Rejoice istavleelskere. Dr. Freeze har leveret sit hovedværk.
For the record, Stephen Morris, professor i fysik ved University of Toronto, kalder sig ikke Dr. Freeze. Men efter eget udsagn er han besat af istapper. Han har observeret dem i miljøet og dyrket dem i sit laboratorium. Han har samlet tusindvis af billeder og hundredvis af videoer af istapper, der dannes under forskellige forhold.
Og han har forsøgt – og forsøger stadig – at finde ud af den underliggende teori, der styrer deres kolde og spidse væsen.
Og nu giver han det hele væk.
Han kalder det Icicle Atlas. Det er en onlinedatabase, der indeholder næsten al hans istappeforskning til dato, og den er gratis for alle til ubegrænset brug, uanset om de er forskere, kunstnere eller julekortdesignere.
Det er en ualmindelig stor mængde videnskabelige data at offentliggøre – det svarer til mere end 200 dvd’er – alt sammen dedikeret til istapper. Der har aldrig været noget lignende. Og i en tid, hvor fysikere typisk vinder nobelpriser for at studere usynlige partikler og fænomener, der ligger langt uden for de menneskelige sansers rækkevidde, er det bare en lille smule oprørsk.
“Jeg er interesseret i mønstre i naturen generelt”, siger prof. Morris, hvis ekspertiseområde officielt kaldes eksperimentel ikke-lineær fysik, men som lige så godt kunne beskrives som videnskaben om hverdagsoplevelser.
“Jeg er stærkt motiveret af at forstå ting, som jeg ser foran mig … ting, som er åbenlyse for alle, men som er relativt uforklarlige.”
Og når professor Morris går rundt på campus og i gaderne i det kvarter i Toronto, hvor han bor, er istapper det, han ser foran sig.
Se den hypnotiserende proces med at bygge et istavleatlas
ICICICLE PLANET
Den første ting, man skal sætte pris på ved istapper, er, at selv om de er et naturfænomen, er de ikke let at finde i naturen.
Tag en vintertur i skoven, og du vil finde is og sne overalt, men kun få istapper. Rejs rundt i solsystemet, og du vil opdage frosset vand i stort set alle kroge og hjørner, lige fra den knækkede skøjtebaneoverflade på Jupiters måne Europa til dybderne af permanent skyggede kratere på det solbrændte Merkur. Men ingen istapper.
Det er kun her på Jorden – og for det meste kun i nordlige byer – at istapper er et relativt almindeligt træk. Det skyldes, at istapper kræver to ting: en atmosfære, der muliggør eksistensen af vand, og de rette forhold, hvor vandet drypper og kan overtales til at overføre nok varme til luften til at fryse.
I rent naturlige omgivelser opstår sådanne omstændigheder kun, hvor vandet er tæt på frysepunktet og i lodret bevægelse, f.eks. omkring vandfald eller siver langs klippevægge, der kan danne frosne kaskader.
Men sådanne steder er sjældne. Det var bylandskabets ankomst, der gjorde vores verden istappevenlig. En typisk canadisk by fra det 19. århundrede er i bund og grund en gigantisk maskine til at generere istapper. Hvis det er dryppende vand, du har brug for, kan du bare ikke slå de overhængende tagudhæng og dårligt isolerede hustage.
Det forklarer, hvorfor der er så mange istapper at finde i de ældre dele af Ottawa, Montreal og Toronto, blandt andre steder. Og fordi han bor i en del af verden, der er optimeret til produktion af istapper, synes det uundgåeligt, at istapper i sidste ende ville komme til professor Morris’ opmærksomhed.
Den hule sandhed
Icikler er i sagens natur interessante for fysikere, fordi der i modsætning til månens bane eller et atoms struktur ikke findes nogen fysisk teori, der pålideligt forudsiger deres præcise former og egenskaber givet et bestemt sæt af begyndelsesbetingelser. Og problemet er ikke kun et akademisk problem. Icicles hører til et større sæt af fænomener, som det er lige så vanskeligt at forudsige og afhjælpe, lige fra haglkorns vækst til ophobning af is på flyvinger, højspændingsledninger og broer.
Kort sagt er istapper “et veldefineret, kompakt videnskabeligt problem med praktiske anvendelser”, siger Lasse Makkonen, der er chefforsker ved VTT Technical Research Centre of Finland i Espoo.
Dr. Makkonen er blandt den håndfuld forskere, der er gået i dybden med detaljerne i istappers struktur og adfærd. Fra 1980’erne udviklede han en matematisk beskrivelse af istappernes vækst, som er med til at forklare, hvorfor istapper er lange og spidse.
Mens den sunde fornuft siger, at vand burde fryse lige hurtigt på alle dele af en istappe, er det klart, at spidsen vokser hurtigere end siderne – op til 20 gange hurtigere, siger Dr. Makkonen. Det skyldes, at spidsen af en istavle danner et hult rør, der vokser ind i den dinglende vanddråbe, hvor den bliver smallere. Når dråben med jævne mellemrum falder ned, transporterer den varmen væk og udsætter spidsen for luften. Luften stjæler så mere varme og fremmer yderligere isvækst.
Dr. Makkonen husker, at han nåede frem til den konklusion på papiret, at istapper må have hule spidser, og at han en dag tog ud for at afprøve det i den virkelige verden.
“Jeg tog en fyrrenål og skubbede den ind i spidsen af en istap. Den gik helt ind hele vejen, omkring fem centimeter. Det var en sjov følelse: Jeg bemærkede det bare, ingen overraskelse. Det måtte være sådan.”
Senere foreslog Raymond Goldstein og kolleger på University of Cambridge i Storbritannien en teori om formen af en dryppende istavle – eller rettere sagt det platoniske ideal af en istavle. Mens teorien reproducerede den lange spidse form, var der træk, som den ikke kunne gengive, herunder krusninger.
Alle istapper, der er fundet i “naturen”, har krusede overflader, hvor afstanden mellem hver bølget krusning i gennemsnit er omkring en centimeter eller deromkring. Dette tal er bemærkelsesværdigt ensartet, uanset temperatur og strømningshastighed.
Iciklernes krusninger er blevet undersøgt af japanske forskere ved Institute of Low Temperature Science på Hokkaido. I en publikation fra 2002 antog de, at krusninger dannes på grund af en “overfladeinstabilitet” i det vand, der strømmer ned ad en istavle – en lille afvigelse, der har tendens til at vokse over tid. Men hvorfor denne ustabilitet eksisterer, kunne de japanske forskere ikke sige.
Det var på det tidspunkt, fra 2008, at professor Morris fik fat i istavle-mysteriet – eller måske omvendt.
Den istappe-maskine
Nøglen til istappernes fysik kan kun findes med data, besluttede professor Morris, og masser af dem.
Men at vente på, at istapper dannes udendørs, er hverken en bekvem eller egnet fremgangsmåde til en kontrolleret undersøgelse. I samarbejde med en kandidatstuderende, Antony Szu-Han Chen, gik professor Morris i gang med at bygge en istappe-maskine i sit laboratorium.
Udvendigt ligner maskinen en styroporbeklædt kasse med et smalt vindue til et kamera, der kan optage billeder af det, der ligger indeni. Derinde omslutter kølevægge et afkølet rum på omkring en meters højde med en roterende træpind i toppen, hvorpå der langsomt dryppes koldt vand, og hvor der kan vokse istapper. Rotationen udligner virkningerne af luftstrømmene i kassen og gør det muligt for kameraet at fange alle sider af en istavle, efterhånden som den udvikler sig. Der er udviklet en masse andre modifikationer for at sikre, at maskinen kan dyrke istapper på pålidelig vis.
“Alle siger, at det ligner et projekt til en videnskabsmesse, men det er bedragerisk kompliceret,” siger han.
Maskinen gjorde det muligt for professor Morris og Chen at gøre noget, som ingen tidligere havde gjort på en systematisk måde: dyrke istapper igen og igen under en lang række forskellige forhold. De tog masser og masser af billeder.
I sidste ende opdagede de noget, som ingen havde opdaget før: Icicle ripples er forårsaget af urenheder, såsom salte, i vandet. Når der bruges destilleret vand i istavlemaskinen, forsvinder krusningerne, og istapperne kommer til at ligne Dr. Goldsteins platoniske ideal meget mere.
Sæt blot en meget lille mængde salt til, ca. to dele ud af 100.000 – hvilket er mindre end den samlede urenhed i almindeligt vand fra hanen – og krusningerne kommer tilbage.
Arbejdet er “fantastisk”, siger dr. Goldstein, “fordi svarene er så uventede.”
Prof. Morris har også brugt maskinen til at dyrke istapper, der er decideret ikke-platoniske, med firkantede former, omfattende krusninger og flere grene eller “ben”. Alle disse eksempler kan findes i Icicle Atlas, som udgør et arkiv af velmålte isformer.
Men det større mål er endnu ikke nået: et sæt matematiske ligninger, der korrekt forudser hele spektret af istappeformer og de omstændigheder, hvorunder de vil opstå.
“Jeg skal nok nå dertil,” siger professor Morris om den flygtige teori om istapper. “Det er et langsigtet projekt.”
THE ATLAS
Prof. Morris’ resultater har tiltrukket sig opmærksomhed uden for forskersamfundet. Folk over hele verden har sendt ham billeder af istapper i forskellige vækststadier. En iværksætter henvendte sig engang til ham om, hvordan man kunne lave istapper med smag, som kunne dyrkes i en butik. (Det er sværere, end det lyder, og ikke særlig velsmagende.) Senere på foråret vil musikensemblet Continuum fra Toronto opføre et stykke, der delvis er inspireret af professor Morris’ istapper.
Det er denne æstetiske appel af istapper, der har tvunget ham til at offentliggøre sine data uden begrænsninger. “Jeg håber at blive overrasket over, hvad folk gør med dem”, siger han.
For nogle vil svaret blot ligge i at bladre på de digitale sider i Atlas og se videoer af istapper, der vokser i professor Morris’ maskine. De er fascinerende.
De minder os også om, at der er endnu en pointe med istapper – ud over den indlysende pointe. Som biprodukter af vores spildte varme er de et bevis på vores vedholdenhed og endda vores velstand i lyset af en kold og ubarmhjertig årstid. Det er en form for spontan skønhed, der opstår, fordi vi tilfældigvis er her for at være vidne til den.
Tænk på istappen, siger Stephen Morris, og glæd dig.