Geluk ijspegel-liefhebbers. Dr. Freeze heeft zijn magnum opus afgeleverd.
Voor de goede orde, Stephen Morris, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Toronto, noemt zichzelf niet Dr. Freeze. Maar zoals hij zelf toegeeft, is hij geobsedeerd door ijspegels. Hij heeft ze geobserveerd in de omgeving en gekweekt in zijn lab. Hij heeft duizenden foto’s en honderden video’s verzameld van ijspegels die zich onder verschillende omstandigheden vormen.
En hij heeft geprobeerd – en probeert nog steeds – om de onderliggende theorie te ontrafelen die hun koude en puntige essentie beheerst.
En nu geeft hij het allemaal weg.
Hij noemt het de IJspegelatlas. Het is een online database die bijna al zijn ijspegel onderzoek tot nu toe bevat, en het is gratis voor iedereen om te gebruiken zonder beperkingen, of ze nu wetenschappers, kunstenaars of kerstkaart ontwerpers.
Het is een ongewoon grote hoeveelheid wetenschappelijke gegevens openbaar te maken – het equivalent van meer dan 200 dvd’s waarde – allemaal gewijd aan ijspegels. Zoiets is er nog nooit geweest. En in een tijd waarin natuurkundigen gewoonlijk Nobelprijzen winnen voor het bestuderen van ongeziene deeltjes en verschijnselen die ver buiten het bereik van de menselijke zintuigen liggen, is het gewoon een beetje rebels.
“Ik ben geïnteresseerd in patronen in de natuur in het algemeen,” zegt prof. Morris, wiens vakgebied officieel experimentele niet-lineaire fysica heet, maar die net zo goed kan worden omschreven als de wetenschap van de alledaagse ervaring.
“Ik ben zeer gemotiveerd om dingen te begrijpen die ik voor me zie … dingen die voor iedereen duidelijk zijn, maar relatief onverklaard zijn.”
En als Prof. Morris rondloopt op de campus en in de straten van de wijk Toronto waar hij woont, zijn het ijspegels die hij voor zich ziet.
Kijk naar het betoverende proces van het bouwen van een ijspegelatlas
ICLE PLANET
Het eerste wat u over ijspegels moet weten is dat ze weliswaar een natuurlijk verschijnsel zijn, maar dat ze niet gemakkelijk in de natuur te vinden zijn.
Maak een winterwandeling in het bos en u zult overal ijs en sneeuw aantreffen, maar weinig ijspegels. Reis door het zonnestelsel en je zult bevroren water in vrijwel elk hoekje en gaatje aantreffen, van het gebroken ijsbaan-oppervlak van Jupiters maan Europa tot de diepten van permanent beschaduwde kraters op het zongebakken Mercurius. Maar geen ijspegels.
Alleen hier op aarde – en voor het grootste deel alleen in noordelijke steden – zijn ijspegels een relatief algemeen verschijnsel. Dit komt omdat ijspegels twee dingen vereisen: een atmosfeer die het bestaan van water mogelijk maakt, en de juiste omstandigheden waarin dat water druipt en kan worden overgehaald om genoeg warmte aan de lucht af te staan om te bevriezen.
In zuiver natuurlijke omgevingen doen dergelijke omstandigheden zich alleen voor wanneer het water dicht bij het vriespunt is en in verticale beweging, zoals rond watervallen, of sijpelend langs rotswanden die bevroren watervallen kunnen vormen.
Maar zulke plaatsen zijn zeldzaam. Het was de komst van het stedelijk landschap dat onze wereld ijspegel-vriendelijk maakte. Een typisch 19e-eeuwse Canadese stad is in wezen een reusachtige machine voor het genereren van ijspegels. Als je druipend water nodig hebt, kun je niet om die overhangende dakranden en slecht geïsoleerde daken heen.
Dit verklaart waarom er zoveel ijspegels te vinden zijn in de oudere delen van Ottawa, Montreal en Toronto, onder andere plaatsen. En omdat hij in een deel van de wereld woont dat geoptimaliseerd is voor de productie van ijspegels, lijkt het onvermijdelijk dat ijspegels uiteindelijk onder de aandacht van Prof. Morris zouden komen.
THE HOLLOW TRUTH
Ijspegels zijn van nature interessant voor natuurkundigen, omdat er, in tegenstelling tot de baan van de maan of de structuur van een atoom, geen natuurkundige theorie is die op betrouwbare wijze hun precieze vormen en eigenschappen voorspelt, gegeven een bepaalde reeks van beginvoorwaarden. En het probleem is niet alleen van academische aard. IJspegels behoren tot een groter geheel van verschijnselen die even moeilijk te voorspellen en te beperken zijn, van de groei van hagelstenen tot de opbouw van ijs op vliegtuigvleugels, hoogspanningsleidingen en bruggen.
Kortom, ijspegels bieden “een goed gedefinieerd, compact wetenschappelijk probleem, met praktische toepassingen,” zegt Lasse Makkonen, een hoofdwetenschapper bij het VTT Technisch Onderzoekscentrum van Finland in Espoo.
Dr. Makkonen behoort tot het handjevol wetenschappers dat zich heeft verdiept in de details van de structuur en het gedrag van ijspegels. Vanaf de jaren ’80 ontwikkelde hij een wiskundige beschrijving van de groei van ijspegels, die verklaart waarom ijspegels lang en puntig zijn.
Hoewel het gezond verstand zegt dat het water op alle delen van een ijspegel even snel zou moeten bevriezen, is het duidelijk dat het uiteinde sneller groeit dan de zijkanten – tot wel 20 keer sneller, zegt Dr. Makkonen. Dit komt omdat het uiteinde van een ijspegel een holle buis vormt die in de hangende waterdruppel groeit waar deze zich vernauwt. Wanneer de druppel periodiek valt, voert hij warmte af en stelt hij het uiteinde bloot aan de lucht. De lucht onttrekt dan meer warmte en bevordert verdere ijsgroei.
Dr. Makkonen herinnert zich dat hij op papier tot de conclusie kwam dat ijspegels holle uiteinden moeten hebben en dat hij het op een dag in de echte wereld ging testen.
“Ik nam een dennennaald en duwde die in het uiteinde van een ijspegel. Hij ging er helemaal in, zo’n vijf centimeter. Het was een raar gevoel: Ik merkte het gewoon op, geen verrassing. Het moest zo zijn.”
Later stelden Raymond Goldstein en collega’s van de Universiteit van Cambridge in Groot-Brittannië een theorie voor over de vorm van een druipende ijspegel – of beter gezegd, het Platonisch ideaal van een ijspegel. Hoewel de theorie de lange puntige vorm reproduceerde, waren er kenmerken die het niet kon reproduceren, waaronder rimpelingen.
Alle ijspegels die in “het wild” worden gevonden hebben gerimpelde oppervlakken, met de afstand tussen elke golvende rimpeling van gemiddeld ongeveer een centimeter. Dit aantal is opmerkelijk consistent, ongeacht temperatuur en stroomsnelheid.
Icicle ripples have been studied by Japanese researchers at the Institute of Low Temperature Science at Hokkaido. In een publicatie uit 2002 stelden zij dat rimpelingen ontstaan door een “oppervlakte-instabiliteit” in het water dat langs een ijspegel naar beneden stroomt – een kleine afwijking die de neiging heeft mettertijd groter te worden. Maar waarom deze instabiliteit bestaat, konden de Japanse onderzoekers niet zeggen.
Het was op dat moment, vanaf 2008, dat Prof. Morris zich meester maakte van het ijspegelmysterie – of misschien omgekeerd.
DE IJSSTEELMACHINE
De sleutel tot de fysica van ijspegels kan alleen worden ontdekt met gegevens, besloot Prof. Morris, en veel gegevens.
Maar wachten tot zich buiten ijspegels vormen is noch een handige noch een geschikte aanpak voor een gecontroleerde studie. In samenwerking met een afgestudeerde student, Antony Szu-Han Chen, begon Prof. Morris in zijn laboratorium een ijspegelmachine te bouwen.
Aan de buitenkant ziet de machine eruit als een met piepschuim beklede doos met een smal venster voor een camera om beelden vast te leggen van wat zich binnenin bevindt. Daar omsluiten koelwanden een gekoelde ruimte van ongeveer een meter hoog met bovenaan een ronddraaiende houten drevel waarop langzaam gekoeld water wordt gedruppeld en waar ijspegels kunnen groeien. De rotatie egaliseert de effecten van de luchtstromen in de kist en stelt de camera in staat alle kanten van een ijspegel vast te leggen terwijl deze zich ontwikkelt. Er zijn nog tal van andere aanpassingen gedaan om ervoor te zorgen dat de machine op betrouwbare wijze ijspegels kan laten groeien.
“Iedereen zegt dat het op een wetenschapsbeurs lijkt, maar het is bedrieglijk ingewikkeld,” zegt hij.
Met de machine konden prof. Morris en de heer Chen doen wat niemand eerder op systematische wijze had gedaan: ijspegels laten groeien, steeds opnieuw, onder een breed scala van omstandigheden. Ze namen heel veel foto’s.
Eindelijk ontdekten ze iets wat niemand zich eerder had gerealiseerd: De rimpelingen van de ijspegels worden veroorzaakt door onzuiverheden, zoals zouten, in het water. Wanneer gedestilleerd water wordt gebruikt in de ijspegelmachine, verdwijnen de rimpelingen en lijken de ijspegels veel meer op Dr. Goldsteins Platonisch ideaal.
Voeg slechts een minuscule hoeveelheid zout toe, ongeveer twee delen op 100.000 – dat is minder dan de totale onzuiverheid van gewoon kraanwater – en de rimpelingen komen terug.
Het werk is “verbluffend”, zegt Dr. Goldstein, “omdat de antwoorden zo onverwacht zijn.”
Prof. Morris heeft de machine ook gebruikt om ijspegels te kweken die beslist niet platonisch zijn, met gedrongen vormen, uitgebreide rimpelingen en meerdere takken of “benen.” Al deze voorbeelden zijn te vinden in de ijspegelatlas, en vormen een opslagplaats van goed gemeten ijsvormen.
Maar het grotere doel moet nog worden bereikt: een reeks wiskundige vergelijkingen die correct anticipeert op het volledige scala van ijspegelvormen en de omstandigheden waaronder ze zullen verschijnen.
“Ik ga er komen,” zegt prof. Morris over de ongrijpbare theorie van ijspegels. “Dit is een project van lange adem.”
THE ATLAS
De bevindingen van Prof. Morris hebben ook buiten de onderzoeksgemeenschap de aandacht getrokken. Mensen uit de hele wereld hebben hem foto’s gestuurd van ijspegels in verschillende groeistadia. Een ondernemer benaderde hem eens met de vraag hoe hij ijspegels met een smaakje kon maken die in een winkel konden worden gekweekt. (Het is moeilijker dan het klinkt en niet erg smakelijk.) Later dit voorjaar zal het Toronto muziekensemble Continuum een stuk uitvoeren dat gedeeltelijk is geïnspireerd door de ijspegels van Prof. Morris.
Het is deze esthetische aantrekkingskracht van ijspegels die hem ertoe heeft gebracht zijn gegevens onbeperkt openbaar te maken. “Ik hoop verrast te worden door wat mensen ermee doen,” zegt hij.
Voor sommigen zal het antwoord simpelweg liggen in het doorbladeren van de digitale pagina’s van de Atlas en het bekijken van video’s van ijspegels die groeien in de machine van Prof. Morris. Ze zijn betoverend.
Ze herinneren ons er ook aan dat er nog een ander punt is met ijspegels – afgezien van het voor de hand liggende. Als bijproducten van onze verspilde warmte zijn ze het bewijs van onze volharding en zelfs van onze voorspoed in het licht van een koud en meedogenloos seizoen. Het is een vorm van spontane schoonheid die ontstaat omdat wij er toevallig getuige van zijn.
Kijk naar de ijspegel, zegt Stephen Morris, en verheug u.