Fiori di ghiaccio, un raro fenomeno su mari e laghi: cosa sono, come si formano e dove si trovano

I fiori di ghiaccio, scientificamente chiamati fiori di brina, sono cristalli di ghiaccio che si formano tipicamente sopra un sottile strato di ghiaccio marino di recente formazione, soprattutto quando l'aria è molto fredda (sotto i –15 °C) e secca. Si osservano soprattutto nelle zone artiche su ghiaccio sottile su mari o più raramente laghi, e hanno un'elevata concentrazione di sale perché derivano dalla condensazione di aerosol.

Cosa sono e come si formano i fiori di ghiaccio 

I cristalli di ghiaccio sono formazioni cristalline di ghiaccio dalla forma appuntita e dimensioni di qualche centimetro, il cui nome richiama il fatto che assomigliano decisamente a dei fiori che "sbocciano" sulle acque ghiacciate, soprattutto artiche, durante l'inverno. Contengono grandi quantità di microorganismi, tanto da costituire una sorta di ecosistema temporaneo.

Riassumendo, i fiori di brina possano formarsi e crescere in un’atmosfera secca a patto che la differenza di temperatura tra la superficie del ghiaccio e l’atmosfera sia sufficientemente grande. In generale possiamo dire che le condizioni favorevoli alla formazione dei fiori di ghiaccio sono:

• presenza di aria secca e molto fredda con una temperatura dell’aria di almeno –15 °C;
• calma di vento pressoché totale;
• ghiaccio non troppo spesso e/o formatosi da poco;
• assenza di neve sulla superficie ghiacciata.

I  fattori principali che intervengono nel processo di formazione sono la quantità di vapore acqueo a disposizione, la temperatura dell’aria e della superficie coinvolta e il vento. A questi fattori si deve aggiungere anche la pressione di vapore o tensione di vapore saturo, ossia la pressione esercitata dal vapore acqueo in condizioni di saturazione della massa d’aria, in questo caso mentre passa allo stato solido, quando le due fasi (gassoso e solido) sono tra loro in equilibrio termodinamico.

Dal punto di vista fisico, la pressione di vapore può essere interpretata come il risultato della tendenza di una particolare sostanza – in questo caso l’acqua – a passare dalla fase condensata (o congelata) alla fase gassosa e viceversa (cioè ad evaporare o sublimare): essa aumenta al crescere della temperatura, in quanto le molecole acquistano un’energia cinetica più alta e tendono più facilmente ad evaporare.

Dunque, quello che conta in questo caso specifico sono le variazioni con l’altezza della temperatura e della tensione di vapore al di sopra della superficie ghiacciata. Tale superficie deve essere in condizioni tali da sublimare, ossia in una fase durante la quale il ghiaccio si trasforma direttamente in vapore senza passare attraverso la fase liquida.

Questo processo avviene quando l’aria al di sopra del ghiaccio è piuttosto secca e, ovviamente, fredda. A questo punto si creano i presupposti perché al di sopra della medesima superficie ghiacciata si sviluppi una zona di sovrasaturazione, ovvero con un eccesso di vapore acqueo che potrà successivamente “brinare” passando direttamente dallo stato gassoso allo stato solido.

Fiori di ghiaccio su laghi d’acqua dolce

Molto meno comune, invece, è la loro formazione sulle superfici ghiacciate dei laghi di acqua dolce, per il fatto che qui la quantità di sali a disposizione è, ovviamente, molto inferiore. Ricordiamo che il sale, un po’ come il pulviscolo atmosferico per le microscopiche goccioline di nube, accelera il processo di aggregazione e accrescimento dei microscopici cristalli di ghiaccio in formazione.

I fiori di brina, infatti, necessitano di una sorta di “nucleo di condensazione” sul quale iniziare a crescere, esattamente come per il vapore acqueo che va a formare le microscopiche goccioline di nube. In questo caso, però, si parla di “nuclei di congelamento”. Nella maggior parte dei casi fanno da nuclei di congelamento le irregolarità della superfice ghiacciata o i piccoli detriti al di sopra del ghiaccio stesso.

Più raramente il nucleo di congelamento può essere rappresentato da un piccolo cristallo di ghiaccio nell’aria, la così detta “polvere di diamante”. In questo caso, su un piccolo granello di polvere di diamante inizia a formarsi brina di superficie che ne aumenta la massa e lo fa depositare sulla superficie ghiacciata, e da qui il processo prosegue.

Quanto sono grandi i fiori di ghiaccio e da cosa dipendono le loro dimensioni

Nella situazione appena descritta si possono quindi formare i fiori di brina proprio perché, nonostante l’aria sia secca e, teoricamente, il vapore acqueo non sufficiente alla formazione della brina, il contenuto di umidità sotto forma di vapore acqueo sublimato dalla superficie ghiacciata crea le condizioni e l’ambiente ottimale per la crescita di cristalli di brina molto grandi.

Una volta iniziato l’accrescimento del fiore di brina, le sue dimensioni dipenderanno dallo spessore del sottile strato sovrasaturo descritto sopra. Tale spessore è determinato sia dalle condizioni ambientali della massa d’aria, come abbiamo visto, sia dalla turbolenza dell’aria. La presenza del vento, infatti, tende a creare turbolenza sulla superficie ghiacciata che in pratica distrugge la porzione sottile di aria sovrasatura necessaria per la formazione dei cristalli.

Lo sviluppo dimensionale dei cristalli in forma di punte o superfici piane con aspetto felciforme avviene proprio grazie alla grande quantità di vapore acqueo disponibile nel sottile strato di aria sovrassatura a contatto con il ghiaccio. Questo avviene perché non vi è contatto con la superficie del ghiaccio ed i cristalli non sono quindi minimamente influenzati dal “riscaldamento” da parte del ghiaccio stesso, nonostante la sua elevata conduttività termica.

Inutile dire che, quello che abbiamo appena descritto è di quanto più evanescente possa esserci in natura: basta, infatti, che le dita o un raggio di sole sfiorino appena queste meravigliose efflorescenze di filamenti ghiacciati per dissolverli in tantissime e minutissime goccioline d’acqua. E la magia si dissolve all’istante.

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