Liebhaber von Eiszapfen können sich freuen. Dr. Freeze hat sein Meisterwerk abgeliefert.
Stephen Morris, Professor für Physik an der Universität Toronto, nennt sich selbst nicht Dr. Freeze. Aber nach eigener Aussage ist er von Eiszapfen besessen. Er hat sie in der Umwelt beobachtet und sie in seinem Labor gezüchtet. Er hat Tausende von Fotos und Hunderte von Videos von Eiszapfen gesammelt, die sich unter verschiedenen Bedingungen bilden.
Und er hat versucht – und versucht es immer noch – die zugrundeliegende Theorie zu entschlüsseln, die ihr kaltes und spitzes Wesen bestimmt.
Und jetzt gibt er all das weg.
Er nennt es den Icicle Atlas. Es handelt sich dabei um eine Online-Datenbank, die fast alle seine bisherigen Eiszapfen-Forschungen enthält und von allen frei genutzt werden kann, egal ob Wissenschaftler, Künstler oder Weihnachtskarten-Designer.
Es ist eine ungewöhnlich große Menge an wissenschaftlichen Daten, die veröffentlicht werden – das Äquivalent von mehr als 200 DVDs – alles zum Thema Eiszapfen. Etwas Vergleichbares hat es noch nie gegeben. Und in einer Zeit, in der Physiker üblicherweise Nobelpreise für die Erforschung unsichtbarer Teilchen und Phänomene erhalten, die weit außerhalb der Reichweite der menschlichen Sinne liegen, ist dies ein wenig rebellisch.
„Ich interessiere mich für Muster in der Natur im Allgemeinen“, sagt Prof. Morris, dessen Fachgebiet offiziell nichtlineare Experimentalphysik heißt, das man aber genauso gut als Wissenschaft der Alltagserfahrung bezeichnen könnte.
„Ich bin hoch motiviert, Dinge zu verstehen, die ich vor mir sehe … Dinge, die für jeden offensichtlich sind, aber relativ unerklärt.“
Und wenn Prof. Morris über den Campus und durch die Straßen des Viertels von Toronto geht, in dem er lebt, sieht er Eiszapfen vor sich.
Beobachten Sie den faszinierenden Prozess der Erstellung eines Eiszapfen-Atlasses
ICICLE PLANET
Das erste, was man über Eiszapfen wissen sollte, ist, dass sie zwar ein natürliches Phänomen sind, aber in der Natur nicht leicht zu finden sind.
Bei einem Winterspaziergang im Wald werden Sie überall Eis und Schnee finden, aber nur wenige Eiszapfen. Wenn man durch das Sonnensystem reist, findet man praktisch überall gefrorenes Wasser, von der zerklüfteten Schlittschuhbahn-Oberfläche des Jupitermondes Europa bis zu den Tiefen der ständig beschatteten Krater auf dem sonnengebräunten Merkur. Aber keine Eiszapfen.
Nur hier auf der Erde – und größtenteils nur in nördlichen Städten – sind Eiszapfen ein relativ häufiges Merkmal. Das liegt daran, dass Eiszapfen zwei Dinge voraussetzen: eine Atmosphäre, die das Vorhandensein von Wasser ermöglicht, und die richtigen Bedingungen, in denen das Wasser tropft und dazu gebracht werden kann, genügend Wärme an die Luft abzugeben, um zu gefrieren.
In der Natur treten solche Umstände nur auf, wenn das Wasser nahe dem Gefrierpunkt und in vertikaler Bewegung ist, wie zum Beispiel in der Nähe von Wasserfällen oder entlang von Felswänden, die gefrorene Kaskaden bilden können.
Aber solche Orte sind selten. Erst das Aufkommen der Stadtlandschaft hat unsere Welt eiszapfenfreundlich gemacht. Eine typische kanadische Stadt aus dem 19. Jahrhundert ist im Grunde eine riesige Maschine zur Erzeugung von Eiszapfen. Wenn es um tropfendes Wasser geht, gibt es nichts Besseres als überhängende Dachvorsprünge und schlecht isolierte Dächer.
Das ist der Grund, warum man in den älteren Stadtteilen von Ottawa, Montreal und Toronto so viele Eiszapfen finden kann, um nur einige zu nennen. Und da er in einem Teil der Welt lebt, der für die Produktion von Eiszapfen optimiert ist, scheint es unvermeidlich, dass Prof. Morris irgendwann auf Eiszapfen aufmerksam wird.
DIE HOLLE WAHRHEIT
Eiszapfen sind von Natur aus für Physiker interessant, denn anders als die Umlaufbahn des Mondes oder die Struktur eines Atoms gibt es keine physikalische Theorie, die ihre genauen Formen und Eigenschaften bei bestimmten Ausgangsbedingungen zuverlässig vorhersagt. Und das Problem ist nicht nur ein akademisches. Eiszapfen gehören zu einer größeren Gruppe von Phänomenen, deren Vorhersage und Eindämmung ebenso schwierig ist, vom Wachstum von Hagelkörnern bis zur Eisbildung auf Flugzeugflügeln, Stromleitungen und Brücken.
Kurz gesagt, Eiszapfen bieten „ein klar definiertes, kompaktes wissenschaftliches Problem mit praktischen Anwendungen“, sagt Lasse Makkonen, ein leitender Wissenschaftler am VTT Technical Research Centre of Finland in Espoo.
Dr. Makkonen gehört zu den wenigen Wissenschaftlern, die sich mit den Details der Struktur und des Verhaltens von Eiszapfen beschäftigt haben. Seit den 1980er Jahren hat er eine mathematische Beschreibung des Wachstums von Eiszapfen entwickelt, die erklärt, warum Eiszapfen lang und spitz sind.
Während der gesunde Menschenverstand vorschreibt, dass das Wasser an allen Teilen eines Eiszapfens gleich schnell gefrieren sollte, ist es klar, dass die Spitze schneller wächst als die Seiten – bis zu 20 Mal schneller, sagt Dr. Makkonen. Das liegt daran, dass die Spitze eines Eiszapfens eine hohle Röhre bildet, die in den baumelnden Wassertropfen hineinwächst, wo sie sich verengt. Wenn das Tröpfchen regelmäßig fällt, wird Wärme abgeführt und die Spitze der Luft ausgesetzt. Die Luft stiehlt dann mehr Wärme und fördert das weitere Eiswachstum.
Dr. Makkonen erinnert sich, wie er auf dem Papier zu dem Schluss kam, dass Eiszapfen hohle Spitzen haben müssen, und dann eines Tages hinausging, um es in der realen Welt zu testen.
„Ich nahm eine Kiefernnadel und stieß sie in die Spitze eines Eiszapfens. Sie ging bis zum Anschlag hinein, etwa fünf Zentimeter. Es war ein komisches Gefühl: Ich habe es einfach zur Kenntnis genommen, keine Überraschung. Später schlugen Raymond Goldstein und Kollegen von der Universität Cambridge in Großbritannien eine Theorie für die Form eines tropfenden Eiszapfens vor – oder besser gesagt, für das platonische Ideal eines Eiszapfens. Während die Theorie die lange, spitz zulaufende Form reproduzierte, gab es Merkmale, die sie nicht reproduzieren konnte, darunter die Wellen.
Alle Eiszapfen, die in „freier Wildbahn“ gefunden werden, haben eine gewellte Oberfläche, wobei der Abstand zwischen den einzelnen Wellen im Durchschnitt etwa einen Zentimeter beträgt. Diese Zahl ist bemerkenswert konstant, unabhängig von der Temperatur und der Strömungsgeschwindigkeit.
Japanische Forscher des Institute of Low Temperature Science in Hokkaido haben die Riffelung von Eiszapfen untersucht. In einer Veröffentlichung aus dem Jahr 2002 stellten sie die These auf, dass sich die Wellen aufgrund einer „Oberflächeninstabilität“ des an einem Eiszapfen herabfließenden Wassers bilden – eine leichte Abweichung, die mit der Zeit zunimmt. Aber warum diese Instabilität besteht, konnten die japanischen Forscher nicht sagen.
An diesem Punkt, ab 2008, wurde Prof. Morris auf das Geheimnis der Eiszapfen aufmerksam – oder vielleicht auch umgekehrt.
Die Eiszapfenmaschine
Der Schlüssel zur Physik der Eiszapfen kann nur mit Daten entdeckt werden, entschied Prof. Morris, und zwar mit vielen Daten.
Aber das Abwarten von Eiszapfen, die sich im Freien bilden, ist weder bequem noch ein geeigneter Ansatz für eine kontrollierte Studie. In Zusammenarbeit mit seinem Doktoranden Antony Szu-Han Chen baute Prof. Morris in seinem Labor eine Eiszapfenmaschine.
Außen sieht die Maschine aus wie eine mit Styropor verkleidete Kiste mit einem schmalen Fenster, durch das eine Kamera Bilder von dem einfangen kann, was sich darin befindet. Dort umschließen gekühlte Wände einen etwa einen Meter hohen Raum mit einem rotierenden Holzdübel an der Spitze, auf den langsam gekühltes Wasser getropft wird und an dem Eiszapfen wachsen können. Durch die Drehung werden die Auswirkungen der Luftströmungen in der Box ausgeglichen und die Kamera kann alle Seiten eines Eiszapfens erfassen, während er sich entwickelt. Viele andere Modifikationen wurden vorgenommen, um sicherzustellen, dass die Maschine zuverlässig Eiszapfen züchten kann.
„Jeder sagt, dass es wie ein Projekt für eine Wissenschaftsmesse aussieht, aber es ist täuschend kompliziert“, sagt er.
Die Maschine ermöglichte es Prof. Morris und Herrn Chen, etwas zu tun, was niemand zuvor auf systematische Weise getan hatte: Eiszapfen wachsen zu lassen, immer und immer wieder, unter einer Vielzahl von Bedingungen. Sie machten viele, viele Fotos.
Schließlich entdeckten sie etwas, das niemand zuvor erkannt hatte: Die Wellen der Eiszapfen werden durch Verunreinigungen, wie z. B. Salze, im Wasser verursacht. Wenn destilliertes Wasser in der Eiszapfenmaschine verwendet wird, verschwinden die Wellen und die Eiszapfen sehen dem platonischen Ideal von Dr. Goldstein viel ähnlicher.
Wenn man nur eine winzige Menge Salz hinzufügt, etwa zwei Teile in 100.000 – das ist weniger als die gesamte Verunreinigung von normalem Leitungswasser -, kommen die Wellen zurück.
Die Arbeit ist „verblüffend“, sagt Dr. Goldstein, „weil die Antworten so unerwartet sind.“
Prof. Morris hat die Maschine auch benutzt, um Eiszapfen wachsen zu lassen, die entschieden unplatonisch sind, mit gedrungenen Formen, ausgedehnten Wellen und mehreren Ästen oder „Beinen“. All diese Beispiele sind im Eiszapfen-Atlas zu finden, der eine Sammlung gut vermessener Eisformen darstellt.
Das große Ziel ist jedoch noch nicht erreicht: eine Reihe mathematischer Gleichungen, die das gesamte Spektrum der Eiszapfenformen und die Umstände, unter denen sie auftreten, korrekt vorhersagen.
„Ich werde es schaffen“, sagt Prof. Morris über die schwer fassbare Theorie der Eiszapfen. „Dies ist ein langfristiges Projekt.“
THE ATLAS
Prof. Morris‘ Erkenntnisse haben über die Forschungsgemeinschaft hinaus Aufmerksamkeit erregt. Menschen in aller Welt haben ihm Fotos von Eiszapfen in verschiedenen Wachstumsstadien geschickt. Ein Unternehmer fragte ihn einmal, wie man aromatisierte Eiszapfen herstellen könnte, die man in einem Geschäft anbauen könnte. (Es ist schwieriger, als es klingt, und nicht sehr schmackhaft.) Später in diesem Frühjahr wird das Musikensemble Continuum aus Toronto ein Stück aufführen, das teilweise von Prof. Morris‘ Eiszapfen inspiriert wurde.
Es ist dieser ästhetische Reiz der Eiszapfen, der ihn dazu veranlasst hat, seine Daten uneingeschränkt zu veröffentlichen. „Ich hoffe, dass ich überrascht sein werde, was die Leute damit machen“, sagt er.
Für einige wird die Antwort einfach darin liegen, die digitalen Seiten des Atlas zu durchstöbern und Videos von Eiszapfen zu sehen, die in Prof. Morris‘ Maschine wachsen. Sie sind faszinierend.
Sie erinnern uns auch daran, dass die Eiszapfen noch einen anderen Aspekt haben – abgesehen von dem offensichtlichen. Als Nebenprodukte unserer verschwendeten Wärme sind sie ein Beweis für unsere Beharrlichkeit und sogar unseren Wohlstand angesichts einer kalten und unbarmherzigen Jahreszeit. Es ist eine Form von spontaner Schönheit, die entsteht, weil wir zufällig hier sind, um sie zu erleben.
Betrachte den Eiszapfen, sagt Stephen Morris, und freue dich.