Relatevi amanti dei ghiaccioli. Il Dr. Freeze ha consegnato il suo opus magnum.
Per la cronaca, Stephen Morris, professore di fisica all’Università di Toronto, non si fa chiamare Dr. Freeze. Ma per sua stessa ammissione, è ossessionato dai ghiaccioli. Li ha osservati nell’ambiente e li ha fatti crescere nel suo laboratorio. Ha accumulato migliaia di foto e centinaia di video di ghiaccioli che si formano in diverse condizioni.
E ha cercato – e sta ancora cercando – di capire la teoria sottostante che regola la loro essenza fredda e appuntita.
E ora sta dando via tutto questo.
Lo chiama l’Atlante dei ghiaccioli. È un database online che include quasi tutte le sue ricerche sui ghiaccioli fino ad oggi, ed è libero per chiunque di usarlo senza restrizioni, siano essi scienziati, artisti o designer di cartoline di Natale.
È una quantità insolitamente grande di dati scientifici da rendere pubblici – l’equivalente di più di 200 DVD – tutti dedicati ai ghiaccioli. Non c’è mai stato nulla di simile. E in un’epoca in cui i fisici di solito vincono premi Nobel per lo studio di particelle invisibili e fenomeni che si trovano ben oltre la portata dei sensi umani, è solo un po’ ribelle.
“Sono interessato ai modelli in natura in generale”, dice il prof. Morris, la cui area di competenza è ufficialmente chiamata fisica sperimentale non lineare, ma che potrebbe essere altrettanto facilmente descritta come la scienza dell’esperienza quotidiana.
“Sono altamente motivato a capire le cose che vedo di fronte a me … cose che sono evidenti a tutti ma sono relativamente inspiegabili.”
E quando il Prof. Morris cammina per il campus e per le strade del quartiere di Toronto dove vive, i ghiaccioli sono ciò che vede davanti a sé.
Guarda l’ipnotico processo di costruzione di un Atlante dei ghiaccioli
Pianeta dei ghiaccioli
La prima cosa da apprezzare dei ghiaccioli è che pur essendo un fenomeno naturale, non si trovano facilmente in natura.
Fai una passeggiata invernale nei boschi e troverai ghiaccio e neve ovunque, ma pochi ghiaccioli. Viaggiate attraverso il sistema solare e troverete acqua ghiacciata praticamente in ogni angolo e fessura, dalla fratturata superficie di pattinaggio della luna di Giove Europa alle profondità dei crateri permanentemente in ombra su Mercurio cotto dal sole. Ma niente ghiaccioli.
Solo qui sulla Terra – e, per la maggior parte, solo nelle città del nord – i ghiaccioli sono una caratteristica relativamente comune. Questo perché i ghiaccioli richiedono due cose: un’atmosfera che permetta l’esistenza dell’acqua, e le giuste condizioni in cui l’acqua sta gocciolando, e può essere persuasa a trasferire abbastanza calore nell’aria per congelare.
In ambienti puramente naturali, tali circostanze si presentano solo dove l’acqua è vicina al punto di congelamento e in movimento verticale, come intorno alle cascate, o infiltrazioni lungo le pareti rocciose che possono formare cascate congelate.
Ma tali luoghi sono rari. È stato l’arrivo del paesaggio urbano che ha reso il nostro mondo amico dei ghiacci. Una tipica città canadese del 19° secolo è essenzialmente una macchina gigante per generare ghiaccioli. Se hai bisogno di acqua che gocciola, non puoi battere quelle grondaie sporgenti e i tetti mal isolati.
Questo spiega perché ci sono così tanti ghiaccioli da trovare nelle parti più vecchie di Ottawa, Montreal e Toronto, tra gli altri posti. E poiché vive in una parte del mondo che è ottimizzata per la produzione di ghiaccioli, sembra inevitabile che i ghiaccioli alla fine arrivino all’attenzione del Prof. Morris.
LA VERITÀ SOTTILE
I ghiaccioli sono intrinsecamente interessanti per i fisici, perché a differenza dell’orbita della luna o della struttura di un atomo, non esiste una teoria fisica che predica in modo affidabile le loro forme e caratteristiche precise date un particolare insieme di condizioni iniziali. E il problema non è solo accademico. I ghiaccioli appartengono a un insieme più ampio di fenomeni che sono altrettanto difficili da prevedere e mitigare, dalla crescita della grandine all’accumulo di ghiaccio sulle ali degli aerei, sulle linee elettriche e sui ponti.
In breve, i ghiaccioli offrono “un problema scientifico ben definito e compatto, con applicazioni pratiche”, dice Lasse Makkonen, uno scienziato principale presso il VTT Technical Research Centre of Finland di Espoo.
Il dott. A partire dagli anni ’80, ha sviluppato una descrizione matematica della crescita del ghiacciolo che aiuta a spiegare perché i ghiaccioli sono lunghi e appuntiti.
Mentre il senso comune impone che l’acqua dovrebbe congelare ad un tasso uguale su tutte le parti di un ghiacciolo, è chiaro che la punta cresce più velocemente dei lati – fino a 20 volte più velocemente, dice il dottor Makkonen. Questo perché la punta di un ghiacciolo forma un tubo cavo che cresce nella goccia d’acqua penzolante dove si restringe. Mentre la goccia cade periodicamente, porta via il calore ed espone la punta all’aria. L’aria quindi ruba più calore e promuove un’ulteriore crescita del ghiaccio.
Il dottor Makkonen ricorda di aver raggiunto la conclusione sulla carta che i ghiaccioli devono avere la punta cava e poi un giorno è andato a provarlo nel mondo reale.
“Ho preso un ago di pino e l’ho spinto nella punta di un ghiacciolo. È entrato fino in fondo, circa cinque centimetri. È stata una sensazione strana: L’ho appena notato, nessuna sorpresa. Doveva essere così”.
Più tardi, Raymond Goldstein e colleghi dell’Università di Cambridge in Gran Bretagna hanno proposto una teoria per la forma di un ghiacciolo gocciolante – o meglio, l’ideale platonico di un ghiacciolo. Mentre la teoria riproduceva la forma lunga e appuntita, c’erano caratteristiche che non poteva riprodurre, incluse le increspature.
Tutti i ghiaccioli trovati “in natura” hanno superfici increspate, con la distanza tra ogni ondulazione in media di circa un centimetro. Questo numero è notevolmente coerente, indipendentemente dalla temperatura e dalla portata.
Le increspature dei ghiaccioli sono state studiate dai ricercatori giapponesi dell’Istituto di scienza delle basse temperature di Hokkaido. In una pubblicazione del 2002, hanno ipotizzato che le increspature si formano a causa di una “instabilità superficiale” nell’acqua che scorre lungo un ghiacciolo – una leggera deviazione che tende a crescere nel tempo. Ma sul perché di questa instabilità, i ricercatori giapponesi non potevano dirlo.
E ‘stato a quel punto, a partire dal 2008, che il Prof. Morris ha preso in mano il mistero del ghiacciolo – o forse viceversa.
LA MACCHINA DEI GELATI
La chiave della fisica dei ghiaccioli può essere scoperta solo con i dati, ha deciso il Prof. Morris, e molti di essi.
Ma aspettare che i ghiaccioli si formino all’aperto non è un approccio conveniente né adatto per uno studio controllato. Lavorando con uno studente laureato, Antony Szu-Han Chen, il Prof. Morris ha iniziato a costruire una macchina per i ghiaccioli nel suo laboratorio.
All’esterno, la macchina sembra una scatola rivestita di polistirolo con una finestra stretta per una telecamera per catturare immagini di ciò che si trova all’interno. Lì, pareti refrigerate racchiudono uno spazio raffreddato alto circa un metro con un perno di legno rotante in cima sul quale l’acqua fredda viene fatta gocciolare lentamente e dove possono crescere i ghiaccioli. La rotazione equalizza gli effetti delle correnti d’aria nella scatola e permette alla telecamera di catturare tutti i lati di un ghiacciolo mentre si sviluppa. Molte altre modifiche si sono evolute per assicurarsi che la macchina possa far crescere i ghiaccioli in modo affidabile.
“Tutti dicono che sembra un progetto da fiera della scienza, ma è ingannevolmente complicato”, dice.
La macchina ha permesso al professor Morris e al signor Chen di fare ciò che nessuno aveva fatto prima in modo sistematico: far crescere i ghiaccioli, più e più volte, in una vasta gamma di condizioni. Hanno fatto un sacco di foto.
Alla fine, hanno scoperto qualcosa che nessuno aveva capito prima: Le increspature del ghiacciolo sono causate da impurità, come i sali, nell’acqua. Quando si usa acqua distillata nella macchina dei ghiaccioli, le increspature vanno via e i ghiaccioli finiscono per assomigliare molto di più all’ideale platonico del Dr. Goldstein.
Aggiungi solo una minuscola quantità di sale, circa due parti su 100.000 – che è meno dell’impurità totale della normale acqua di rubinetto – e le increspature tornano.
Il lavoro è “stupefacente”, dice il dottor Goldstein, “perché le risposte sono così inaspettate”.
Il professor Morris ha anche usato la macchina per far crescere ghiaccioli che sono decisamente non platonici, con forme tozze, ampie increspature e rami multipli o “gambe”. Tutti questi esempi possono essere trovati nell’Atlante Icicle, formando un archivio di forme di ghiaccio ben misurate.
Ma l’obiettivo più grande deve ancora essere raggiunto: un insieme di equazioni matematiche che anticipi correttamente l’intera gamma di forme di ghiaccioli e le circostanze in cui appariranno.
“Ci arriverò”, dice il Prof. Morris della sfuggente teoria dei ghiaccioli. “Questo è un progetto a lungo termine”
THE ATLAS
Le scoperte del Prof. Morris hanno attirato l’attenzione oltre la comunità di ricerca. Persone in tutto il mondo gli hanno inviato foto di ghiaccioli in diversi stati di crescita. Un imprenditore una volta si è avvicinato a lui su come fare ghiaccioli aromatizzati che potrebbero essere coltivati in un negozio. (È più difficile di quanto sembri e non è molto gustoso.) Più tardi in primavera, l’ensemble musicale Continuum di Toronto eseguirà un pezzo che è stato in parte ispirato dai ghiaccioli del Prof. Morris.
È questo fascino estetico dei ghiaccioli che lo ha spinto a rendere i suoi dati pubblici senza restrizioni, “spero di essere sorpreso da ciò che la gente ne fa”, dice.
Per alcuni, la risposta sarà semplicemente sfogliare le pagine digitali dell’Atlante e guardare i video dei ghiaccioli che crescono nella macchina del Prof. Morris. Sono ipnotizzanti.
Ci ricordano anche che c’è un altro punto per i ghiaccioli – oltre a quello ovvio. Come sottoprodotti del nostro calore sprecato, sono la prova della nostra persistenza e persino della nostra prosperità di fronte a una stagione fredda e spietata. È una forma di bellezza spontanea che accade perché ci capita di essere qui a testimoniarla.
Considera il ghiacciolo, dice Stephen Morris, e gioisci.