Le molte forme del ghiaccio
di Andrea Bersani
(pubblicato su scientificast.it il 16 dicembre 2016)

Zero gradi centigradi: la temperatura alla quale l’acqua solidifica e diventa ghiaccio. Questa definizione è probabilmente molto nota, ma non sempre quello che osserviamo la rispecchia esattamente.

La prima osservazione che possiamo fare riguarda la brina. Ci capita, infatti, nelle mattinate di inizio inverno, di trovare la macchina coperta dalla brina anche se il termometro segna una temperatura superiore a 0ºC, e a qualcuno può capitare di chiedersi il perché. Un’osservazione che si può fare è che la brina si forma soltanto quando il cielo è sereno, e la chiave è proprio quella. Se pensiamo al bilancio termico, per esempio, del lunotto di una automobile, durante una nottata invernale, abbiamo due contributi: il vetro scambia calore per convezione con l’aria circostante ed emette radiazione elettromagnetica per irraggiamento. La convezione tende a portare il nostro lunotto alla stessa temperatura dell’aria circostante, diciamo per esempio 2ºC, ma a questa si somma una certa perdita di energia per irraggiamento. Questa radiazione infrarossa sottrae energia al vetro: se il cielo è nuvoloso, questa energia viene riflessa e l’effetto diventa trascurabile, ma se il cielo è sereno questa energia viene dispersa fuori dall’atmosfera e la temperatura del lunotto scende sotto lo zero. A questo punto, l’umidità dell’aria che condensa sulla superficie congela e diventa brina. In questo caso, abbiamo formazione di ghiaccio anche se la temperatura dell’aria è superiore allo zero. In particolare, la brina si forma con più facilità sulle superfici che hanno una bassa conducibilità termica e una bassa capacità termica, oltre a un’ampia superficie orizzontale. Mettendo insieme questi ingredienti, avremo una crosticina sul tettuccio, nulla sull’asfalto e una colata impenetrabile sui vetri.

Quando la temperatura scende sotto lo zero possiamo osservare anche un fenomeno per certi versi contrario. Può infatti capitare che la temperatura degli strati d’aria dove si formano le precipitazioni sia più alta della temperatura al suolo. In questo caso, si possono formare nebbie o piogge quando tutte le superfici al suolo sono sotto lo zero. In entrambi i casi, abbiamo goccioline d’acqua liquida che arrivano a contatto con le superfici a temperature più basse del punto di congelamento. Sia che si tratti di nebbia che di pioviggine, l’acqua rimane allo stato liquido anche scendendo sotto gli 0ºC, finché non viene a contatto con del ghiaccio. Si parla in questo caso di acqua sottoraffreddata: anche se dovrebbe solidificarsi non lo fa finché il processo di transizione di fase non è indotto da un fattore esterno. Questo può avvenire solo se l’acqua è molto pura e può essere riprodotto anche a casa.

Sia in caso di nebbia che di pioviggine, quello che succede è che appena la gocciolina tocca la superficie fredda diventa ghiaccio. Ciò che è diverso è la quantità d’aria che rimane intrappolata nel ghiaccio. Se si parte dalla nebbia, questa non è trascurabile, e lo strato di ghiaccio che si ottiene è di colore bianco e opaco: si parla in questo caso di galaverna. Se invece il fenomeno di gelamento avviene in concomitanza di pioggia o pioviggine, la quantità d’aria che rimane intrappolata nel ghiaccio è molto piccola, e il ghiaccio risultante è trasparente e lucido. Si parla in questo caso di gelicidio, e si tratta di una delle condizioni più pericolose: lo strato di ghiaccio che si forma, infatti, è scivoloso come una pista da pattinaggio o quasi.

Un ultimo caso, probabilmente il più spettacolare, è quello che si verifica in vicinanza di uno specchio d’acqua in condizioni di vento forte. Se ci troviamo in riva a un lago, occorre che la temperatura rimanga significativamente sotto lo zero per un certo tempo affinché si formi una lastra di ghiaccio sulla superficie. Questo è dovuto all’inerzia termica della massa d’acqua che, a causa dei moti convettivi, tende a mantenere una temperatura uniforme in tutto il suo volume. Anche per questo lo strato di ghiaccio è tipicamente più spesso vicino alle rive rispetto a dove l’acqua è più profonda. Se, però, si verificano condizioni di vento forte, può formarsi un aerosol di microscopiche goccioline d’acqua che, trasportate dall’aria, si raffreddano e si accumulano sulle superfici in forme modellate dal vento stesso. L’effetto può essere molto affascinante, con vele lunghe anche alcune decine di centimetri. Il termine con cui i meteorologi definiscono questo fenomeno è calabrosa.

In sostanza, l’acqua gela sì a 0ºC, se è pura, immobile e aspettando il tempo necessario. L’acqua “domestica” si comporta così, l’acqua “selvatica” è molto più fantasiosa e gela un po’ prima, un po’ dopo e in modi estremamente creativi. Un paradiso per i fotografi, ma occhio a non scivolare quando andiamo a instagrammare!