Il primo trattato scientifico sui fiocchi di neve risale al 1611: nel suo “On the Sixth-Cornered Snowflake“, Johannes Kepler indagò la ragione della loro forma esagonale. Ma soltanto nel 1954 fu finalmente possibile comprendere la fisica della neve grazie agli studi di Ukichiro Nakaya, che simulò in laboratorio la formazione dei cristalli di neve sotto diverse condizioni ambientali. Il fisico giapponese propose quindi la prima classificazione generale dei fiocchi di neve^[1]. Ma, anche se possono presentare strutture tanto diverse, è proprio vero che in natura non è possibile trovare due fiocchi di neve uguali? La risposta breve è sì^[2]: solo in laboratorio è possibile far crescere due cristalli di ghiaccio gemelli (vedere per credere)^[3].

Come mai? Scopriamolo.

Come si forma un fiocco di neve?

Nelle nuvole, piccole gocce d’acqua si ghiacciano. Su ciascuna di esse il vapore acqueo passa direttamente dallo stato gassoso a quello solido, processo chiamato brinamento, e ne accresce la struttura andando a formare un piccolo esagono. Quando ogni fiocco di neve cresce, forma diramazioni che si dipartono dagli spigoli dell’esagono. In alcuni casi, queste si arricchiscono con ulteriori particelle di vapore acqueo: così si creano aghi, placche e colonne di ghiaccio, a formare i celebri fiocchi di neve a forma di stella^{[4, 5]}.

La forma esagonale dei fiocchi di neve è dovuta alla chimica delle molecole d’acqua. Queste particelle sono formate da tre atomi – uno di ossigeno e due di idrogeno – che mettono in condivisione i propri elettroni in un legame chimico detto covalente. Nella molecola d’acqua che ne risulta, i tre atomi sono disposti a formare una V (con un’ampiezza di 104,5 gradi), con l’atomo di ossigeno al vertice dell’angolo e legato ai due atomi di idrogeno. Questa disposizione e alcune caratteristiche degli atomi coinvolti fanno sì che in ogni molecola d’acqua siano presenti delle leggere cariche elettriche: una carica negativa sull’atomo di ossigeno e una carica positiva su ciascuno degli atomi di idrogeno. Questa proprietà è detta polarità; poiché le cariche simili si respingono, la polarità influisce sul modo di disporsi nello spazio delle molecole d’acqua^{[4, 5, 6]}.

Con il brinamento che avviene durante le nevicate, la forma risultante del cristallo di ghiaccio è esagonale. Quando il fiocco si neve si espande, questa struttura viene mantenuta. Ma da cosa dipende la direzione delle diramazioni? A influire sulla forma dei fiocchi di neve più complessi vi sono diversi fattori, in particolare le condizioni atmosferiche come temperatura e umidità. Durante il suo percorso nella nuvola, il fiocco di neve è soggetto a variazioni ambientali, che influiscono sulla sua struttura finale^{[4, 5, 6]}.

Perché i fiocchi di neve sono simmetrici?

Ogni diramazione di uno stesso fiocco di neve cresce in modo indipendente. Ramificazioni soggette alle stesse condizioni ambientali si sviluppano allo stesso modo; quando questo non si verifica, i fiocchi di neve crescono asimmetrici. A onor del vero, i fiocchi di neve non sono mai perfettamente simmetrici, in quanto presentano piccole variazioni. Nella maggior parte dei casi hanno strutture del tutto irregolari, com’è possibile verificare osservando i fiocchi di neve durante una nevicata^[4].

Quante sono le probabilità che due fiocchi di neve siano identici?

Dato che i cristalli di ghiaccio risultano differenti quando nascono in condizioni diverse, teoricamente si possono ottenere fiocchi di neve identici a parità di condizioni ambientali. In effetti, è possibile ricreare in laboratorio due fiocchi di neve uguali tra loro^[4].

Tuttavia, oltre alle differenze strutturali microscopiche, bisogna considerare che anche un fiocco di neve tra i più piccoli è composto da un numero immenso di molecole d’acqua, in media 10¹⁸ (un miliardo di miliardi!). Una percentuale di queste molecole contiene isotopi differenti: per esempio, circa una su 5mila ha un atomo di deuterio al posto di un atomo di idrogeno. Questo rende praticamente impossibile trovare due fiocchi di neve dalla composizione esattamente uguale. Soltanto dei cristalli di neve con pochissime molecole potrebbero essere identici^[2].

Se consideriamo la somiglianza soltanto dal punto di vista di quanto osservabile, la risposta cambia. In questo caso è possibile trovare due fiocchi di neve uguali, a patto che siano piccoli e semplici. I cristalli di ghiaccio complessi, infatti, possono variare per un numero tale di caratteristiche da rendere impossibile la loro replicabilità. Se questi parametri fossero un centinaio (e spesso sono molti di più), il numero possibile di combinazioni sarebbe pari a 10¹⁵⁸: un numero decine di migliaia di volte superiore alla quantità di atomi presente nell’universo^[2].

Allo stesso modo, è impossibile che un fiocco di neve che si sciolga e venga ricongelato assuma la struttura originale (anche perché la memoria dell’acqua non esiste). Per questi motivi, la conclusione degli studiosi è che, anche immaginando di estendere la ricerca a fiocchi di neve del passato, è praticamente impossibile che siano mai esistiti due fiocchi di neve complessi che risultassero identici^[2].

Referenze

1. Kenneth G. Libbrecht. Early snow crystals observations. SnowCrystals.com, Caltech.
2. Kenneth G. Libbrecht. Is it really true that no two snowflakes are alike? SnowCrystals.com, Caltech.
3. Kenneth G. Libbrecht. Identical-twin snowflakes. SnowCrystals.com, Caltech.
4. Kenneth G. Libbrecht. Frequently Asked Questions. SnowCrystals.com, Caltech.
5. Scientific American, 2006. Why are snowflakes symmetrical? How can ice crystallizing on one arm ‘know’ the shape of the other arms on the flake?
6. George D. Ashton. Ice. Britannica.