Cristalización del vapor de agua: ¿Qué podemos discernir de un copo de nieve? -Parte 2-

Figura 6. Fotografías usando luces de colores para resaltar los bordes para una mejor visualización.

Entonces, ¿cómo crecen los copos de nieve de la simple placa o columna hexagonal (Figura 5) en las elaboradas estructuras mostradas en la Figura 6? Hay tres procesos que determinan en gran medida la complejidad que usted ve: Facetado, ramificación y afilado. Estos tres procesos junto con la forma molecular del agua dan lugar a la morfogénesis física: la creación espontánea de patrón y forma por materiales inanimados, el proceso por el cual el orden surge del caos.

Facetado es el proceso que busca el orden; El proceso físico que impulsa la formación de superficies lisas. El Dr. Libbrecht lo explica de manera muy concisa en su sitio web SNOW CRYSTALS.com y se reproduce a continuación con su permiso.

                                                             Figura 7. 

Las facetas aparecen en los cristales de nieve a medida que crecen. Moléculas de agua en el aire golpean la superficie del cristal y se adhieren, pero algunos se adhieren más fácilmente que otros. Las moléculas de agua se pegan especialmente bien a los puntos ásperos en la superficie, donde hay muchos enlaces químicos disponibles. Se pegan menos bien a las áreas lisas con menos enlaces. Como resultado, las superficies lisas acumulan material más lentamente que las superficies rugosas. Las partes ásperas pronto se llenan, dejando sólo las superficies lisas y facetadas.

                                                           Figura 8

A medida que crece el cristal, recluta o agarra las moléculas de agua del vapor supersaturado que lo rodea. Las moléculas más cercanas son capturadas y mientras el crecimiento continúa la distancia que las moléculas tienen para viajar al cristal se hace mayor. El crecimiento del cristal se ralentiza. Este es el crecimiento limitado a la difusión y tiende a conducir a la ramificación. A continuación se muestra una figura de crecimientos de cristales que muestran la zona de despeje alrededor de ella donde todas las moléculas de agua cercanas han sido sacadas de las gotitas de agua. Una inspección cerrada muestra que las gotitas más cercanas al cristal son más pequeñas que las de la periferia. Las moléculas de agua se están difundiendo de estas gotitas y "alimentando" el cristal para que crezca. Ramificación está empezando en el cristal izquierdo, mientras que a la derecha, la ramificación se acerca a la terminación.

                              Figura 9. Copos de nieve, zonas de despeje y gotas de agua.

Otro proceso inestable que se produce en las esquinas se llama inestabilidad de crecimiento de afilado de borde. "Resulta que el crecimiento de una superficie facetada depende de la anchura de la faceta. Cuando la última terraza molecular tiene menos de 100 moléculas de ancho (aproximadamente), resulta especialmente fácil que las moléculas se adhieran a la parte superior de la terraza. Extraño, pero eso parece ser parte de cómo funciona el hielo. Esta calidad tiende a afilar los bordes de cristal. ..... cuando crece una esquina, produce estrechas terrazas con facetas. Una estrecha terraza crece más rápido que una amplia terraza, y el crecimiento añade más terrazas que son aún más estrechas que antes. El resultado es una inestabilidad del crecimiento que afila el borde. "(Ken Libbrecht, 5)

Esta interacción entre el orden (facetado) y el caos (ramificación y afilado) a medida que las moléculas de agua se congelan fuera de la fase de vapor (sobresaturada) en un rango de temperatura bastante amplio (0 a -35oC) produce el notable copo de nieve.

Pero, ¿cómo comienza un copo de nieve? ¿Qué comienza todo? Si el hielo está presente, la escama comienza a crecer, pero si no hay hielo presente el agua sólo se super enfriará pero no empezar a formar la celosía. Algo es necesario para iniciar las cosas, por así decirlo. Esto se conoce como el evento de nucleación. El polvo atmosférico (es decir, inorgánico) es el nucleador descrito habitualmente, pero más recientemente los estudios también han mostrado que el 1% de los copos de nieve en una nevada promedio tienen ADN que contiene material como nucleadores. Esto sugiere que las bacterias, el detritus de la planta y el otro material biológico están jugando un rollo que tiene implicación de mejorar pronóstico del tiempo / de precipitación a explicar estrategias de la difusión del patógeno vegetal. (6) Ya sea hielo, polvo inorgánico o material orgánico/que contiene ADN, el nucleador inicia el proceso de congelación y las moléculas de agua empiezan a agregarse a la red. Nace un copo de nieve.

Aquí hay muchos más aspectos de la ciencia del copo de nieve que no se han discutido en esta revisión, pero hay una propiedad de los copos de nieve que los puentes de las disciplinas de la filosofía, la teoría de sistemas, la ciencia y el arte. Este es el proceso llamado emergencia. La aparición se define como un proceso por el cual mayores entidades, patrones y regularidades surgen a través de interacciones entre entidades más pequeñas o más simples que no exhiben dichas propiedades. Otra forma de afirmar esto es que el patrón final del copo de nieve no puede predecirse por las condiciones antecedentes: moléculas de agua, temperatura, humedad y viento. De hecho, cuál será el patrón final del copo de nieve no se puede predecir incluso cuando se crece bajo condiciones de laboratorio muy controladas. (8,5)

¿Por qué este es el caso puede explicarse parcialmente por la química y las matemáticas. No todos los átomos de hidrógeno son iguales. De hecho, aproximadamente uno de cada 5.000 contiene un neutrón. Un átomo de hidrógeno que contiene un neutrón se llama deuterio y se distingue del hidrógeno ordinario en peso, siendo dos veces más pesado. El hidrógeno con un protón en el núcleo se llama protium. Protium y deuterio son isótopos de hidrógeno. Los isótopos son dos o más formas de un elemento químico que tiene el mismo número de protones en el núcleo, o el mismo número atómico, pero que tiene diferentes números de neutrones en el núcleo, o diferentes pesos atómicos. El oxígeno también tiene isótopos. La forma más común de oxígeno es 16O. Aproximadamente 1 de cada 500 átomos de oxígeno contiene dos neutrones adicionales (18O). Debido a los isótopos, cada molécula de agua tiene una serie de configuraciones posibles:

1) 2 hidrogeno + 1¹⁶O

2) 1 hidrogeno + 1 deuterium + 1¹⁶O

3) 2 deuterium + 1¹⁶O

4) 2 hidrogeno + 1¹⁸O

5) 1 hidrogeno + 1 deuterium + 1¹⁸O

6) 2 deuterium + 1¹⁸O

Teniendo cada uno un peso diferente y una conformación ligeramente diferente dentro de la red.

"Ahora, un cristal de nieve puede contener un billón de millones (1018) de moléculas (de agua), dar o tomar unos pocos, y vemos en promedio uno de cada 500 de estos será diferente de la norma.

Además, estos átomos pícaros se dispersarán aleatoriamente por todo el cristal, con muchas, muchas, muchas diferentes configuraciones posibles. Realmente, es un número alucinante de configuraciones posibles, más que todos los protones y electrones en un millón de trillones de universos como el nuestro. Por lo tanto, la probabilidad de que dos cristales de nieve tendrían exactamente el mismo diseño de estas moléculas es completamente, sumamente pequeño. Podría nevar día y noche hasta que el sol muera antes de que dos cristales de nieve sean exactamente iguales. "(Ken Libbrecht, 10)

Y eso sólo describe la complejidad molecular. ¿Qué hay de las otras dinámicas físicas (meteorológicas) que determinan el copo de nieve final: viento, temperatura y humedad dentro de una nube de nieve que contiene un número indeterminable de microambientes? Esta es la razón por la que el diagrama de morfología mostrado en la figura 1 sigue siendo algo un misterio. Una descripción morfológica general se puede hacer para el tipo de cristales que se formarán, pero el patrón final está más allá de la capacidad de la ciencia para predecir! Similar sí, idéntico no.

Continua...

Fuente: http://www.urantia.org/study/seminar-presentations/crystallization-water-vapor-what-may-we-discern-snowflake