Siamo in un'epoca in cui gli scienziati sono in grado di rilevare le particelle infinitamente piccole che conferiscono atomi di massa e stanno sondando alcuni dei misteri più profondi della biologia, come il modo in cui esperienze e ricordi possono essere trasmessi attraverso i geni di un organismo.
Pertanto, può sorprendere che non comprendiamo ancora la meccanica di un fenomeno naturale relativamente semplice: la neve.
La formazione di fiocchi di neve - essenzialmente, il modo idiosincratico che l'acqua cristallizza quando sospesa nella nostra atmosfera - è un processo estremamente complesso che non è ancora stato completamente descritto da formule scientifiche. "La gente pensa che un fiocco di neve sia solo una goccia di pioggia congelata", afferma il professore di fisica di Caltech Kenneth Libbrecht, che ha trascorso gli ultimi decenni a studiare il processo di formazione del fiocco di neve. "Ma questa è nevischio, solo piccoli cubetti di ghiaccio, e nemmeno vicino a quello che è un fiocco di neve."
Nel laboratorio di Libbrecht cresce un fiocco di neve, accelerato
Nel corso della sua ricerca, il lavoro di Libbrecht è cresciuto fino a comprendere l'arte e la scienza. Ha prodotto sia articoli scientifici che centinaia di bellissime foto di fiocchi di neve naturali (che ha pubblicato in diversi libri e che aveva pubblicato su francobolli statunitensi), e ha anche ideato modi ingegnosi per far crescere artificialmente i fiocchi di neve in un laboratorio per studiarne la formazione in microscopici dettagli.
Ma tutto è iniziato, dice, con un viaggio di ritorno nella sua casa d'infanzia nel Nord Dakota. "Stavo visitando la mia famiglia laggiù, e sono andato fuori, e c'era tutta questa neve per terra", dice. "Improvvisamente ho pensato: 'Perché non capisco di più su questi fiocchi di neve?'"
Ciò ha portato Libbrecht a iniziare a studiare le dinamiche della formazione di fiocchi di neve nel suo laboratorio, tra la ricerca di soggetti più esoterici come i laser a diodi ruotabili e il rumore emesso dalle supernovae. "Ho capito che molto sui fiocchi di neve non è molto ben compreso e che il ghiaccio è un materiale piuttosto economico con cui lavorare", afferma.
La formazione di un solo fiocco di neve è un evento complesso a livello molecolare. In natura, inizia quando il vapore acqueo di una nuvola si condensa in goccioline d'acqua. Anche a temperature inferiori allo zero, tuttavia, la maggior parte di queste goccioline in genere rimane in forma liquida, perché hanno bisogno di una particella su cui congelare: una particella di polvere o alcune molecole d'acqua che si sono sistemate nella matrice esagonale che caratterizza il ghiaccio.
Una volta che le goccioline iniziano a cristallizzare su una particella centrale, il processo accelera rapidamente. Con un nucleo di cristallo in posizione, le molecole di acqua super raffreddata nelle goccioline d'acqua circostanti si condensano prontamente sul cristallo, aumentando la sua crescita in modo geometricamente regolare. Quando il grande cristallo (che chiamiamo un fiocco di neve) ha lasciato la nuvola, Libbrecht stima che avrà abbandonato l'acqua da circa 100.000 goccioline vicine.
Tutto ciò potrebbe sembrare semplice, ma come hanno scoperto Libbrecht e altri scienziati, lievi cambiamenti nelle circostanze di questi cristalli - l'umidità e la temperatura della nuvola, per cominciare - possono portare a scaglie radicalmente diverse. Per comprendere meglio queste dinamiche, si rese conto Libbrecht, aveva bisogno di un modo per osservare l'effettivo processo di crescita dei fiocchi di neve. Senza un modo per incorporarsi in una nuvola fluttuante, decise di sviluppare un metodo per far crescere artificialmente i fiocchi di neve nel suo laboratorio in California.
"Far crescere un singolo cristallo in modo tale da sembrare un fiocco di neve non è facile", afferma. "Se vuoi il gelo - solo un mucchio di cristalli che crescono tutti in una volta - è piuttosto semplice, ma i singoli cristalli sono più complicati."
Il processo di Libbrecht, sviluppato negli ultimi anni, si svolge in una camera fredda e impiega circa 45 minuti in totale. Comincia con un pezzo di vetro completamente pulito e vi sparge molti microscopici cristalli di ghiaccio. Con un microscopio isola un particolare cristallo, quindi soffia aria umida leggermente più calda sul vetro. Il vapore acqueo si condensa sul cristallo di semi, proprio come in una vera nuvola, formando alla fine un fiocco di neve visibile.
Lavorando con questo processo, Libbrecht ha determinato i livelli di temperatura e umidità che portano a ciascun tipo particolare di fiocco di neve. "Li chiamo" fiocchi di neve firmati ", perché puoi cambiare le condizioni man mano che le cresci e prevedere come saranno", dice. Tra le altre cose, ha scoperto che un fiocco di neve con un bordo sottile cresce più velocemente, causando un'ulteriore affilatura del bordo, che alla fine porta a un fiocco relativamente grande. I fiocchi di neve che iniziano con bordi smussati, tuttavia, crescono più lentamente e rimangono smussati, portando a prismi a blocchi, piuttosto che a piatti eleganti.
Alla fine, quando Libbrecht voleva pubblicare un libro sul suo lavoro, scoprì che, sebbene fossero buone per il loro tempo, la maggior parte delle foto dei fiocchi di neve disponibili erano obsolete, come quelle scattate da Wilson Bentley negli anni '30. In risposta, ha iniziato a fotografarli da solo ad alta risoluzione, utilizzando attrezzature specializzate e, a volte, luci colorate per aumentare la profondità e il colore dei fiocchi chiari.
Che dire dell'idea comune che non ci siano due fiocchi di neve uguali? "Tutti me lo chiedono sempre", dice Libbrecht.
La risposta, si scopre, è un problema di matematica. Se si definisce un fiocco di neve come solo dieci molecole di acqua, è possibile che due diversi fiocchi siano identici a livello molecolare. Ma per un fiocco a grandezza naturale, dice, è estremamente improbabile che tu possa ammazzare due identici che si verificano in modo naturale, allo stesso modo in cui le probabilità di due impronte digitali umane identiche sono estremamente piccole. "Una volta che inizi a rendere le cose anche leggermente complicate, il numero di possibilità aumenta astronomicamente e la probabilità di avere anche due fiocchi di neve che assomigliano in remoto allo stesso modo diminuisce a zero", dice.
