Ilo jääpuikkojen ystäville. Tohtori Freeze on toimittanut pääteoksensa.
Tiedoksi: Stephen Morris, fysiikan professori Toronton yliopistosta, ei kutsu itseään tohtori Freezeksi. Mutta omien sanojensa mukaan hänellä on pakkomielle jääpuikkoihin. Hän on havainnut niitä ympäristössä ja kasvattanut niitä laboratoriossaan. Hän on kerännyt tuhansia valokuvia ja satoja videoita jääpuikkojen muodostumisesta erilaisissa olosuhteissa.
Ja hän on yrittänyt – ja yrittää edelleen – arvuutella teoriaa, joka hallitsee niiden kylmää ja teräväkärkistä olemusta.
Ja nyt hän antaa kaiken sen pois.
Hän kutsuu sitä nimellä Icicle Atlas. Se on verkkotietokanta, joka sisältää lähes kaiken hänen tähänastisen jääpuikkotutkimuksensa, ja se on vapaasti kaikkien käytettävissä rajoituksetta, olivatpa he sitten tiedemiehiä, taiteilijoita tai joulukorttien suunnittelijoita.
Se on harvinaisen suuri määrä tieteellistä tietoa julkistettavaksi – yli 200 DVD-levyn verran – ja kaikki on omistettu jääpuikoille. Mitään vastaavaa ei ole koskaan ollut. Ja aikakaudella, jolloin fyysikot yleensä voittavat Nobel-palkintoja tutkimalla näkymättömiä hiukkasia ja ilmiöitä, jotka ovat kaukana ihmisen aistien ulottumattomissa, se on vain hieman kapinallinen.
”Olen kiinnostunut luonnossa esiintyvistä kuvioista yleensä”, sanoo prof. Morris, jonka erikoisalaa kutsutaan virallisesti kokeelliseksi epälineaariseksi fysiikaksi, mutta jota voisi yhtä hyvin kuvata jokapäiväisen kokemuksen tieteeksi.
”Olen erittäin motivoitunut ymmärtämään asioita, joita näen edessäni … asioita, jotka ovat kaikille ilmeisiä, mutta jotka ovat suhteellisen selittämättömiä.”
Ja kun professori Morris kävelee kampuksella ja sen Toronton kaupunginosan kaduilla, jossa hän asuu, hän näkee edessään jääpuikkoja.
Katsele kiehtovaa prosessia, jossa rakennetaan Jääpuikkoatlas
ICICICLE PLANET
Jääpuikkoja kannattaa ensinnäkin arvostaa siinä, että vaikka ne ovatkin luonnonilmiö, niitä ei löydy helposti luonnosta.
Käy talvella kävelylenkillä metsässä, ja löydät jäätä ja lunta kaikkialta, mutta vain vähän jääpuikkoja. Matkusta pitkin aurinkokuntaa ja voit havaita jäätynyttä vettä käytännöllisesti katsoen joka kolkasta, Jupiterin Europa-kuun murtuneesta luistinradan pinnasta auringon paahtaman Merkuriuksen pysyvästi varjossa olevien kraatterien syvyyksiin. Mutta ei jääpuikkoja.
Vain täällä maapallolla – ja suurimmaksi osaksi vain pohjoisissa kaupungeissa – jääpuikot ovat suhteellisen yleinen piirre. Tämä johtuu siitä, että jääpuikot vaativat kaksi asiaa: ilmakehän, joka mahdollistaa veden olemassaolon, ja oikeat olosuhteet, joissa vesi tippuu ja voidaan houkutella siirtämään ilmaan tarpeeksi lämpöä jäätyäkseen.
Puhtaasti luonnollisissa olosuhteissa tällaisia olosuhteita syntyy vain silloin, kun vesi on lähellä jäätymispistettä ja pystysuuntaisessa liikkeessä, kuten vesiputousten ympärillä tai tihkuu pitkin jyrkänteiden seinämiä, jotka voivat muodostaa jäätyneitä vesiputousvesiputouksia.
Mutta tällaiset paikat ovat harvassa. Vasta kaupunkimaiseman tulo teki maailmastamme jääpuikkoystävällisen. Tyypillinen 1800-luvun kanadalainen kaupunki on pohjimmiltaan jättimäinen jääpuikkoja tuottava kone. Jos tarvitset tippuvaa vettä, et vain voi päihittää roikkuvia räystäitä ja huonosti eristettyjä kattoja.
Tämä selittää, miksi muun muassa Ottawan, Montrealin ja Toronton vanhoissa kaupunginosissa on niin paljon jääpuikkoja. Ja koska hän asuu osassa maailmaa, joka on optimoitu jääpuikkojen tuotantoon, näyttää väistämättömältä, että jääpuikot päätyisivät lopulta professori Morrisin tietoisuuteen.
HOLLOW TRUTH
Jääpuikot ovat luonnostaan kiinnostavia fyysikoille, koska toisin kuin kuun kiertoradalla tai atomin rakenteessa, ei ole olemassa mitään fysikaalista teoriaa, joka luotettavasti ennustaa niiden tarkat muodot ja ominaisuudet tietyssä joukossa alkuolosuhteita. Ongelma ei ole pelkästään akateeminen. Jääpuikot kuuluvat laajempaan joukkoon ilmiöitä, joiden ennustaminen ja lieventäminen on yhtä haastavaa, aina raekuurojen kasvusta jään kertymiseen lentokoneiden siipiin, voimalinjoihin ja siltoihin.
Lyhyesti sanottuna jääpuikot tarjoavat ”hyvin määritellyn, kompaktin tieteellisen ongelman, jolla on käytännöllisiä sovelluksia”, sanoo Lasse Makkonen, johtava tutkija VTT:n Teknillisessä tutkimuskeskuksessa Espoossa.
Tohtori Makkonen kuuluu niihin harvoihin tutkijoihin, jotka ovat perehtyneet jääpuikkojen rakenteen ja käyttäytymisen yksityiskohtiin. Hän kehitti 1980-luvulta lähtien matemaattisen kuvauksen jääpuikon kasvusta, joka auttaa selittämään, miksi jääpuikot ovat pitkiä ja teräväkärkisiä.
Vaikka maalaisjärki sanelee, että veden pitäisi jäätyä yhtä nopeasti jääpuikon kaikissa osissa, on selvää, että jääpuikon kärki kasvaa nopeammin kuin sivut – jopa 20 kertaa nopeammin, tohtori Makkonen sanoo. Tämä johtuu siitä, että jääpuikon kärki muodostaa onton putken, joka kasvaa roikkuvaan vesipisaraan, jossa se kapenee. Kun pisara ajoittain putoaa, se kuljettaa lämpöä pois ja altistaa kärjen ilmalle. Ilma varastaa sitten lisää lämpöä ja edistää jään kasvua entisestään.
Tohtori Makkonen muistelee tehneensä paperilla johtopäätöksen, jonka mukaan jääpuikoilla on oltava ontto kärki, ja lähteneensä sitten eräänä päivänä testaamaan sitä tosielämässä.
”Otin männynneulan ja työnsin sen jääpuikon kärkeen. Se meni sisään kokonaan, noin viisi senttiä. Se oli hassu tunne: Minä vain totesin sen, ei mitään yllätystä. Sen oli pakko olla niin.”
Myöhemmin Raymond Goldstein ja kollegat Cambridgen yliopistossa Britanniassa esittivät teorian tippuvan jääpuikon muodosta – tai pikemminkin jääpuikon platonisesta ihanteesta. Vaikka teoria toisti pitkän, teräväkärkisen muodon, oli piirteitä, joita se ei kyennyt toistamaan, kuten aaltoilua.
Kaikkien ”luonnosta” löytyneiden jääpuikkojen pinnat ovat aaltoilevia, ja jokaisen aaltoilevan aaltoilun etäisyys toisistaan on keskimäärin noin senttimetri. Tämä määrä on huomattavan tasainen lämpötilasta ja virtausnopeudesta riippumatta.
Jääpuikkojen aaltoilua ovat tutkineet japanilaiset tutkijat Hokkaidon matalalämpötilatutkimuslaitoksessa. Vuonna 2002 julkaistussa julkaisussaan he esittivät, että aaltoilu johtuu jääpuikkoa pitkin virtaavan veden ”pintaepävakaudesta” – pienestä poikkeamasta, jolla on taipumus kasvaa ajan myötä. Mutta siitä, miksi tämä epävakaus on olemassa, japanilaiset tutkijat eivät osanneet sanoa.
Tässä vaiheessa, vuodesta 2008 alkaen, professori Morris tarttui jääpuikkojen mysteeriin – tai ehkä päinvastoin.
JÄÄTIKKUKONE
Avain jääpuikkojen fysiikkaan saadaan selville vain datan avulla, päätti professori Morris, ja paljon dataa.
Mutta jääpuikkojen muodostumisen odottaminen ulkona ei ole kätevä eikä sopiva lähestymistapa kontrolloituun tutkimukseen. Työskennellessään yhdessä jatko-opiskelijansa Antony Szu-Han Chenin kanssa professori Morris ryhtyi rakentamaan laboratorioonsa jääpuikkokoneen.
Ulkoapäin kone näyttää styroksilla päällystetyltä laatikolta, jossa on kapea ikkuna kameraa varten, jotta sen sisältä voidaan ottaa kuvia. Siellä jäähdytetyt seinät sulkevat sisäänsä noin metrin korkuisen jäähdytetyn tilan, jonka yläosassa on pyörivä puutulppa, johon tiputetaan hitaasti jäähdytettyä vettä ja jossa voi kasvaa jääpuikkoja. Pyöriminen tasaa laatikossa olevien ilmavirtausten vaikutuksia, ja kamera voi kuvata jääpuikon kaikki puolet sen kehittyessä. Koneeseen on tehty paljon muitakin muutoksia sen varmistamiseksi, että se pystyy kasvattamaan jääpuikkoja luotettavasti.
”Kaikki sanovat, että se näyttää luonnontieteelliseltä projektilta, mutta se on petollisen monimutkainen”, hän sanoo.
Koneen avulla professori Morris ja herra Chen pystyivät tekemään jotain, mitä kukaan ei ollut aiemmin tehnyt systemaattisesti: kasvattamaan jääpuikkoja yhä uudelleen ja uudelleen monenlaisissa olosuhteissa. He ottivat paljon ja paljon kuvia.
Lopulta he löysivät jotakin, mitä kukaan ei ollut aiemmin tajunnut: Jääpuikkojen aaltoilu johtuu vedessä olevista epäpuhtauksista, kuten suoloista. Kun tislattua vettä käytetään jääpuikkokoneessa, aaltoilu häviää ja jääpuikot näyttävät paljon enemmän tohtori Goldsteinin platoniselta ihanteelta.
Lisätään vain häviävän pieni määrä suolaa, noin kaksi osaa 100 000:sta – mikä on vähemmän kuin tavallisen vesijohtoveden epäpuhtauksien kokonaismäärä – ja aaltoilu palaa.
Tohtori Goldstein sanoo, että työ on ”tyrmäävää”, ”koska vastaukset ovat niin odottamattomia.”
Prof. Morris on myös käyttänyt konetta kasvattaakseen jääpuikkoja, jotka ovat selvästi epäplatonisia, kyykkyjä, laajoja aaltoiluja ja useita haaroja tai ”jalkoja”. Kaikki nämä esimerkit löytyvät Jääpuikkoatlaksesta, joka muodostaa hyvin mitattujen jään muotojen arkiston.
Mutta suurempi tavoite on vielä saavuttamatta: matemaattiset yhtälöt, jotka ennakoivat oikein kaikki jääpuikkomuodot ja olosuhteet, joissa ne esiintyvät.
”Aion päästä perille”, professori Morris sanoo vaikeasti saavutettavasta jääpuikkoteoriasta. ”Tämä on pitkäaikainen projekti.”
THE ATLAS
Prof. Morrisin havainnot ovat herättäneet huomiota muuallakin kuin tutkimusyhteisössä. Ihmiset ympäri maailmaa ovat lähettäneet hänelle kuvia jääpuikoista eri kasvuvaiheissa. Eräs yrittäjä lähestyi häntä kerran kysymällä, miten voisi valmistaa maustettuja jääpuikkoja, joita voisi kasvattaa kaupassa. (Se on vaikeampaa kuin miltä se kuulostaa, eikä se ole kovin maukasta.) Myöhemmin tänä keväänä Toronton musiikkiyhtye Continuum esittää teoksen, joka on osittain saanut inspiraationsa professori Morrisin jääpuikoista.
Juuri tämä jääpuikkojen esteettinen viehätysvoima on pakottanut hänet julkistamaan tietonsa rajoituksetta: ”Toivon yllättyväni siitä, mitä ihmiset tekevät niillä”, hän sanoo.
Joidenkin mielestä vastaus on yksinkertaisesti Atlaksen digitaalisten sivujen selaaminen ja videoiden katseleminen siitä, miten jääpuikot kasvavat professori Morrisin koneessa. Ne ovat lumoavia.
Ne myös muistuttavat meitä siitä, että jääpuikoissa on toinenkin pointti – ilmeisen lisäksi. Tuhlaamamme lämmön sivutuotteina ne ovat todiste sitkeydestämme ja jopa hyvinvoinnistamme kylmän ja armottoman vuodenajan edessä. Se on eräänlaista spontaania kauneutta, joka tapahtuu, koska satumme olemaan täällä todistamassa sitä.
Katsokaa jääpuikkoa, Stephen Morris sanoo, ja iloitkaa.