Nunca dejan de sorprender: una aproximación a los copos de nieve, donde no hay uno igual a otro

Quizás esta es una escena con la que más de alguno se puede sentir identificado: un paisaje donde la nieve está cubriendo de blanco todo, estiramos nuestras manos y vemos, entre nuestros dedos un hexagonal cristal de hielo. Es también un típico motivo de las postales navideñas del hemisferio norte. Y algo que, aglomerado con otro, se conoce como copo de nieve.

Pero detrás de esa belleza que cae en nuestras manos, existe un grado de complejidad que ha sido estudiado y que, para algunos, sigue -y seguirá- siendo un verdadero misterio. Pero mientras eso se descubre, hay ciertas cosas que sí se saben, por ejemplo el cómo se forman y lo que está detrás de la frase de que ningún cristal de hielo es igual otro.

Para comprender más sobre ellos y sus formas, conversamos con Luis González MacDowell, del departamento de Química Física de la Universidad Complutense de Madrid (España); con Nicolás Huneeus, profesor asistente del Departamento de Geofísica de la Universidad de Chile e investigador del Centro de Ciencia del Clima y la Resiliencia (CR)2; y con José A. Rutllant Costa, académico del Departamento de Geofísica de la Universidad de Chile, investigador del Núcleo Milenio Upwell y del Centro de Estudios Avanzados en Zonas Áridas.

Los primeros en interesarse por la simetría de un cristal de hielo

Los cristales de hielo tienen su historia. De acuerdo con el sitio Snow Crystals, desarrollado por Kenneth G. Libbrecht, un profesor del Instituto de Tecnología de California que ha estudiado a los cristales de hielo, el relato más antiguo sobre ellos se remonta al siglo 135 a.C, cuando Han Yin, erudito chino, hizo alusión a que “las flores de las plantas y árboles tienen generalmente cinco puntas, pero las de nieve, que se llaman ying, siempre tienen seis puntas”. A eso le siguieron otros escritos chinos que también se refirieron a la simetría de los copos de nieve. Siempre como flores de seis pétalos.

“En la filosofía china hay distintos elementos, entre ellos el agua, madera y fuego. Cada elemento se asocia a una estación. El agua tenía asociado el invierno como estación y como el número seis. Pensamos que eso es porque ellos entendían que la nieve era agua congelada y los cristales tenían forma hexagonal”, explica Luis González.

A occidente y, para la ciencia, el conocimiento sobre la estructura hexagonal de los cristales de hielo no llegó hasta 1611, cuando el astrónomo y matemático alemán Johannes Kepler –famoso por sus tres leyes del movimiento orbital de los planetas alrededor del sol- se interesó en teorizar su simetría séxtuple y presentó el tratado “El copo de nieve de seis puntas». Según el sitio Snow Crystals, Kepler vio que el cuestionarse la geometría cristalina era una pregunta científica muy valiosa. Sin embargo, reconoció que en su época la ciencia todavía no lo podía explicar. Y, de hecho, pasaron tres siglos antes de que los científicos supieran sobre átomos y moléculas para responder su pregunta.

Más adelante, en 1637 el filósofo y matemático René Descartes, hizo el primer relato detallado de los cristales de nieve, incorporando nuevas formas a la lista. Muchos años más tarde, en 1885 Wilson Bentley, un agricultor de Vermont (Estados Unidos) logró fotografiar el primer cristal de nieve y, con el tiempo, logró hacer más de cinco mil capturas de cristales de nieve. Hizo tantas, que dio una mirada detallada a la simetría en los cristales, todos únicos, a lo que se le atribuye el origen del pensamiento de que no hay copos de nieve exactamente iguales.

A él le siguió el último en esta lista de primeros hitos, el físico japonés Ukichiro Nakaya, quien en 1930 inició la primera investigación de laboratorio de cristales de nieve, ya con la ciencia del siglo XX y sus tecnologías. Él se centró en entender cómo se formaban los copos de nieve, creando sus propios cristales, los primeros sintéticos del mundo.

De acuerdo con el texto “La formación de Cristales de Nieve”, desarrollado por Ken Libbrecht y publicado en la revista American Science, fue Nakaya quien explicó que la morfología de un cristal era una función de la temperatura y la humedad del aire, mostrando todos sus datos en lo que ahora se conoce como morfología del cristal de nieve, que usó para explicar fácilmente el por qué los cristales se ven tan diferentes y por qué las seis ramas de un cristal en forma de estrella se parecen.

Cómo se forma un cristal de hielo

Una de las primeras cosas que hay que distinguir es la diferencia entre un cristal de hielo y un copo de nieve. De acuerdo con el texto de Libbrecht, un cristal se forma cuando el “vapor de agua en la atmósfera se condensa directamente en hielo, sin pasar por la fase líquida”. Luego, se explica que un copo de nieve es “un término meteorólógico más general, que se usa para describir varios tipos de precipitaciones invernales, desde cristales de hielo individuales hasta aglomeraciones de muchos cristales que chochan y se pegan, cayendo a tierra”.

De esta forma, lo primero en formarse es cristal de nieve, en la atmósfera, y eso da paso a los copos de nieve. De acuerdo con lo que explica Nicolás Huneeus, lo más fácil para entender la formación de precipitaciones es imaginar que se tiene una masa de aire cálido que tiene una cierta cantidad de vapor de agua. Y que esa masa, cuando se encuentra con una más fría, choca y se ve obligada a subir: “En la medida de que la masa de aire con vapor de agua empieza a subir, el aire se expande porque hay menor presión y la temperatura baja. Al pasar eso, dependiendo del vapor de agua en el aire, se forma la gota. Eso se conoce como el nivel de condensación en ascenso (…). Esas gotas, por lo general, se forman en torno a una partícula, como el polvo. Eso facilita la formación de la gota”.

En este sentido, sigue explicando, cuando se forma la gota, si se alcanzan las condiciones de enfriamiento a bajas temperaturas, algunas se congelan y ahí se empiezan a formar los cristales. Luis González dice que esta es la teoría más aceptada dentro de la discusión. En ese sentido, explica: “las gotitas de agua se congelan y, a partir de ahí van creciendo las formas de cristalitos de nieve que conocemos. Eso es la fase más inicial de todas, no es nada más que una bolita muy pequeña y luego van tomando sus formas. Eso pasa, eso sí, por la unión de las moléculas de vapor de agua. O sea, primero tienes una gotita de agua que se congela y a partir de ahí, crece por la acumulación de moléculas de agua. Y eso es muy lento. Un copo de nieve puede tardar un día entero en formarse».

José Rutllant explica que todo esto sucede en partes de la nube donde las temperaturas son más bajas que cero en las que, además de los cristales, existen gotitas de agua líquida que están en un estado tan inestable (sobreenfriada) que, basta que las toque un cristal de hielo para que se congelen: “se forma un proceso de reacción en cadena que, desde este choque inicial del cristal con la gotita sobreenfriada, en la que se forman varios agregados de cristales de hielo y, eso, en el fondo, es un copo de nieve”.

A un nivel milimétrico, así es como se forman los cristales y, de estos, los copos. Pero ¿y sus formas?

¿Simétricos y distintos entre sí?

La belleza de cada cristal de nieve es única. Así lo presenta Libbrecht, quien desarrolló una serie fotográfica de ellos, explicando que no necesariamente todos son iguales, pero que sí son simétricos. Y acá hay dos cosas fundamentales, como se adelantó cuando hablamos de Nakaya: la humedad y la temperatura.

Un buen punto inicial es partir por entender lo que pasa con cada cristal. José Ruttllant dice que cada uno tiene una estructura hexagonal, que se origina desde un nivel molecular: “En un cristal de hielo hay moléculas agua en estado sólido (hielo), donde los dos hidrógenos y el átomo de oxígeno dentro de la molécula de agua, se ordena de acuerdo a cargas positivas y negativas (…). Eso hace que todo esté ordenadito y sea una estructura hexagonal perfecta”.

Luis González dice que cada cristal tiene su propia “personalidad” debido a que cada uno crece y ha tenido una historia distinta, que depende, justamente, de la humedad y temperatura. Por ejemplo, cuando tenemos un cristal que crece a alta humedad, le salen ramas y cada una de esas seis es igual a la otra. Eso es, según explica, porque cada una de las ramas de ese cristal creció bajo las mismas condiciones atmosféricas.  En la misma línea, Nicolás Huneeus dice: “los ejes de las ‘estrellas’ o sus ramas, son iguales porque están expuestos a las mismas condiciones de temperatura”. Al respecto, González fue parte de un estudio que logró explicar por qué a ciertas temperaturas los cristales crecen de forma columnar o chatos, lo que se explica a un nivel molecular.

Como sea, se han identificado numerosas formas que pueden tener los cristales, de acuerdo con la humedad y la temperatura. Ahí es donde aparecen los diagramas de morfología, que muestran qué formas podrían tener dependiendo a las condiciones que se expongan. Entre las conocidas, que se pueden conocer en la página de Snow Crystals, existen las dendritas estelares, las columnas y agujas, los cristales de polvo, copos de nieve de 12 ramas (cuando dos cristales de nieve de seis ramas chocan en el aire), entre otros. Lo cierto, según el mismo sitio antes mencionado, es que no hay una clasificación absoluta de los copos de nieve. Sobre su simetría, este mismo sitio web apunta a que no necesariamente todos los cristales son simétricos, de hecho, dentro de las formas existen los cristales irregulares.

Entonces, ¿es posible que un cristal sea igual a otro? Al respecto, Nicolás agrega: “Imagínate que todo el proceso en la nube es turbulento y caótico, entonces es difícil que los cristales sigan la misma trayectoria y estén expuestos a la misma variación de temperatura y humedad. Por lo tanto, se generan diferencias de crecimiento”. Y Luis apunta a que “no es reproducible que cada cristal crezca en las mismas condiciones, siempre son ligeramente distintas”.  Sin embargo, dice que, “si tu consigues hacer un cristal de nieve en las mismas condiciones atmosféricas que otro, pueden ser muy parecidos o casi iguales”.

Así, una aproximación rápida a los cristales de hielo nos lleva a entender que estas figuras que recibimos en nuestras manos o vemos en las postales navideñas, pueden parecer simples, pero detrás de ellas hay un proceso complejo, de las cuales este es un acercamiento general. Hay quienes se han fascinado por entenderlo y, según Luis González, todavía falta saber mucho sobre ellos. Es así como siguen siendo un misterio.