Cristalli di ghiaccio

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Cristalli di ghiaccio
Fiori di ghiaccio

Con la trasformazione in ghiaccio, l'acqua tende a configurarsi in formazioni solide la cui struttura mostra una disposizione ordinata e regolare a varie scale dimensionali, i cristalli di ghiaccio. Tra le varie forme macroscopiche assunte dal ghiaccio vi sono le colonne esagonali, le placche esagonali, le dendriti cristalline, gli aghi, e la polvere di diamante.

Formazione[modifica | modifica wikitesto]

La strutturazione in forme ad alta simmetria è dovuta all'accrescimento dei cristalli di ghiaccio per deposizione (nello specifico, deposizione diretta) di vapore acqueo su cristalli di ghiaccio. A seconda dei livelli di umidità e temperatura ambiente, i cristalli di ghiaccio si possono sviluppare dalla originaria forma esagonale fino ad assumere numerose forme simmetriche, come colonne, aghi, placche, dendriti, che conservano traccia più o meno marcata dell'originaria simmetria.

Se, durante questo processo, un cristallo si sposta in un luogo diverso, con mutate condizioni ambientali (o, pur in assenza di sposatmento, le condizioni esterne mutano nel tempo), il modello di accrezione può cambiare in maniera imprevedibile: può succedere, così, che il risultato finale può essere un cristallo con mescolanza di schemi. Un esempio è fornito dalle colonne incappucciate.

Geometria[modifica | modifica wikitesto]

"Colonne incappucciate" con deposito di "schiuma" agli estremi (calabrosa)
Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Sistema esagonale, Sistema cubico, Ghiaccio Ih, Ghiaccio Ic, Ghiaccio II e Ghiaccio XV.
Hexagonal.svg


Da un punto di vista fondamentale, i cristalli di ghiaccio, pur nelle innumerevoli forme, esibiscono un modello di simmetria esagonale. Per questo motivo, le strutture cristalline generate dall'accrescimento di un cristallo iniziale tendono a conservare uno spiccato grado di simmetria, derivata da quella esagonale. In alcuni casi, si osservano cristalli con simmetria trigonale, il che suggerisce l'effetto di una simmetria cubica[1]

Morfologia[modifica | modifica wikitesto]

Nonostante la forma iniziale del germe di ghiaccio sia sempre esagonale, le modalità del processo di accrescimento, e le forme finali raggiunte, dipendono delle diverse condizioni ambientali[2]: nello specifico, sono influenzate dal grado di soprasaturazione dell'aria circostante (un parametro, che, in definitiva, è legato ai livelli di temperatura e umidità ambiente[2]. Le diverse condizioni esterne danno vita, a partire da uno stesso germe simmetrico, a forme molto variabili e differenziate[2].

Le principali morfologie sono tre: quelle dette stelle o dendriti, esemplificate dal classico fiocco di neve, le forme piane (placchette o dischi), e le forme allungate e aghiformi (dette aghi di ghiaccio, colonne, o prismi, a seconda del rapporto lunghezza/larghezza)[2].

Aghi e colonne[modifica | modifica wikitesto]

Placca esagonale

Le forme allungate sono sostanzialmente dei prismi esagonali il cui accrescimento avviene in corrispondenza delle estremità[3] (le due basi del prisma). Le due estremità di accrescimento si presentano concave o convesse ma non piane[3]. In genere, la lunghezza supera di otto volte la larghezza[3]. Le forme meno allungate vengono dette colonne o prismi[3].

Placchette (o dischi)[modifica | modifica wikitesto]

Si dicono placchette, o dischi, le forme dei prismi esagonali quando:

  • (a differenza delle colonne) la larghezza è superiore alla lunghezza[3];
  • lo spessore della placchetta (altezza del prisma) non supera i 10-20 millesimi di millimetro[3].

L'accrescimento dei dischi esagonali avviene in maniera perimetrica[3]

Stelle (o dendriti)[modifica | modifica wikitesto]

Varietà di forme ad elevata simmetria (foto di Wilson Bentley)

Quelle radiocentriche sono le forme più conosciute e spettacolari dei cristalli di ghiaccio, quelle assunte dai classici fiocchi di neve. Dall'originaria forma esagonale, il cristallo si accresce lungo sei diramazioni (dendriti) che possono far raggiungere al cristallo anche dimensioni ragguardevoli, con diametri fino a 4 millimetri[3]. La presenza di sei propaggini è, quindi, la conseguenza macroscopica della simmetria originaria del seme cristallino, a sua volta conseguenza della simmetria esagonale dei legami tra le molecole d'acqua che costituiscono il cristallo di ghiaccio[4]

All'interno di questo pattern a sei ramificazioni, i fiocchi di neve assumono un'eccezionale varietà di complesse forme individuali determinate delle diverse e mutevoli condizioni esterne a cui ciascuno di essi è stato sottoposto durane la formazione[3][5].

Questa estrema variabilità sembra in contrasto con l'eccezionale simmetria interna suggerita dalle immagini di fiocchi di neve comunemente pubblicate. L'elevatissimo grado di simmetria delle sei propaggini è dovuto al fatto che le forme assunte da ciascun braccio durante l'accrescimento sono determinate dalle condizioni esterne, umidità temperatura, velocità di accrescimento, e dalla loro variazione nel tempo, tutti parametri che non possono variare molto sulla scala spaziale dell'ordine di grandezza di un fiocco di neve in formazione[4]: anche le variazioni temporali di condizioni esterne sono le stesse su tutte e sei le diramazioni[6]. Tuttavia la pretesa di una loro perfetta e assoluta simmetria non corrisponde ad alcuna realtà fisica: infatti, all'interno di un vastissimo orizzonte di variabilità, nessun fenomeno fisico può costringere l'accrescimento dei sei raggi a "sintonizzarsi" tra di loro[6]: la simmetria che si tende ad accordare ai fiocchi di neve è un'errata opinione comune dovuta a un meccanismo di selezione operato sulle immagini. I fiocchi meglio riusciti, con una perfetta simmetria interna, sono quelli predominanti nelle illustrazioni perché più eleganti e appaganti dal punto di vista estetico, pur essendo solo una piccola minoranza rispetto a quelli irregolari[6].

Dipendenza della forma finale dalle condizioni ambientali[modifica | modifica wikitesto]

All'interno delle nubi, temperatura più o meno basse influenzano la direzione assunta dall'accrescimento e la tipologia della forma finale[7]. Temperature basse favoriscono l'accrescimento laterale, mentre temperature ancora più basse, unite a livelli elevati di soprasaturazione, determinano l'evoluzione dell'accrescimento laterale in forme ramificate (dendriti)[7].

Da un punto di vista quantitativo Con temperature tra i -6 e i -10, il processo di accrescimento dà luogo a forme allungate (aghi, prismi), mentre con temperature di circa -12 gradi centigradi, il processo di cristallizzazione si sviluppa in forme piane (placche)[7]. A temperature ancora inferiori, tra i -13 e -18, l'espansione in forme piane diventa instabile ed evolve in forme dendritiche (stelle)[7].

Fenomeni legati alla sospensione di cristalli in atmosfera[modifica | modifica wikitesto]

Parelio su entrambi i lati del Sole, in un tramonto nel Minnesota. Da notare gli aloni a forma d'arco passanti per ognuna delle immagini pareliche.

I cristalli di ghiaccio tendono a cadere nell'aria in una posizione tale che il loro asse maggiore è allineato in direzione orizzontale, e per questo sono visibili nelle tracce rilevate da un radar meteorologico polarimetrico con valori aumentati (e positivi) di riflettanza differenziale.

L'elettrificazione dei cristalli di ghiaccio può indurre allineamenti diversi dall'orizzontale. I cristalli elettricamente carichi, inoltre, sono anche più facili da rilevare dai radar meteorologici polarimetrici.

Fenomeni ottici e atmosferici[modifica | modifica wikitesto]

Percorso della luce in un prisma esagonale, con l'angolo ottimale per una deviazione minima

La sospensione di cristalli di ghiaccio in atmosfera possono rendersi visibili perché sono responsabili di vari effetti ottici atmosferici.

Le nuvole di ghiaccio sono composte di minuscoli frammenti cristallini di ghiaccio: tra queste formazioni atmosferiche, le più notevoli sono i cirri e la nebbia ghiacciata. il lieve imbiancamento che si osserva in un cielo terso e blu causato da cristalli di ghiaccio nella troposfera può essere il segno che si sta avvicinando un fronte meteorologico (e la pioggia), dal momento che aria umida è trasportata a quote alte ed è congelata in cristalli di ghiaccio.

Aloni e altri fenomeni atmosferici[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Alone (fenomeno ottico), Parelio, Cerchio parelico, Paraselenio, Falsa alba e Nubi nottilucenti.
Alone lunare visibile in Germania il 25 dicembre 2004

Cristalli di ghiaccio finemente dispersi in atmosfera sono anche all'origine degli aloni atmosferici. Tra questi fenomeni ottici, il più frequente sono l'alone di 22° e il paraselenio. Più raro, invece, è l'alone di 46°.

Alone di 22°[modifica | modifica wikitesto]
Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Alone di 22°, Alone circoscritto, Arco tangente superiore e Arco tangente inferiore.

Un alone di 22° ha la forma di un cerchio che si estende attorno al Sole o, raramente, attorno alla Luna. L'alone è determinato dalla rifrazione della luce solare (o lunare) la passaggio attraverso miriadi di cristalli di ghiaccio esagonali sospesi nell'atmosfera con orientamento casuale.

Quando il raggio di luce che attraversa i due lati del prisma forma un angolo di 60°, l'angolo della deviazione minima è quasi 22° (ad esempio 21,84° in media; 21,54° nella lunghezza d'onda del rosso e 22,37° per il blu). Questa variabilità in base alle diverse frequenze ottiche provoca una colorazione variabile: rossastra nel cerchio interno, bluastra in quello esterno.

La luce che attraversa i prismi esagonali di ghiaccio viene deflessa due volte; ciò provoca degli angoli di deviazione che vanno da 22° a 50°. Deviazioni più piccole portano ad un alone più luminoso nel bordo interno del cerchio, mentre deviazioni più grandi contribuiscono alla più debole parte esterna dell'alone. Poiché per angoli sotto i 22° la luce non viene rifratta, il cielo è più scuro all'interno dell'alone.

Alone di 46°[modifica | modifica wikitesto]

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ (EN) ice crystal, dal Glossario dell'American Meteorological Society
  2. ^ a b c d Mario Giuliacci, Andrea Giuliacci, Paolo Corazzon, Manuale di meteorologia, 2010, p. 501
  3. ^ a b c d e f g h i Mario Giuliacci, Andrea Giuliacci, Paolo Corazzon, Manuale di meteorologia, 2010, p. 502
  4. ^ a b Andrea Frova, La scienza di tutti i giorni, Rizzoli, 2010 ISBN 978-88-58-61358-0 (p. 194)
  5. ^ (EN) FAQ: Why do snow crystals form in such complex and symmetrical shapes?, dal sito del Caltech.
  6. ^ a b c (EN) FAQ: What synchronizes the growth of the six arms?, dal sito del California Institute of Technology.
  7. ^ a b c d Mario Giuliacci, Andrea Giuliacci, Paolo Corazzon, Manuale di meteorologia, 2010, p. 503

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Forme
Metamorfosi
Fenomeni ottici e atmosferici

Altri progetti[modifica | modifica wikitesto]