la escala sobrepasa el 100%  de humedad, situación conocida como “sobresaturación de agua”. La línea azul muestra las diferencias que aparecen en el diseño de los cristales que se forman por encima y por debajo de ella. Es evidente que los cristales relativamente simples comienzan a volverse más y más complejos a medida que aumenta la humedad. Algunas formas, como las estrelladas o las que tienen múltiples ramas, sólo se forman con índices de humedad muy altos.

También se ve cómo la forma varía dramáticamente en función de la temperatura. El hecho de que  los cristales vuelvan a formas simples cuando la temperatura desciende demasiado es particularmente difícil de explicar, y 85 años después del análisis de Nakaya seguimos sin entender por qué esos grandes cambios morfológicos son causados por apenas unos pocos grados de diferencia.Hoy sabemos que la presión atmosférica también influye en la forma final, por lo que no sólo interviene dos variables, sino al menos tres. Y quizás más. Libbrecht explica que “de hecho, el diagrama morfológico de los cristales de nieve es una simple `rebanada´ bidimensional de una realidad mucho más compleja y multidimensional. Si agregamos un tercer eje -el tiempo-, veremos que los cristales se hacen mucho mayores y más complejos conforme pasa el tiempo.”

Es posible que nunca logremos predecir con exactitud qué forma tendrá un copo de nieve determinado, pero eso, obviamente, no hace más que aumentar su belleza. Cada uno de los cristales con los que seguramente soñaba Nakaya es único, casi una obra de arte de la naturaleza, y eso es lo que importa.