Per capire cos è la neve iniziamo la nostra analisi dagli stati della materia.

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1 Cos è la neve? Un fiocco di neve è un cristallo d acqua che può assumere svariate forme, la maggior parte delle quali presenta una simmetria esagonale a causa dei legami tra le molecole d acqua che costituiscono il reticolo cristallino del ghiaccio. Le forme geometriche che si ottengono dipendono dalle condizioni ambientali: temperatura, ricchezza d acqua, velocità di crescita. In base alle loro forme i fiocchi di neve vengono classificati. Per capire cos è la neve iniziamo la nostra analisi dagli stati della materia. Gli stati di aggregazione della materia La materia che costituisce l intero universo si può presentare in diverse forme, le principali e più note sono i cosiddetti tre stati di aggregazione della materia: solido, liquido e aeriforme (spesso si parla di gas e vapori). A distinguere i vari stati sono alcune proprietà che possono essere riassunte dalla seguente tabella. Solido Liquido Aeriforme Volume Proprio Proprio Forma Proprio Assume la forma del recipiente che lo contiene Densità Alta Media Bassa Effetto pressione della Incomprimibile (a pressioni non elevate) Incomprimibile (a pressioni non elevate) Occupa tutto il volume disponibile Assume la forma del recipiente che lo contiene Comprimibile Rappresentazione Lo stato solido: si presenta con una forma e un volume pressoché propri. Per esempio, un blocco di ferro conserva spontaneamente forma e volume pur ammettendo delle piccole variazioni sotto l effetto di perturbazioni esterne Lo stato liquido: è dotato di un volume pressoché proprio (anch esso può subire variazioni dovute a cause esterne, per esempio, solitamente i liquidi si dilatano

2 all aumentare della temperatura). La sua forma, invece, è quella del recipiente che lo contiene. Se per esempio versiamo un litro d'acqua da una bottiglia in una pentola, il volume resta invariato ma la forma cambia. Lo stato aeriforme : non ha nè volume nè forma propri ma tende ad assumere la forma e il volume del recipiente che lo contiene. Se, per esempio, togliamo il tappo a una boccetta di profumo, ben presto esso invaderà tutto l'ambiente. Esistono due tipi diversi di aeriformi: i vapori e i gas. Liquidi e aeriformi hanno alcune proprietà comuni e per questo ci si può riferire ad entrambi parlando di fluidi. Con il termine vapore si intende un aeriforme che, nelle condizioni date di temperatura, può passare allo stato liquido o solido per sola compressione, ovvero con un aumento di pressione. Si chiama gas un aeriforme che, in quelle stesse condizioni di temperatura, non può passare allo stato liquido o solido per sola compressione. In realtà, alla luce delle moderne scoperte scientifiche, questa semplice classificazione risulta inadeguata per poter descrivere le numerose possibilità che ha la materia di organizzarsi. Vi sono infatti altri stati fisici che la materia può assumere: primo fra tutti è il plasma ma ve ne sono anche altri. Un'altra domanda che ci si può porre è come classificare la sabbia, la farina e altri materiali di questo genere come, per esempio, anche la neve. Questi, infatti, hanno un volume proprio e assumono la forma del recipiente che li contiene, quindi potrebbero essere classificati come dei liquidi, tuttavia si preferisce descriverli come dei solidi perché essi risultano incomprimibili e soprattutto hanno una struttura molecolare molto ben definita e ordinata che viene chiamata, nello specifico, reticolo cristallino. Per essere più precisi, infatti, possiamo dire che nei solidi le forze intermolecolari che agiscono tra le varie molecole (o tra i vari atomi) sono abbastanza forti da tenerle in posizioni rigide. In particolare, poi, se il solido è cristallino [1], come il fiocco di neve, le molecole saranno disposte in modo particolarmente ordinato; altrimenti parleremo di solidi amorfi in cui la struttura delle molecole non seguirà alcun ordine. Per quanto riguarda i fluidi, invece, le forze intermolecolari sono più deboli nei liquidi e quasi assenti negli aeriformi. I passaggi di stato Una sostanza può passa da uno stato di aggregazione ad un altro per semplice variazione dei parametri ambientali: temperatura, volume e pressione. Le trasformazioni di una sostanza da uno stato fisico ad un altro vengono chiamate passaggi di stato. Un cubetto di ghiaccio lasciato a temperatura ambiente si trasforma rapidamente in acqua liquida; allo stesso modo riscaldando la cera di una candela questa inizia a fondere; persino il ferro se riscaldato ad alte temperature diventa liquido. Questi sono tutti esempi di passaggi di stato.

3 Si possono ottenere passaggi di stato della materia anche attraverso variazioni di pressione. Se proviamo infatti a fare fuoriuscire il combustibile liquido di un accendino, questo, a causa della diminuzione di pressione, si trasforma in gas. Lo stato delle sostanze è descritto da un particolare diagramma cartesiano, detto appunto diagramma di stato, in cui sono indicati gli stati della sostanza considerata al variare di pressione (asse verticale) e temperatura (asse orizzontale). Il diagramma è caratteristico per ogni sostanza, consideriamo per esempio quello dell acqua, nella figura seguente. A partire dal diagramma di stato dell acqua analizziamo più nello specifico gli stati ai quali possiamo trovare questa sostanza. A pressione ambientale (1atm) l acqua passa dallo stato solido (ghiaccio) a quello liquido ad una temperatura di 0 C, detta temperatura di fusione (a pressione ambientale); mentre passa dallo stato liquido a quello aeriforme (vapore acqueo) a 100 C, la sua temperatura di ebollizione (a pressione ambientale). Vedremo nella lezione 4 che queste saranno proprio le temperature a partire dalle quali sarà costruita l intera scala Celsius. Un punto importante che possiamo vedere nel diagramma di stato è il punto triplo ovvero l'insieme di particolari condizioni di temperatura e pressione in cui coesistono i tre stati. Per quanto riguarda i passaggi di stato abbiamo che ciascuno di essi ha il suo nome: fusione è il passaggio dallo stato solido a quello liquido evaporazione è il passaggio dallo stato liquido a quello aeriforme (mentre si dice ebollizione lo stesso passaggio di stato se esso avviene in modo turbolento) condensazione è il passaggio dallo stato aeriforme (vapore) allo stato liquido (mentre si parla di liquefazione se il passaggio avviene dallo stato aeriforme (gas) allo stato liquido) solidificazione è il passaggio dallo stato liquido allo stato solido sublimazione è il passaggio dallo stato solido allo stato aeriforme

4 brinamento è il passaggio dallo stato aeriforme allo stato solido Il tutto è riassunto dall immagine seguente: Alla luce di tutto ciò possiamo analizzare come vengono classificati i fiocchi di neve che abbiamo scoperto essere dei cristalli di ghiaccio. La classificazione di un cristallo di neve In genere l'evoluzione del cristallo avviene in due direzioni: sul piano di base o perpendicolarmente ad esso. I cristalli di ghiaccio hanno tre assi sul piano di base (assi a) separati di 120 e un asse perpendicolare al piano di base (asse c). Possiamo distinguere due forme di cristalli: i cristalli a forma piatta si formano in seguito all'evoluzione lungo l'asse a, mentre i cristalli aghiformi si formano seguendo la direzione dell'asse c. Uno dei primi ad accorgersi delle irregolarità dei fiocchi di neve fu Wilson Bentley, che nel suo libro Snow Crystals del 1931 raccolse le foto di più di 2500 fiocchi osservati attraverso il microscopio. Anche se prima di lui grandi personalità sia occidentali come

5 Keplero, Cartesio, Rossetti, Faraday e i fratelli Thomson che orientali come Han Ying e Chu Hsi dedicarono i loro studi alle forme dei cristalli di neve. Bentley, conosciuto come Snowflake Man (uomo fiocco di neve) per la sua passione, notò che i lati dell esagono, in particolari casi, si rompono e presentano delle piccole irregolarità, allora ogni lato si biforca in due punte, che non possono rimanere piane se diventano troppo lunghe e che, quindi, si suddividono a loro volta in altre punte secondarie e così via in una struttura che gli specialisti chiamano dendrite, dal termine greco che significa albero. Oggi sappiamo che la forma fisica dei cristalli di ghiaccio dipende dalle condizioni atmosferiche in cui essi si formano. Si può comunque affermare che non ci possono essere due fiocchi di neve identici, o meglio, ci potrebbero essere se fossero identiche tutte le condizioni in gioco, ma ciò è estremamente improbabile. Se davvero le forme dei cristalli sono infinite, è necessario definire un sistema di classificazione entro il quale farle rientrare. A raccogliere questa sfida fu il fisico giapponese Ukichiro Nakaya che dopo innumerevoli osservazioni catalogò i cristalli secondo 40 tipologie circa (alcune sono mostrate in figura). Nakaya, inoltre fu tra i primi negli anni 50 a riuscire a ricreare in laboratorio il processo di produzione di un cristallo di neve e quindi a capire come la temperatura e l umidità influenzavano la forma del cristallo, per questo il fisico li definì lettere dal cielo. Oggi il sistema di classificazione più avanzato dei fiocchi di neve è quello adottato dall'international Commission on Snow and Ice 1 (Commissione Internazionale Neve e Ghiaccio, ICSI). In particolare si raccomanda, per le normali osservazioni, l uso di una lente tascabile con ingrandimento da 8x a 10x.Nell'ambito di un lavoro scientifico, invece, vengono talvolta utilizzate lenti di maggiore potenza e anche microscopi. Il testimone dello Snowflake Man è portato avanti dal professor Kenneth Libberecht 2 che ritiene ci sia ancora molto da imparare sui fiocchi di neve, infatti solo finché non si entra nel dettaglio il problema sembra abbastanza semplice Sul suo sito sono riportate tante informazioni interessanti sui fiocchi di neve.