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Hablando con Científicos

El conocimiento científico crece gracias a la labor de miles de personas que se esfuerzan, hasta el agotamiento, por encontrar respuestas a los enigmas que plantea la Naturaleza. En cada programa un científico conversa con Ángel Rodríguez Lozano y abre para nosotros las puertas de un campo del conocimiento.

Cristales de hielo en la atmósfera. Hablamos con Luis González MacDowell.

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Cuando miramos las nubes deshilachadas y tenues que con frecuencia tiñen de blanco semitransparente nuestros cielos, no somos conscientes de que estamos observando en realidad una multitud de pequeños cristales de hielo. Esos cristales son prismas hexagonales que, al incidir sobre ellos la luz del Sol, generan los fenómenos de halo en forma de circunferencias luminosas que rodean al Sol o la Luna, falsos soles, columnas solares, etc. Todo eso lo describimos con detalle en un pasado episodio de Ulises y la Ciencia. Cuando la temperatura baja lo suficiente y la humedad aumenta, esos cristales pueden crecer de multitud de formas que a veces caen como preciosos copos de nieve.

Los científicos han estudiado la formación y evolución de los cristales de hielo en la atmósfera desde hace mucho tiempo, pero algunos de los fenómenos asociados continúan sin ser comprendidos. Uno de esos fenómenos fue descubierto en los años 30 por el investigador Ukichiro Nakaya. Éste observó la formación de los cristales de hielo de la atmósfera y se dio cuente de que sufren periodos de crecimiento desigual a medida que la temperatura baja. El agua, debido a la asimetría de las moléculas de agua, forma prismas hexagonales al congelarse. Esos prismas pueden ser de dos tipos fundamentales, unos tienen las caras hexagonales muy próximas entre sí, son cristales “chatos”, y otros forman columnas alargadas con las bases muy alejadas y los rectángulos laterales mucho más largos.

La razón por la que el crecimiento de los cristales en la atmósfera favorece una forma u otra ha encontrado explicación en un estudio, publicado en Science Advances, por los investigadores P. Llombart, E. G. Noya, L. G. MacDowell. Luis González MacDowell, nuestro invitado hoy en Hablando con Científicos, explica que, cuando la temperatura está entre los 0ºC y -4ºC, se forman preferentemente cristales de hielo “chatos”, en cambio, cuando la temperatura desciende por debajo de los -4ºC hasta los -10ºC se forman cristales columnares, curiosamente, por debajo de los -10ºC hasta los -20ºC, la situación vuelve a cambiar y se forman de nuevo cristales chatos y por debajo de los -20ºC los cristales columnares vuelven ser mayoría.
Ese vaivén de formas a distintas temperaturas ha podido ser estudiado gracias a simulaciones con superordenadores, como el Mare Nostrum, donde se pone en juego un gran número de moléculas de agua en diferentes condiciones de presión, temperatura y humedad.

Las simulaciones revelan que, a baja temperatura, la superficie de hielo es lisa y suave, en esas condiciones cuando se acerca una moléculas de vapor de agua a la superficie no encuentra lugar al que unirse con facilidad y, como consecuencia, el cristal crece más lentamente. Cuando la temperatura aumenta, la superficie se desestabiliza, aparecen irregularidades y escalones a los que pueden unirse con más facilidad las moléculas de vapor, como consecuencia, el cristal crece más rápidamente. Lo interesante del caso es que al fundirse la cara del cristal la superficie se vuelve lisa y el crecimiento se ralentiza de nuevo. Las transiciones suceden a distintas temperaturas según la superficie pertenezca a una base hexagonal o a una de sus caras laterales, por lo que tienen velocidades de crecimiento distintas. Así, cuando el crecimiento es mayor en las caras laterales del cristal éste se ensancha favoreciendo la aparición de cristales chatos, en cambio cuando son las bases las que crecen a mayor ritmo, el cristal se estira favoreciendo la formación de columnas.

Estos estudios ayudan a comprender los procesos de formación y crecimiento de los cristales de hielo en la atmósfera, un proceso que podría mostrar variaciones importantes debido al aumento de la temperatura media del planeta debido al cambio climático.

Os invito a escuchar a Luis González MacDowell, profesor del departamento de Química – Física en la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Complutense de Madrid (UCM) .

Referencia:

Pablo Llombart, Eva G. Noya, Luis G. MacDowell. Surface phase transitions and crystal habits of ice in the atmosphere Science Advances20 May 2020

Maravillas de luz y agua. Fenómenos de Halo. un episodio del podcast Ulises y la Ciencia


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