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La forma más común de precipitación helada es el copo de nieve
(Que es una estructura compuesta por muchos finos cristales de hielo hexagonales que se han congelado juntos.)
Algunos cristales son como estrellas plumosas, otros tienen una estructura más parecida a una lámina, pero ninguno es nunca idéntico a otro.
Patrones de algunos cristales de nieve
Wilson Bentley (1865-1931), granjero de Vermont, quedó fascinado con los cristales de nieve y los estudió durante toda su vida.
Tomó fotografías de más de 5.000 copos, utilizando un microscopio, y publicó una colección de 2.500, basadas en sus estructuras.
Durante los meses de verano medía el tamaño de las gotas de lluvia, y en 1904 sugirió que la lluvia podía generarse de dos formas distintas —una de ellas, a partir de los copos—.
Aunque hoy esta idea es ampliamente aceptada, por desgracia los científicos de la época ignoraron a Bentley.
Sin embargo, no en todo el Planeta Tierra se da el fenómeno de la nieve. Para que ocurra, deben producirse varios hechos.
Es por eso que muchos de los paisajes teñidos de blanco que vemos a menudo son, principalmente, de las zonas más próximas a los Polos, es decir el Ártico y la Antártida. Por mencionar dos puntos geográficos donde cae nieve y de forma abundante durante la temporada de invierno es en las Altas Montañas del Himalaya, y la Cordillera de Los Andes.
Pero, ¿cómo se produce la nieve? Como dijimos, para que
ocurra este fenómeno meteorológico, deben cumplirse varias
condiciones. La formación de la nieve comienza, en primer lugar, con el enfriamiento de las gotas de agua,
las cuales suelen estar a una temperatura de unos -7 °C. Estas gotas de
agua una vez que sufrieron el descenso de la temperatura se convierte
en cristales, inicialmente de tamaño pequeño. Sin embargo, los cristales
por medio de la colisión y absorción con gotas de agua presentes en el
ambiente aumentan su tamaño, dando lugar de esta manera a los copos de
nieve. Todo este proceso ocurre en la atmósfera.
Pero para que veamos y podamos sentir la nieve en la superficie no sólo basta con que se produzcan los copos en la atmósfera. La caída de la nieve necesita a su vez de otra serie de condiciones. La primera es la precipitación, es decir, lluvia. Al mismo tiempo, debe añadirse en la lista de requisitos la temperatura del ambiente, que no debe superar los -2°C. Y como si fuera poco, a su vez, debe haber elevado porcentaje de humedad.
Estas características deben presentarse en todas las capas de la
atmósfera, de lo contrario, el copo de nieve en su camino hacia la
superficie terrestre podría modificar su estructura y derretirse.
La principal causa de que el copo de nieve se derrita es la exposición a temperaturas superiores en la atmósfera.
En caso que se de este hecho, en la superficie sólo se encontrará la
denominada «agua nieve», compuestas por cristales de tamaño diminuto y
gotas de agua frías. Esta situación se da con mayor frecuencia llegando
al fin del invierno, tiempo próximo al cambio hacia la primavera, cuando
los rayos del sol son más fuertes y las temperaturas más cálidas.
Navidad de 1610, un hombre cruza el Puente de Carlos en Praga, nieva y los copos de nieve caen sobre la solapa de su abrigo. Es Johannes Kepler, pensando en qué regalo de Año Nuevo podría ser el más apropiado para su benefactor y amigo Johannes Matthäus Wäckher von Wackenfelds.
Observa los copos de nieve, y en ellos encuentra una extraña regularidad. Como buen científico, no puede evitar preguntarse sobre ello: ¿por qué todos tienen forma hexagonal?, ¿por qué no tienen cinco lados o siete?
Kepler piensa que este tema podría ser el motivo para un ensayo, un excelente regalo de Año Nuevo para su benefactor. Así escribe su obra Strena seu de nive sexángula (El copo de nieve de seis ángulos), un librito de unas escasas 24 páginas que constituye, sin duda, una obra maestra.
En la introducción Kepler escribe a su amigo: “Sí, sé bien que tan aficionado es usted a la nada; de seguro no tanto por su mínimo valor, sino por el juego divertido y delicioso que uno puede tener con ella, cual si fuera un gorrión feliz. Por tanto, me imagino que para usted un regalo debe ser mejor, y mejor recibido, cuando más se acerque a la nada”.
Kepler ironiza aquí con su situación en Praga, siempre pendiente de los pagos a destiempo y recortados de Rodolfo II, en cuya corte trabajaba Kepler de astrónomo, porque ¿qué mejor regalo que dar nada para quién nada recibe? Por otra parte, Kepler hace un juego de palabras con nix (latín) que significa nieve, y nichts (alemán), que significa nada. Kepler piensa además que no habrá mejor regalo en esas fechas que reflexionar sobre algo que cae del cielo.
¿Por qué la forma hexagonal?
En el ambiente de tranquilidad praguense es cuando Kepler escribe Strena seu de nive sexángula.
El análisis de Kepler es profundo, y deduce que la forma particular de los copos de nieve debe ser consecuencia de la manera en la que se empaquetan las partículas que los constituyen. Kepler unifica así dos conceptos: el mundo geométricamente ordenado y creado por un Dios matemático con una ciencia que trata de explicar los fenómenos naturales buscando las causas y leyes que los producen.
Se puede pensar en esas partículas como glóbulos que se apilan ocupando el mínimo espacio posible, y el empaquetamiento hexagonal es el mejor. Basta ver las colmenas de las abejas, o las teselaciones de un plano, que pueden ser de triángulos, cuadrados o hexágonos.
En este mismo ensayo, Kepler planteó su famosa conjetura de empaquetamiento, resuelta 300 años despues por Thomas Hales. Años antes, Kepler había compartido correspondencia con el astrónomo y matemático inglés Thomas Harriot, acerca de la manera óptima de apilar balas de cañón en la cubierta de un buque. Sir Walter Raleigh, de quién Harriot fue ayudante, le había planteado la cuestión cuando estaban planificando una expedición en 1585 rumbo a Virginia, a fin de establecer allí la primera colonia británica.
Conjetura de Kepler
La conjetura de Kepler establece que la mejor manera es la que usan los fruteros para las naranjas, poniendo cada naranja de la siguiente capa apoyada en el hueco de las cuatro naranjas que estrán justo debajo en la primera capa. Este método minimiza el espacio dejado por los huecos entre las naranjas.
Durante siglos, trataron de demostrarla numerosos matemáticos como Gauss, que la probó en el caso regular. En el Congreso Internacional de Matemáticos de 1900, fue incluida por David Hilbert entre su lista de los 23 problemas más importantes para el siglo XX (el problema número 18).
Pero el asunto no tuvo mayores avances hasta que el matemático húngaro Laszlo Fejes Toth redujo el problema a un número finito pero enorme de cálculos. Thomas Hales fue capaz de realizar las cuentas en los años 90, ayudado por la potencia del ordenador. El resultando se publicó en Annals of Mathematics, y con ello la conjetura quedó resuelta. Aunque todavía hoy en día no todos los matemáticos aceptan que esto pueda considerarse una auténtica prueba.
Lo que hoy sabemos de la nieve
Kepler no tenía el conocimiento actual de cómo está constituida la materia. No sabía que una molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, formando un ángulo de 104,5 grados. Estas moléculas de agua están ligadas con enlaces con sus vecinas, formando tetraedros. Cuando la temperatura baja, se acercan más entre sí y forman esas estructuras de seis lados.
Si esta explicación no resulta satisfactoria, y queremos una más poética, se puede recurrir a la lectura del precioso relato The Queen of the Rain Was in Love with the Prince of the Sky, escrito por Eugene Mirabelli; que también muestra por qué dos copos de nieve nunca son iguales.
Fuente: Manuel de León Rodríguez / THE CONVERSATION, Ambientum
