diumenge, 28 de desembre de 2014

Temps de flocs de neu

Durant l'hivern, molts dels afeccionats de la méteo estem desitjosos de veure altres fenòmens que a certes cotes o altituds es produeixen en comptades ocasions. Ens estem referint a la neu, que segons l’enciclopèdia catalana és un tipus de meteor format per petits cristalls de gel provinents de la congelació de l’aigua dels núvols i que cauen sobre la terra formant volves o borrallons, o també coneguts com a flocs de neu, que us en parlem amb més detall a continuació.

En funció de la temperatura de la atmosfera en altura i de la temperatura de l’indret on ens trobem, la precipitació resultant es trobarà en estat líquid o sòlid. Tal com podem veure a la imatge, quan la temperatura T és positiva tindrem pluja i, quan és negativa, és a dir, quan el nivell de congelació es troba arran de terra, la pluja es converteix en neu, la precipitació sòlida més comuna, sobretot a l’hivern. En situacions en les quals hi ha aire fred més pròxim a la superfície, la pluja formada a la capa d’aire més càlida es transforma en aiguaneu quan travessa aquesta capa d’aire o, també pot donar-se el cas que després d’un període fred, quan arriba una massa d’aire més càlida que s’intercala entre l’aire fred en altura i en superfície, la pluja formada en la zona més templada a l’arribar a la zona d’aire fred es congela i dóna lloc a la formació de grànuls de gel d’un tamany més petits que la calamarsa. I en el cas que tinguem molt d’aire fred en superfície, la precipitació formada inicialment en forma de neu passa a ser pluja en travessar la capa càlida i, a prop de la superfície, tot i trobar-nos a temperatures negatives l’aigua líquida es troba en subfusió, que en contacte amb el terra o amb una superfície extremadament freda es congela immediatament formant una capa de glaç.

I com es formen els flocs de neu? Tot comença amb el vapor d’aigua present a l’atmosfera que prové de l’evaporació dels oceans, llacs i rius. En arribar a una certa alçada aquesta aigua condensa sobre nuclis de condensació (partícules sòlides, aerosols, etc) que permeten la coalescència de les diferents gotes líquides que finalment acabaran produint un núvol. Les gotes d’aigua que es troben en els núvols no es congelen a 0˚C sinó que ho fan a temperatures bastant més inferiors, al voltant d’uns -20˚C. És a aquesta temperatura quan les diferents gotes líquides es congelen i donen lloc a la formació de cristalls de gel microscòpics, que actuen com a nuclis de condensació als que se’ls uneixen altres gotes del núvol. Posteriorment, es van generant nous nuclis de congelació, i es produeix una reacció en cadena que facilita l’agregació de més cristalls de gel tot permetent la generació de molts cristalls de gel que finalment donaran lloc a la formació de flocs d’un cert tamany, que en tenir un cert pes precipitaran del núvol. Perquè tot plegat es produeixi cal que la humitat de l’aire sigui elevada, per tal de que aquests cristallets no es sublimin abans de produir-se la seva unió i, la temperatura sigui pròxima al punt de congelació de l’aigua (0˚C) per tal que no es formin flocs de neu constituïts per gel sec, que en aquest cas no facilitarien l’agregació posterior dels diferents cristalls de gel.

Al llarg de la història diversos científics han sentit fascinació envers aquests cristalls màgics d’estructura hexagonal (veure imatge 1) i, han dedicat part del seu treball científic a estudiar-los. El motiu que presentin aquest tipus de simetria es deu bàsicament de la manera que s’empaqueten les partícules que els constitueixen i, a l’existència d’un tipus d’enllaços anomenats enllaços d’hidrogen, que es van formant entre les diferents molècules d’aigua que es troben en aquests cristalls. Encara que sempre s’ha dit que no existeixen a la natura dos flocs de neu idèntics, tots ells tenen la mateixa simetria però és molt difícil que arribin a presentar la mateixa forma.


La primera persona en deduir la forma particular que tenen els cristalls de gel va ser el matemàtic i astrònom Johannes Kepler. Precisament va ser l’any 1611 quan va publicar el tractat “Strena Seu De Nive Sexangula” (veure imatge 2) (que en català es tradueix com “el floc de neu de sis cantonades”) on va escriure la primera descripció matemàtica d’aquest tipus de cristalls. Enguany l’Assemblea General de Nacions Unides ha proclamat l’any 2014 com l’Any internacional de la Cristal·lografia (IYCr2014), commemorant d’aquesta manera no només el centenari de la difracció dels raigs X com a eina per a l’estudi de la matèria cristal·lina, sinó també el 400 aniversari de l’observació de simetria en els cristalls de gel, per part de Kepler, donant lloc d’aquesta manera a l’inici de l’estudi profund de la simetria en els materials.


Destaquen altres científics com per exemple el matemàtic i filòsof René Descartes, el qual va ser la primera persona en fer una descripció acurada (a ull nu) de les diferents morfologies dels flocs de neu i ho publicà  l’any 1635 en un tractat sobre fenòmens meteorològics. Anys més tard, amb la invenció del microscopi, el científic anglès Robert Hooke, va publicar un volum titulat “Micrographia”, el qual conté diferents esbossos de cristalls de neu que mostren la complexitat que poden arribar a adquirir aquest tipus d’estructures.


La primera persona en fotografiar-los va ser el granger i naturalista estatunidenc Wilson A. Bentley (1865-1931) (veure imatge 4). A l’edat de 15 anys, mentre d’altres adolescents de la seva edat s’entretenien jugant amb tiratxines i pistoles de joguina, ell es dedicava a estudiar coses sota el microscopi, com per exemple gotes d’aigua, petits fragments de fusta o pètals d’algunes flors. Des de ben petit Bentley sentia una fascinació pels flocs de neu i, a diferència d’altres grangers de la zona, ell estava molt feliç quan arribava l’hivern. És per això que el jove Bentley va estar durant uns anys observant a través del microscopi cristalls de gel que ell anava recollint de les diferents nevades que s’anaven produint. I ja més tard, quan els seus pares li van regalar una càmera fotogràfica, la va acoblar al microscopi i mitjançant el mètode de prova i error a l’edat de 19 anys, el 15 de gener de 1885, va obtenir la primera microfotografia d’un floc de neu. Al llarg dels quaranta anys que es va dedicar, va arribar a fotografiar-ne milers i milers de flocs de neu, cap d’ells idèntics entre si. L’any 1931, gran part de les microfotografies que va fer van ser publicades en el llibre “Snow Crystals”.


Actualment a Jericho, el seu poble natal, ubicat a l’estat estatunidenc de Vermont, hi ha un museu on s’exposen algunes de les microfotografies que va realitzar així com la càmera fotogràfica que va emprar.
                           
Arran del gran treball realitzat pel conegut popularment com a “floc de neu” Bentley, altres científics es van sentir motivats a investigar de manera sistemàtica aquest meravellós i misteriós meteor. L’any 1951 la Comissió Internacional de Neu i Gel va establir una primera classificació  molt simplista dels diferents tipus de precipitació sòlida (veure imatge 5). Precisament l’any passat, Japó va celebrar el 113 aniversari del físic japonès Ukichiro Nakaya (1900-1962), reconegut per haver realitzat els primers flocs de neu sintètics al laboratori i haver realitat un estudi sistemàtic dels flocs de neu. Nakaya va arribar a fotografiar amb l’ajut del microscopi un gran nombre de cristalls de neu, cosa que el va permetre arribar a establir una classificació general més completa amb un total de 41 tipus diferents de formes bàsiques de flocs de neu (veure imatge 6). L’any 1954, la universitat de Harvard va publicar el llibre “Snow Crystals: Natural and Artificial”, que recull el treball científic desenvolupat per Nakaya.



Fruit de la investigació científica, Nakaya va observar les diferents morfologies que adquireixen els flocs de neu que es formen a diferents temperatures i condicions d’humitat (supersaturació del vapor d’aigua). Amb els diferents resultats experimentals va elaborar un diagrama com el que es pot veure a la imatge 7, adaptat per Fukarawa. Aquest diagrama mostra el creixement de cristalls de neu a una pressió estàndard d’1 atmosfera. Va observar que a una temperatura just per sota del punt de congelació, al voltant dels -2˚C els cristalls adquireixen forma de fines plaques hexagonals, a temperatures entorn dels -5˚C es formen columnes hexagonals, a temperatures al voltant de -15˚C es tornen a formar plaques fines i, per sota dels -25˚C s’observa una mescla de cristalls en forma de columna i de placa. Per tant, la varietat de les diferents formes es deu a que a la natura molts flocs de neu estan formats per diferents tipus de cristalls units entre ells i mentre creixen poden aparèixer noves impureses o punts de nucleació. En funció de la temperatura predominaran unes formes de cristalls i en funció de la humitat hi haurà més o menys complexitat: en condicions de més humitat les estructures seran més complexes, per contra quan l’ambient sigui més sec, les estructures formades seran més simples. 


Continuant amb les classificacions, l’any 1966 Choji Magono i Chung Woo Lee, dos científics japonesos, van ampliar la classificació de Nakaya fins a un total de 80 tipus diferents de cristalls de neu. Les seves investigacions científiques van ser publicades en l’article “Meteorological Classification of Natural Snow Crystals”, que va aparèixer a la Revista de la Facultat de Ciències de la Universitat de Hokkaido, ubicada al Japó. Si ens fixem en les classificacions de les imatges 6 i 8, veiem que tant l’una com l’altre incorporen una sèrie de números i lletres que agrupen els diferents cristalls segons la seva forma i estructura.

Actualment existeixen d’altres classificacions més actuals, com per exemple la publicada pels científics japonesos Katsukiro Kikuchi, Takao Kameda, Keiji Higuchi i Akira Yashamita l’any 2013. L’article científic sota el títol “A global classification of snow crystals, ice crystals, and solid precipitation based on observations from middle latitudes to polar regions”, representa una revisió ampliada de la classificació feta pel Magono i Lee dels diferents cristalls de neu que es poden trobar a la natura. Aquesta nova classificació està dividida en 121 categories que contemplen tant com diferents formes de cristalls de neu com d’altres tipus de precipitació sòlida (veure imatge 9). I per una altra banda, també cal destacar la gran tasca científica desenvolupada pel físic Kenneth G. Libbrecht de l’Institut de Tecnologia de Califòrnia (Caltech). Aquest científic a la seva pàgina web proposa una classificació de 35 tipus diferents de cristalls de neu (veure imatge 10). En tot cas, fer una classificació acurada es força complicat, ja que trobar dos flocs iguals a la natura és força complicat pel fet que intervenen molts factors en la seva formació: la temperatura, la quantitat d’aigua implicada en el procés, la pressió atmosfèrica i la velocitat d’annexió de les diferents molècules d’aigua i cristalls de gel. 


Si esteu interessats en ampliar coneixements i teniu temps lliure us recomano fer una ullada a la següent pàgina web creada per aquest físic: (http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/ Trobareu informació relativa al procés físic implicat en la formació dels flocs de neu, sobre l’art de fer flocs de neu sintètics al laboratori, llibres en cas que vulgueu aprofundir encara més en aquesta temàtica, galeries de fotos, recomanacions turístiques per anar visitar museus i altres indrets d’interès i, pels amants i practicants de la fotografia meteorològica hi ha una secció que explica quin és l’equip necessari per poder fotografiar aquests cristallets màgics de la manera més professional possible. Això si, per arribar a obtenir fotos de gran qualitat cal fer una despesa econòmica que no tothom pot permetre’s. Sempre es pot començar provant amb una càmera digital compacte i anar provant a veure que surt. En el meu cas, com podeu veure a la imatge 11, vaig fer un intent de foto amb una càmera compacta i, més o menys es pot veure de manera macroscòpica com són els cristalls de neu. Si el lector ja disposa del material adient, ara només cal que estigui pendent de les previsions o dels models meteorològics i estigui preparat per quan comenci a nevar.