Fiocchi di neve: perché hanno sempre sei punte (e sono unici)

Ogni inverno milioni di fiocchi di neve cadono dal cielo e quasi tutti condividono una caratteristica sorprendente: hanno sei punte. Non cinque, non otto: sempre sei, o multipli di sei. Questa simmetria perfetta affascina da secoli e nasconde una lezione di fisica scritta nella struttura più intima dell'acqua. Eppure, paradossalmente, due fiocchi davvero identici non si sono mai trovati.

A porsi per primo la domanda in modo scientifico fu, nel 1611, niente meno che l'astronomo Giovanni Keplero. In un breve trattato regalato come strenna natalizia, intitolato Strena seu de nive sexangula («Strenna, ovvero sul fiocco di neve a sei angoli»), si chiese perché la neve scegliesse proprio l'esagono. Non aveva gli strumenti per rispondere, ma intuì che la causa andava cercata nel modo in cui le particelle si impacchettano, anticipando di tre secoli la cristallografia, come ricorda la voce enciclopedica sul trattato di Keplero.

La colpa è della molecola d'acqua

La risposta, oggi la conosciamo: tutto dipende dalla forma della molecola d'acqua. Quando l'acqua congela, gli atomi di idrogeno e ossigeno si legano tra loro disponendosi in un reticolo esagonale. Ogni molecola si aggancia ad altre con un angolo preciso, e questa geometria di base si propaga man mano che il cristallo cresce, generando la caratteristica simmetria a sei lati. Il fisico Kenneth Libbrecht del Caltech, che da decenni studia e fotografa i cristalli di ghiaccio nel suo progetto SnowCrystals, ha mostrato in laboratorio come ogni fiocco erediti questa impronta esagonale fin dal primo istante.

Perché allora sono tutti diversi

Se la simmetria è sempre la stessa, perché non esistono due fiocchi uguali? Perché la forma fine dei bracci dipende dal percorso che il cristallo compie tra le nuvole. Temperatura e umidità cambiano continuamente durante la caduta: a -2 °C si formano sottili placchette, intorno a -5 °C lunghi aghi, verso -15 °C le splendide stelle ramificate. Ogni fiocco attraversa una sequenza unica di condizioni e «registra» quella storia nella sua forma. Poiché i sei bracci crescono nello stesso istante e nelle stesse condizioni, restano simili tra loro; ma due fiocchi diversi seguono traiettorie diverse, e quindi divergono.

L'uomo che fotografò mille fiocchi

La prova visiva di questa infinita varietà la dobbiamo a un contadino americano, Wilson Bentley, soprannominato «Snowflake». A partire dal 1885, nella sua fattoria del Vermont, riuscì per primo a fotografare i cristalli di neve attraverso un microscopio collegato a una macchina fotografica. Nel corso della vita ne immortalò oltre 5.000, senza trovarne due identici. Le sue immagini, raccolte nel libro Snow Crystals del 1931, restano un classico della fotografia scientifica.

Una scienza ancora aperta

Sorprendentemente, non tutto è spiegato. I fisici comprendono bene la simmetria esagonale, ma i dettagli di come la temperatura governi la crescita delle ramificazioni — il cosiddetto diagramma morfologico studiato negli anni Trenta dal giapponese Ukichiro Nakaya — sono ancora oggetto di ricerca. Il ghiaccio, il materiale più comune e familiare, conserva ancora qualche segreto.

La prossima nevicata, dunque, non porta solo freddo: porta milioni di minuscoli archivi di geometria, ciascuno testimone irripetibile del proprio viaggio nell'atmosfera. Come scriveva Keplero quattro secoli fa, nella più semplice delle cose si nasconde l'ordine più profondo. La voce enciclopedica sul fiocco di neve raccoglie ancora oggi quella meraviglia.

Perché la neve è bianca (se il ghiaccio è trasparente)

C'è un piccolo paradosso che vale la pena sciogliere: un singolo cristallo di ghiaccio è trasparente, eppure un cumulo di neve appare bianco. Il motivo è la diffusione della luce. In un fiocco e in un mucchio di neve la luce incontra innumerevoli minuscole superfici e bordi tra ghiaccio e aria, e a ogni passaggio viene deviata in tutte le direzioni. Poiché questa diffusione riguarda allo stesso modo tutte le lunghezze d'onda, nessun colore prevale e l'occhio percepisce il bianco. È lo stesso principio per cui lo zucchero macinato o il vetro tritato appaiono bianchi pur essendo trasparenti.

Esistono però eccezioni curiose. In alta montagna o nelle regioni polari si può incontrare la cosiddetta neve d'anguria, di un sorprendente rosa, causata da alghe microscopiche (Chlamydomonas nivalis) che producono pigmenti rossi per proteggersi dai raggi ultravioletti. La neve, insomma, non è sempre candida.

L'eredità di Bentley e la scienza di oggi

Wilson Bentley morì nel 1931 di polmonite, presa proprio mentre fotografava una nevicata: una fine quasi simbolica per l'uomo che aveva dedicato la vita ai cristalli di ghiaccio. Le sue oltre 5.000 immagini restano una fonte preziosa per i fisici, perché documentano l'enorme varietà di forme che la neve può assumere. Oggi i ricercatori, come quelli del Caltech, ricreano in laboratorio cristalli «su misura» variando temperatura e umidità in camere controllate, riuscendo a far crescere fiocchi gemelli e a verificare le teorie sulla formazione dei rami. Persino la più comune delle nevicate, dunque, continua ad alimentare ricerca di frontiera. La prossima volta che ne raccoglierete uno sul guanto, ricordate che state tenendo in mano un piccolo capolavoro di fisica e probabilità, irripetibile come un'impronta digitale.