Örüljenek a jégcsapok szerelmesei. Dr. Freeze elkészítette főművét.
Azért a jegyzőkönyv kedvéért: Stephen Morris, a Torontói Egyetem fizikaprofesszora nem nevezi magát Dr. Freeze-nek. De saját bevallása szerint a jégcsapok megszállottja. Megfigyelte őket a környezetben, és a laboratóriumában is termesztette őket. Több ezer fényképet és több száz videót gyűjtött össze a különböző körülmények között kialakuló jégcsapokról.
És megpróbálta – és még mindig próbálja – megfejteni a hideg és hegyes lényegüket szabályozó elméletet.
És most mindezt elajándékozza.
Jégcsapatlasznak nevezi. Ez egy online adatbázis, amely szinte az összes eddigi jégcsapkutatását tartalmazza, és bárki szabadon, korlátozás nélkül használhatja, legyen az tudós, művész vagy karácsonyi képeslaptervező.
Szokatlanul nagy mennyiségű tudományos adatot tesz közzé – több mint 200 DVD-nek megfelelő mennyiséget -, amely mind a jégcsapokról szól. Ilyesmire még nem volt példa. És egy olyan korban, amikor a fizikusok általában Nobel-díjat nyernek a láthatatlan részecskék és az emberi érzékszervek hatókörén messze kívül eső jelenségek tanulmányozásáért, ez egy kicsit lázadó.
“Engem általában a természet mintái érdekelnek” – mondja prof. Morris, akinek szakterületét hivatalosan kísérleti nemlineáris fizikának nevezik, de ugyanilyen könnyen nevezhetnénk a mindennapi tapasztalat tudományának is.
“Nagyon motivált vagyok, hogy megértsem azokat a dolgokat, amelyeket magam előtt látok… olyan dolgokat, amelyek mindenki számára nyilvánvalóak, de viszonylag megmagyarázatlanok.”
És amikor Morris professzor sétál az egyetemen és a torontói városrész utcáin, ahol él, jégcsapokat lát maga előtt.
Nézze meg a jégcsapatlasz építésének megigéző folyamatát
Jégcsapplatán
A jégcsapokkal kapcsolatban először is azt kell értékelni, hogy bár természetes jelenség, a természetben nem könnyű megtalálni őket.
Tegyen egy téli sétát az erdőben, és mindenütt jeget és havat talál, de kevés jégcsapot. Ha beutazod a Naprendszert, gyakorlatilag minden zugban fagyott vizet fedezhetsz fel, a Jupiter Europa nevű holdjának töredezett korcsolyapálya-felszínétől kezdve a napégette Merkúr állandóan árnyékban lévő krátereinek mélyéig. De jégcsapokat nem.
Csak itt a Földön – és többnyire csak az északi városokban – viszonylag gyakoriak a jégcsapok. Ennek az az oka, hogy a jégcsapoknak két dologra van szükségük: olyan légkörre, amely lehetővé teszi a víz létezését, és a megfelelő körülményekre, ahol a víz csöpög, és rá lehet venni, hogy elegendő hőt adjon át a levegőnek ahhoz, hogy megfagyjon.
A tisztán természetes környezetben ilyen körülmények csak ott fordulnak elő, ahol a víz közel van a fagyponthoz és függőleges mozgásban van, például vízesések körül, vagy sziklafalak mentén szivárog, amelyek fagyott vízeséseket alkothatnak.
De ilyen helyek ritkák. A városi tájak megjelenése tette világunkat jégcsapbaráttá. Egy tipikus 19. századi kanadai város lényegében egy óriási jégcsaptermelő gépezet. Ha csöpögő vízre van szükségünk, akkor a túlnyúló ereszek és a rosszul szigetelt háztetők ellen egyszerűen nincs mit tenni.
Ez magyarázza, hogy miért találunk annyi jégcsapot többek között Ottawa, Montreal és Toronto régebbi részein. És mivel a világnak egy olyan részén él, amely a jégcsaptermelésre optimalizált, elkerülhetetlennek tűnik, hogy a jégcsapok végül Morris professzor figyelmébe kerüljenek.
A HOLLOW TRUTH
A jégcsapok eredendően érdekesek a fizikusok számára, mert a Hold pályájával vagy az atom szerkezetével ellentétben nincs olyan fizikai elmélet, amely megbízhatóan megjósolná a pontos alakjukat és jellemzőiket egy adott kezdeti feltételrendszer mellett. És a probléma nem csak tudományos jellegű. A jégcsapok a jelenségek egy nagyobb csoportjába tartoznak, amelyek előrejelzése és mérséklése ugyanolyan kihívást jelent, a jégesők növekedésétől kezdve a repülőgépek szárnyain, a villanyvezetékeken és a hidakon felhalmozódó jégig.
Röviden, a jégcsapok “jól körülhatárolt, kompakt tudományos problémát jelentenek, gyakorlati alkalmazásokkal” – mondja Lasse Makkonen, a finn VTT Műszaki Kutatóközpont vezető tudósa Espooban.
Dr. Makkonen azon kevés tudósok közé tartozik, akik a jégcsapok szerkezetének és viselkedésének részleteibe merültek. Az 1980-as évektől kezdve kidolgozta a jégcsapok növekedésének matematikai leírását, amely segít megmagyarázni, miért hosszúak és hegyesek a jégcsapok.
Míg a józan ész azt diktálja, hogy a víznek a jégcsap minden részén azonos sebességgel kellene megfagynia, Dr. Makkonen szerint egyértelmű, hogy a csúcs gyorsabban növekszik, mint az oldalai – akár hússzor gyorsabban. Ez azért van, mert a jégcsap csúcsa egy üreges csövet képez, amely belenő a lógó vízcseppbe, ahol az összeszűkül. Ahogy a csepp időszakosan leesik, elviszi a hőt, és a csúcsot kiteszi a levegőnek. A levegő így még több hőt vesz el, és elősegíti a jég további növekedését.
Dr. Makkonen visszaemlékszik arra, hogy papíron jutott arra a következtetésre, hogy a jégcsapoknak üreges csúcsuknak kell lennie, majd egy nap elment, hogy ezt a valóságban is kipróbálja.
“Fogtam egy fenyőtűt, és belenyomtam egy jégcsap csúcsába. Egészen belemászott, körülbelül öt centimétert. Furcsa érzés volt: Csak megjegyeztem, nem volt meglepetés. Ennek így kellett lennie.”
Később Raymond Goldstein és kollégái a brit Cambridge-i Egyetemen elméletet javasoltak a csepegő jégcsap alakjára – vagy inkább a jégcsap platóni ideáljára. Bár az elmélet reprodukálta a hosszú, hegyes formát, voltak olyan tulajdonságok, amelyeket nem tudott reprodukálni, például a hullámosságot.
A “vadonban” talált jégcsapok felülete hullámos, és az egyes hullámos hullámok közötti távolság átlagosan körülbelül egy centiméter. Ez a szám figyelemre méltóan állandó, függetlenül a hőmérséklettől és az áramlási sebességtől.
A jégcsapok hullámosságát a hokkaidói Alacsony Hőmérsékletű Tudományos Intézet japán kutatói tanulmányozták. Egy 2002-es publikációjukban azt állították, hogy a hullámok a jégcsapon lefelé áramló víz “felületi instabilitása” miatt alakulnak ki – egy kis eltérés, amely idővel hajlamos növekedni. De hogy ez az instabilitás miért létezik, azt a japán kutatók nem tudták megmondani.
Ez volt az a pont, amikor Morris professzor 2008-tól kezdve megragadta a jégcsap rejtélyét – vagy talán fordítva.
A JÉGCSAPOK GÉPE
A jégcsapok fizikájának kulcsát csak adatokkal lehet felfedezni, döntött Morris professzor, méghozzá bőségesen.
De a jégcsapok kialakulására várni a szabadban nem kényelmes és nem is megfelelő megközelítés egy ellenőrzött vizsgálathoz. Egy végzős hallgatóval, Antony Szu-Han Chennel együttműködve Morris professzor egy jégcsapgép építésébe kezdett a laboratóriumában.
Kívülről a gép úgy néz ki, mint egy hungarocellel borított doboz, amelynek keskeny ablakán egy kamera rögzíthet képeket arról, ami benne van. Odabent hűtött falak vesznek körül egy körülbelül egy méter magas hűtött teret, amelynek tetején egy forgó facsap van, amelyre lassan hűtött vizet csepegtetnek, és ahol jégcsapok nőhetnek. A forgás kiegyenlíti a dobozban lévő légáramlatok hatását, és lehetővé teszi, hogy a kamera a jégcsap minden oldalát megörökítse, amint az kifejlődik. Rengeteg más módosítás is történt, hogy a gép megbízhatóan tudjon jégcsapokat növeszteni.
“Mindenki azt mondja, hogy úgy néz ki, mint egy tudományos kiállítási projekt, de ez megtévesztően bonyolult” – mondja.
A gép lehetővé tette Morris professzornak és Chen úrnak, hogy szisztematikusan elvégezze azt, amit korábban még senki sem tett: jégcsapokat növesszen, újra és újra, a legkülönbözőbb körülmények között. Sok-sok képet készítettek.
Végül felfedeztek valamit, amire korábban senki sem jött rá: A jégcsapok fodrozódását a vízben lévő szennyeződések, például sók okozzák. Ha desztillált vizet használnak a jégcsapgépben, a fodrozódás eltűnik, és a jégcsapok sokkal jobban hasonlítanak Dr. Goldstein platóni ideáljához.
Ha csak egy parányi mennyiségű sót adnak hozzá, körülbelül két rész 100 000-ből – ami kevesebb, mint a hagyományos csapvíz összes szennyeződése -, a fodrozódás visszatér.
A munka “lenyűgöző”, mondja Dr. Goldstein, “mert a válaszok annyira váratlanok.”
Morris professzor olyan jégcsapok növesztésére is használta a gépet, amelyek határozottan nem plátóiak, zömök formájúak, kiterjedt hullámokkal és több ággal vagy “lábbal”. Mindezek a példák megtalálhatók a Jégcsapatlaszban, amely a jól mért jégformák tárházát képezi.
A nagyobb cél azonban még várat magára: egy olyan matematikai egyenletkészlet, amely helyesen jelzi előre a jégcsapformák teljes skáláját és azokat a körülményeket, amelyek között azok megjelennek.
“El fogok jutni odáig” – mondja Morris professzor a jégcsapok megfoghatatlan elméletéről. “Ez egy hosszú távú projekt.”
THE ATLAS
Prof. Morris eredményei a kutatóközösségen kívül is figyelmet keltettek. A világ minden tájáról küldtek neki fotókat különböző növekedési állapotú jégcsapokról. Egy vállalkozó egyszer azzal kereste meg, hogyan lehetne ízesített jégcsapokat készíteni, amelyeket egy üzletben lehetne termeszteni. (Ez nehezebb, mint amilyennek hangzik, és nem túl ízletes.) Még idén tavasszal a torontói Continuum zenei együttes előad egy darabot, amelyet részben Morris professzor jégcsapjai ihlettek.
A jégcsapok eme esztétikai vonzereje késztette arra, hogy korlátozások nélkül nyilvánosságra hozza az adatait: “Remélem, meglepődöm, hogy az emberek mit kezdenek vele” – mondja.”
Egyesek számára a válasz egyszerűen az Atlasz digitális oldalainak böngészésében és a Morris professzor gépében növekvő jégcsapokról készült videók megtekintésében rejlik majd. Elbűvölőek.
Ezek arra is emlékeztetnek bennünket, hogy a jégcsapoknak van egy másik értelme is – a nyilvánvaló mellett. Mint elpazarolt hőnk melléktermékei, a hideg és könyörtelen évszakkal szembeni kitartásunk, sőt jólétünk bizonyítékai. Ez a spontán szépség egy formája, ami azért történik, mert történetesen itt vagyunk, hogy tanúi legyünk.
Mondja Stephen Morris, gondolj a jégcsapra, és örülj neki.