De la nube al suelo

Ver nevar nos encanta. Contrariamente a la precipitación en forma de lluvia, una nevada es un fenómeno que generalmente nos aporta una cierta calma. Esto es en parte debido al silencio que se genera mientras caen los copos de nieve, ya que es un material poroso, con cavidades y agujeros. Pero, ¿cómo se forman estos copos que nos caen desde el cielo? ¿Cuál es el origen de esa forma tan característica? Y especialmente, ¿por qué no hay dos copos iguales?

El maravilloso mundo de los cristales de hielo (Fuente: Tim Garrett, University of Utah - National Science Foundation)

En este primer artículo vamos a ver de manera simplificada qué es lo que ocurre antes de la llegada de la nieve al suelo. Lo primero que necesitamos, como imaginaréis, es una nube! Se forman cuando una masa de aire cálido y húmedo asciende tras chocar con otra masa de aire. Al ascender, el aire se enfría progresivamente hasta un punto en el cual parte del vapor de agua que transporta empieza a condensarse en minúsculas gotas de agua. Cuando la temperatura pasa a ser negativa, las gotitas deberían empezar a congelarse, ¿verdad? La realidad es que es un proceso que no ocurre de inmediato, y de hecho las gotitas se mantienen en estado líquido hasta temperaturas muy bajas (hasta -40°C), muy por debajo del punto de congelación del agua, en un estado que conocemos como sobrefusión.

Pero gracias a que nuestros cielos no son totalmente puros, si no que están repletos de diferentes partículas (polvo en suspensión, por ejemplo), ocurre lo siguiente: las gotitas de agua encuentran un "amigo" (y por tanto una superficie) donde empezar a congelarse a temperaturas más razonables, en torno a los -5°C. Estas partículas de polvo (o aerosoles)  son lo que conocemos como núcleos de condensación, y su "amistad" con el agua en sobrefusión propicia la aparición de los primeros cristales de hielo.

Esquema simplificado de la formación inicial de un cristal de hielo

Nos encontramos entonces con una nube que cuenta con dos compañeros de piso: por un lado las minúsculas gotas de agua bien fresquitas y por otro lado pequeños cristales de hielo en su forma mas elemental. Y entonces ocurre la "magia": las gotitas de agua van a ir poco a poco evaporándose y el vapor de agua resultante, solidificándose directamente sobre los cristales de hielo, iniciando el crecimiento hacia lo que mas tarde sera un copo de nieve. Esto es lo que conocemos como efecto Bergeron.

Nota: el término exacto se conoce como sublimación inversa (paso de gas a sólido sin pasar por el estado líquido), pero por simplicidad aquí lo vamos a llamar solidificación ;-)

Hasta aquí muy bien, pero si partimos de algo así como una "patata", ¿de dónde sale toda esa variedad de formas que conocemos? Simplificando bastante las cosas, hay que quedarse con la idea de que un cristal de hielo en su forma más elemental es algo parecido a un hexágono. El vapor de agua es un poco cabezón, y va a tener tendencia a solidificarse directamente sobre un lugar de manera preferencial. Esto implica que si el crecimiento es en los laterales del hexágono, los cristales de hielo tendrán la forma tipica de dendrita o estrella. Sin embargo, si el crecimiento se hace de manera preferencial en las caras superior e inferior, los cristales tendrán una forma alargada, como una columna o incluso una aguja. La variedad de formas y detalles es enorme, como ilustra la primera imagen del artículo. Esta amplia variedad motivó los trabajos de Ukichiro Takaya (ILTS - Univ. de Hokkaido) durante los años 30, cuyos resultados permitieron despejar algunas incógnitas sobre la relación entre los cristales de hielo y las condiciones en las que se forman y crecen. La temperatura y la humedad del aire tienen un rol fundamental en dicho crecimiento:

Dependencia del crecimiento de cristales de hielo con respecto a la humedad del aire y la temperatura (Fuente: Libbrecht, 2005 - IOP Publishing Ltd.)

El tamaño típico de estos cristales sigue siendo muy pequeño, del orden de pocos milímetros (2-4). Pero los copos que nos llegan al suelo suelen ser un poco más grandes, anda que no disfrutamos a veces con una buena trapeada! Además, pocos llegan al suelo con una forma definida. Esto ocurre debido a que los cristales de hielo se desplazan en el interior de las nubes. Y se mueven mucho: caen por gravedad, suben gracias a las corrientes ascendentes, se desplazan con el viento...y en su camino, les pasa de todo!

Para empezar, sufren cambios continuos de temperatura y humedad, lo que lleva a crecimientos cristalinos que muy pocas veces son homogéneos, resultando en cristales de hielo con formas caóticas. Puede ocurrir que los cristales de hielo choquen con alguna gotita de agua en la nube, lo que lleva a la congelación de la gotita alrededor del cristal. Este proceso es similar al de la formación de escarcha en el suelo, y resulta en los copos con formas redondeadas que habitualmente conocemos como nieve granulada (y qué molestos son cuando nos caen encima!).

También pueden chocar con otros cristales de hielo en su camino. En este caso, los cristales llegan a "unirse" (el más grande captura al más pequeño) en un proceso conocido como coalescencia, que resulta en copos de nieve de tamaño considerable. En ausencia de fuerzas externas que "rompan" esas uniones entre copos (fuerte viento, por ejemplo), al suelo nos llegan esos trapos tan característicos y que son siempre sinónimo de una buena nevada!