氷柱愛好家の皆さん、お喜びください。 8114>
ちなみに、トロント大学の物理学教授であるスティーブン・モリスは、自らをフリーズ博士とは呼ばない。 しかし、彼自身が認めているように、彼は氷塊に取り憑かれているのです。 環境中の氷柱を観察し、研究室で育ててきた。 そして、氷柱の冷たく尖った本質を支配する根本的な理論を解明しようと試み、現在も挑戦し続けています。 これは、彼のこれまでのつらら研究のほぼすべてを含むオンラインのデータベースで、科学者、アーティスト、クリスマスカードのデザイナーなど、誰でも無制限に無料で使用できます。 このようなものはかつてなかった。 物理学者が、目に見えない粒子や人間の感覚の範疇をはるかに超えた現象を研究してノーベル賞を受賞するのが当たり前の時代に、これはちょっと反抗的です」
「私は自然界全般のパターンに興味があります」と、教授は言います。 モリス教授の専門分野は、公式には実験非線形物理学と呼ばれていますが、日常的な経験の科学と同じように簡単に説明できるかもしれません。
「私は、目の前にあるもの…誰にとっても明白であるが比較的説明されていないものを理解したいという強い動機があります。”
そして、モリス教授がキャンパスや彼が住むトロント近隣の通りを歩き回るとき、彼の目の前にあるのは氷柱なのです。
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ICLE PLANET
つららについて最初に評価すべきことは、それが自然現象である一方で、自然の中で簡単に見つかるわけではないことです。 太陽系を旅すれば、木星の衛星エウロパのスケートリンクのような破砕した表面から、太陽を浴びた水星の永久に影のついたクレーターの深部まで、ほぼすべての場所で凍った水を発見することができます。 しかし、氷柱はありません。
地球上では、ここだけ、そしてほとんどの場合、北部の都市だけ、氷柱は比較的よく見られる特徴です。 氷柱には、水の存在を可能にする大気と、その水が滴り落ち、凍るのに十分な熱を空気中に伝えるような適切な条件が必要だからです。
純粋な自然の環境では、滝の周辺や崖に沿ってしみ込んで凍った滝を形成できるなど、水が氷点近くにあり、垂直運動する場合にのみその状況が生じますが、そうした場所は稀なのです。 私たちの世界を氷柱に適したものにしたのは、都市景観の登場でした。 19世紀のカナダの典型的な都市は、本質的に氷柱を生成するための巨大な機械なのです。
このことが、オタワ、モントリオール、トロントなどの古い地域で、多くのつららが見られる理由を説明しています。
THE HOLLOW TRUTH
つららが物理学者にとって本質的に興味深いのは、月の軌道や原子の構造と異なり、特定の初期条件下でその正確な形や特性を確実に予測する物理理論が存在しないことです。 この問題は、単に学術的なものにとどまらない。 つららは、雹の成長から、飛行機の翼、電線、橋に蓄積される氷まで、予測や軽減が同様に困難な、より大きな現象群に属しているのである。
要するに、氷柱は「明確に定義された、コンパクトな科学的問題であり、実用的な応用が可能」だと、エスポーにあるフィンランド VTT 技術研究センターの主任科学者である Lasse Makkonen 博士は述べています。 1980年代から、氷柱の成長に関する数学的記述を開発し、氷柱がなぜ長くてとがっているのかを説明するのに役立ちました。 これは、氷柱の先端が中空のチューブを形成して、ぶら下がった水滴の中に伸びていき、それが狭くなるためです。 水滴が周期的に落下すると、熱が奪われ、先端が空気にさらされる。
マッコネン博士は、氷柱の先端は空洞でなければならないという結論を紙の上で得て、ある日それを現実の世界で検証してみたと回想しています。 5センチほど、すっぽり入りました。 変な感じだった。 私はただそれに注目したのです。 8114>
その後、イギリスのケンブリッジ大学のレイモンド・ゴールドスタインらは、滴り落ちる氷柱の形、つまり氷柱のプラトニックな理想像についての理論を提案しました。
「自然界」で発見されたすべての氷柱の表面には波打ち際があり、波打ち際の間隔は平均して約1センチメートルほどでした。 この数値は、温度や流速に関係なく、驚くほど一貫しています。
つららの波紋は、北海道の低温科学研究所の日本人研究者によって研究されています。 2002年に発表された論文では、氷柱を流れる水の「表面不安定性」、つまりわずかなずれが時間とともに大きくなるために波紋が形成されると推測しています。
THE ICICLE MACHINE
つららの物理の鍵は、データによってのみ発見できるとモリス教授は判断し、たくさんのデータを集めました。
しかし屋外でつららができるのを待つのは、対照研究にとって便利でも適切でもない方法です。 大学院生の Antony Szu-Han Chen 氏と協力して、Morris 教授は研究室でつららマシンを作り始めました。
外見は発泡スチロールで覆われた箱のようで、中にあるものを撮影するための細い窓が設けられています。 そこには、冷蔵された壁が高さ1メートルほどの空間を囲んでおり、上部には回転する木のダボがあり、そこにゆっくりと冷水を垂らし、氷柱を成長させることができるようになっています。 回転することで、箱の中の気流の影響を均等にし、氷柱が成長する様子を四方八方から撮影することができます。
「誰もが、科学博覧会のプロジェクトのように見えると言いますが、それは欺瞞的に複雑なのです」と彼は言います。 彼らはたくさんの写真を撮りました。
やがて彼らは、これまで誰も気づかなかったことを発見しました。 つららの波紋は、水の中に含まれる塩分などの不純物が原因である。 氷柱製造機に蒸留水を使用すると、波紋は消え、氷柱はゴールドスタイン博士のプラトニックな理想に近い形になります。
10万分の2というごくわずかな量の塩を加えるだけで、これは通常の水道水の総不純物よりも少ないのですが、波紋は再び起こります。
ゴールドスタイン博士は、この研究は「驚くべきもの」であり、「答えがあまりにも予想外であるため」と述べています。
モリス教授は、この機械を使って、明らかにプラトニックではない、しゃがんだ形、広範な波紋、複数の枝または「足」を持つ氷柱も育てました。 しかし、より大きな目標はまだ達成されていません。それは、氷柱の形の全範囲と、それらが出現する状況を正しく予測する一連の数学的方程式です。 「これは長期的なプロジェクトです」
THE ATLAS
モリス教授の発見は、研究コミュニティを超えて注目されています。 世界中の人々が、さまざまな成長状態の氷柱の写真を送ってきたのです。 また、ある企業家が、店頭で栽培できるようなフレーバー付きの氷柱を作れないかと相談してきたこともあった。 (この春、トロントの音楽アンサンブル「コンティニュアム」が、モリス教授の氷柱に触発された作品を演奏する予定だ。
氷柱の美的魅力が、データを無制限に公開することを強いたのです。
また、氷柱には、明白なものとは別に、もう1つのポイントがあることを気づかせてくれます。 私たちが浪費した熱の副産物として、寒くて容赦のない季節に直面している私たちの粘り強さ、さらには繁栄の証拠でもあるのです。 それは、私たちがたまたまここにいて目撃したから起こる、自然発生的な美しさの一形態なのです。
氷柱について考えてみてください、とスティーブン・モリスは言います。