DI FEDERICA CANNATA
Svegliarsi la mattina, aprire le finestre e ritrovarsi una distesa bianca davanti ai propri occhi. La prima neve dell’anno è qualcosa che può sempre emozionare. La neve può trasformare anche il più grigio paesaggio cittadino in un candido villaggio fatato e rendere di nuovo bambini anche gli adulti più severi.
Dietro un fenomeno così fiabesco e poetico si nascondono tanti apparenti misteri. Come mai, per esempio, i fiocchi di neve hanno delle forme così geometriche e mai uguali tra di loro? Oppure come mai la neve ci appare bianca e non, per esempio, di un vivido verde?
A queste curiosità tenterò di rispondere oggi grazie alla mia amata Scienza.
La geometria dei fiocchi di neve
Che forma ha un fiocco di neve? Se ci dovessimo basare solo su un primo e approssimativo sguardo potremmo ipotizzare una forma tondeggiante e non troppo complessa. Se però lasciassimo cadere sulla mano qualche fiocco e avvicinassimo lo sguardo già potremmo intravedere delle forme inaspettate, più articolate, oseremmo dire geometriche. Effettivamente i fiocchi di neve, visti al microscopio, hanno un’incredibile varietà di forme, dalle più semplici alle più complesse, e tutte rigorosamente geometriche.
Ma cos’è un fiocco di neve? Essenzialmente sono cristalli di ghiaccio, quindi acqua allo stato solido, nelle quali le molecole d’acqua sono allineate secondo una precisa matrice esagonale. I cristalli, infatti, pur avendo forme molto diverse l’uno dall’altro, all’inizio appaiono tutti con una forma esagonale, ovvero come un poligono formato da 6 lati. A mano a mano che il cristallo si accresce, ovvero con la progressiva sublimazione (passaggio di stato da gassoso a solido) del vapore d’acqua, si formano delle ramificazioni lungo gli angoli dell’esagono fino alla completa formazione del cristallo.
Tutto questo avviene all’interno delle nuvole. A mano a mano che il cristallo cade attraverso la nuvola la temperatura e l’umidità dell’aria variano e questo porta ad una crescita differente delle “braccia” del cristallo. Inoltre, dato che due cristalli non seguono mai la stessa identica strada attraverso le nuvole mentre cadono, essi non appariranno mai esattamente uguali perché saranno sottoposti a diverse condizioni di temperatura e umidità.
Il motivo esatto per cui i cristalli di neve crescono in questo modo non è ancora del tutto chiaro.
Si sa che il comportamento di crescita del ghiaccio dipende dalle dinamiche e dalle strutture molecolari ma è così complicato che ancora nessuno lo comprende appieno. Sappiamo solo che la struttura esagonale di partenza deriva da come le molecole d’acqua si distribuiscono per formare il reticolo cristallino, ovvero lo “scheletro”, del ghiaccio. Quella esagonale è la disposizione più stabile, ovvero quella che richiede meno energia, e perciò la prediletta dalle molecole di acqua.
Perché la neve è bianca?
Per rispondere a questa domanda dobbiamo fare qualche passo indietro e capire, prima di tutto, in che modo noi riusciamo a vedere i colori.
Un elemento imprescindibile per la visione dei colori, a parte i nostri occhi, è sicuramente lei: la Luce. Se non ci fosse la luce non vedremmo assolutamente nulla, sarebbe tutto un’infinita distesa di oscurità.
Ma che cos’è la luce? La radiazione luminosa è essenzialmente un’onda, ogni onda è caratterizzata da una specifica lunghezza d’onda che d’ora in poi chiamerò λ (lambda).
La luce visibile ai nostri occhi ha delle lunghezze d’onda che vanno dai 400 ai 750 nanometri.
Ogni colore corrisponde ad una specifica λ nel range della luce visibile. Potremmo osservarlo se facessimo passare la luce attraverso un prisma, anche se la luce entrante appare bianca la luce uscente andrebbe a creare un arcobaleno. Questo perché quando la luce attraversa un materiale trasparente le sue diverse componenti vengono deviate in maniera diversa a seconda della λ. Il colore che viene deviato di meno è il rosso e quello che viene deviato di più è il viola. Questo è anche alla base del fenomeno dell’arcobaleno!
Adesso abbiamo capito cos’è la luce, ma dobbiamo ancora chiarire perché alcuni oggetti ci appaiono di un colore ed altri di un altro.
La radiazione luminosa che colpisce un oggetto può essere assorbita, trasmessa e/o riflessa (Figura 10).
La componente che arriva al nostro occhio, e perciò quella responsabile della visione del colore, è la luce riflessa e trasmessa. Per fare un esempio, le foglie ci appaiono verdi perché la clorofilla contenuta in esse assorbe nelle tonalità del blu e del rosso mentre riflette nella λ del verde . Noi siamo in grado di vedere i colori perché il nostro occhio possiede al suo interno delle cellule specializzate, chiamate coni, sensibili a diverse λ. Ne abbiamo tre tipologie. Una è più sensibile al blu, una al verde e un al rosso. La diversa attivazione di queste tipologie di cellule ci permette di vedere l’intera gamma di colori.
Dato questo grosso preambolo possiamo finalmente rispondere alla fatidica domanda: perché la neve ci appare bianca?
In realtà il singolo cristallo di neve ci appare prevalentemente trasparente. Questo avviene perché il singolo cristallo non ostacola la trasmissione dell’onda elettromagnetica e perciò noi possiamo vedere i colori che vengono trasmessi da ciò che sta attorno, come il fondo azzurro nel caso del vetrino in Figura 12.
Possiamo però osservare che in alcuni punti il cristallo appare bianco, questi sono punti in cui probabilmente il cristallo è più ”spesso” e riesce a riflettere la luce. Il colore bianco infatti è visibile quando tutte le lunghezze d’onda nel visibile vengono riflesse. Più cristalli mettiamo assieme tanto più questi ci appariranno bianchi perché le parti che riflettono la luce bianca saranno sempre di più.
Se ci riflettiamo però la neve non è sempre bianca. Abbiamo mai osservato la neve al tramonto o all’alba? Come ci appare?
Esatto, non ci appare sempre bianca, perché essenzialmente la neve riflette la radiazione che gli arriva e anche se normalmente la luce è bianca, questo non è sempre vero. Al tramonto, per esempio, la neve rifletterà la radiazione rossa, mentre se siamo al di sotto di lampioni dai colori arancioni anche la neve apparirà con quella tonalità.
Per concludere, cari lettori, spero di essere riuscita a svelarvi qualche piccolo mistero scientifico che si cela dietro la neve. Ora quando la guarderete potrete pensare alla radiazione luminosa, all’umidità, alla geometria, ai grandi misteri della Scienza, o forse, più semplicemente, a quanto vi piacerebbe buttarvici dentro e ritornare bambini!
Un ringraziamento speciale al Professor Kenneth G. Libbrecht per la gentilezza e per avermi concesso di utilizzare il suo materiale multimediale. Se volete ammirare altri cristalli di neve andate sul suo sito: SnowCrystals.com
Fonti:
Snowflake Science – SnowCrystals.com
(565) Why is snow white? – YouTube
Come vediamo il colore – Colm Kelleher (youtube.com)
Come vediamo i colori? La scienza dietro la nostra percezione del colore – (lambdageeks.com)
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