¿Por qué son planos los copos de nieve?

Question

Ha habido muchas preguntas y excelentes respuestas en esta comunidad sobre la simetría de los copos de nieve, por ejemplo, aquí y aquí. Sin embargo, hay un aspecto de los copos de nieve que parece no estar claramente abordado: ¿Por qué los copos de nieve son planos?

• Una razón podría ser las condiciones de cristalización durante la formación de los copos de nieve, que favorecen ciertas fases cristalinas. De alguna manera similar a cómo el carbono puede cristalizarse en grafito, es decir, láminas de grafeno débilmente conectadas ("una fase de copo de nieve") y diamante (y un montón de formas más complejas), dependiendo de la presión, temperatura, etc.
• Otra posibilidad es una selección de formas planas a medida que los copos de nieve se mueven a través de la atmósfera, mientras que el resto son destruidos.
• Finalmente, los copos de nieve pueden tener realmente una estructura en 3D al formarse, pero pulida (aplanada) al moverse a través de la atmósfera.

Estoy buscando respuestas basadas en fuentes científicas creíbles.

Actualización
Como el diagrama dado en la respuesta @JohnDumancic a continuación demuestra, los cristales de nieve crecen en forma de placas a temperaturas de 0 a $-3^\circ$C o por debajo de $-10^\circ$. La pregunta se reduce esencialmente a las condiciones típicas (temperatura y saturación de vapor de agua) que existen en las nubes de nieve.

Como se señala en los comentarios, los cristales de nieve que caen del cielo no siempre son planos, por lo que la información sobre si los copos de nieve planos son específicos solo para ciertas regiones geográficas también podría ser relevante.

Answer 1

El trabajo más completo y riguroso que he visto sobre la formación de copos de nieve es el libro (gratuito) Snow Crystals del Dr. Kenneth Libbrecht (he vinculado su ubicación en Arxiv). Esta respuesta se basará exclusivamente en este trabajo; piénselo como una introducción/resumen de partes de este trabajo que espero se convierta en el conjunto completo. Por lo tanto, en mi respuesta, primero cubriré la suposición oculta en tu pregunta (¡que los copos de nieve son todos planos!) y luego continuaré con la sustancia de la pregunta.

¿Los copos de nieve siempre son planos?

Como un apartado introductorio, me gustaría responder a esta pregunta relacionada, por completo. La respuesta es, como probablemente puedas imaginar, ¡un rotundo no! Hay una cantidad asombrosamente grande de formas en las que los copos de nieve/cristales de nieve pueden formarse. La Figura 10.3 del libro del Dr. Libbrecht muestra una buena cantidad de formas en las que la morfología de los cristales de nieve puede variar:

¡Esta es solo una selección de formas! Los cristales de nieve son enormemente variados en forma y estructura. Ten en cuenta que los copos de nieve bonitos y simétricos son en realidad bastante raros de forma natural; gran parte de la nieve cae en grupos irregulares de cristales. La Figura 10.1 es una guía aproximada de qué morfologías son probables que ocurran a diferentes temperaturas y supersaturación de vapor de agua (asumiendo condiciones constantes; según el autor, "La línea de 'saturación de agua' muestra la supersaturación encontrada en una nube densa de gotas de agua líquida").

Para obtener más información sobre los tipos de cristales de nieve, consulta el capítulo 10 del libro mencionado anteriormente. Ahora que hemos dejado de lado esa línea de investigación en particular, ¡continuemos con ella!

¿Por qué los copos de nieve planos son planos?

¡Buena pregunta! Para ser completamente honesto contigo, aún no tenemos una explicación completa. Sin embargo, en lugar de una explicación aceptada, proporcionaré un resumen de los hallazgos del Dr. Libbrechet.

En el hielo de agua, las moléculas se orientan con respecto a la polaridad de la molécula; la carga parcial en los átomos de hidrógeno y oxígeno resulta en las reglas de Bernal-Fowler (siempre hay un átomo de hidrógeno entre dos átomos de oxígeno, y por lo tanto, dos enlaces O-H fuertes y dos débiles para cada átomo de oxígeno). Debido a las similitudes cercanas entre el ángulo de una molécula de agua y el ángulo tetraédrico, el hielo de agua tiene una estructura cristalina que es efectivamente tetraédrica. Hay una ambigüedad en la estructura cristalina como se muestra en el diagrama a continuación (Figura 2.4 en el libro): a la izquierda está la estructura del hielo hexagonal, mientras que a la derecha está la estructura del hielo cúbico (las esferas son átomos de oxígeno, los palos son átomos de hidrógeno).

Sin embargo, solo el hielo hexagonal es estable en la naturaleza (al menos en condiciones normales), lo que resulta en un cristal fundamental de la forma siguiente (Figura 2.5):

La forma de este proto-copo de nieve es la causa fundamental de la simetría de seis pliegues en los copos de nieve normales. Ahora que entendemos la unidad fundamental de un copo de nieve, ¡veamos cómo crece! Ahora, una relación importante en el crecimiento de copos de nieve es la relación de Hertz-Knudsen, que establece: $$v_n=\alpha v_{kin}\sigma_{surf}$$ donde $v_n$ es la velocidad de crecimiento cristalino perpendicular a la superficie en consideración, $\alpha$ es el coeficiente de unión, $\sigma_{surf}$ es la supersaturación de vapor de agua, y $v_{kin}$ es la velocidad cinética. La cantidad importante aquí es $\alpha$, que es un número entre 0 y 1 y puede interpretarse como la probabilidad de adherencia de una molécula de vapor de agua que se une al cristal como parte de la superficie. Estos proporcionan una manera muy fácil de explicar cuándo se forman copos de nieve planos frente a columnas (como se ve en los gráficos en la sección precedente). Cuando $\alpha_{basal}\gg\alpha_{prism}$, el vapor de agua se acumula en la parte superior del protocristal, formando columnas. Cuando $\alpha_{basal}\ll\alpha_{prism}$, el vapor de agua se pega a los lados, formando cristales planos, en forma de placa. Esto lleva al desarrollo de la teoría de la nucleación. Tenemos un modelo simplificado que establece $$\alpha(\sigma_{surf})=\exp(-\sigma_0/\sigma_{surf})$$ $$\sigma_0\propto\frac{1}{T^2}$$ donde $\sigma_0$ es una constante adimensional. La dinámica exacta detrás de $\alpha_{basal}$ y $\alpha_{prism}$ están fuera del alcance de esta respuesta (hay muchos efectos no triviales que desafían nuestros intentos de un modelo bonito y sencillo); consulta el capítulo 3 del libro para más información. Sin embargo, en resumen, ciertas condiciones de presión/temperatura resultan en valores diferentes para $\alpha_{basal}$ y $\alpha_{prism}$, que es la raíz detrás de la formación de copos de nieve en forma de columna o planos.