Rejoice icicle lovers. Dr Freeze har levererat sitt magnum opus.
För protokollet: Stephen Morris, professor i fysik vid University of Toronto, kallar sig inte Dr Freeze. Men enligt egen utsago är han besatt av istappar. Han har observerat dem i miljön och odlat dem i sitt labb. Han har samlat tusentals foton och hundratals videor av istappar som bildas under olika förhållanden.
Och han har försökt – och försöker fortfarande – att lista ut den underliggande teorin som styr deras kalla och spetsiga väsen.
Och nu ger han bort allt detta.
Han kallar det för Icicle Atlas. Det är en onlinedatabas som innehåller nästan all hans forskning om istappar hittills, och den är gratis för alla att använda utan begränsningar, oavsett om de är forskare, konstnärer eller julkortskonstruktörer.
Det är en ovanligt stor mängd vetenskaplig data att offentliggöra – motsvarande mer än 200 DVD-skivor – allt tillägnat istappar. Det har aldrig funnits något liknande. Och i en tid då fysiker vanligtvis vinner Nobelpris för att studera osynliga partiklar och fenomen som ligger långt bortom de mänskliga sinnenas räckvidd, är det bara lite rebelliskt.
”Jag är intresserad av mönster i naturen i allmänhet”, säger prof. Morris, vars expertområde officiellt kallas experimentell icke-linjär fysik, men som lika gärna skulle kunna beskrivas som vetenskapen om vardagliga erfarenheter.
”Jag är mycket motiverad att förstå saker som jag ser framför mig … saker som är uppenbara för alla men som är relativt oförklarade.”
Och när professor Morris går runt på campus och på gatorna i det kvarter i Toronto där han bor, är istappar det han ser framför sig.
Se den fascinerande processen att bygga en istappsatlas
ICICICLE PLANET
Det första man bör uppskatta med istappar är att även om de är ett naturfenomen är de inte lätta att hitta i naturen.
Tag en vinterpromenad i skogen och du kommer att hitta is och snö överallt, men få istappar. Res över solsystemet och du kommer att upptäcka fruset vatten i praktiskt taget varje hörn och skrymsle, från den spruckna skridskobana-ytan på Jupiters måne Europa till djupet av permanent skuggade kratrar på det solbrända Merkurius. Men inga istappar.
Det är bara här på jorden – och för det mesta bara i nordliga städer – som istappar är ett relativt vanligt inslag. Detta beror på att istappar kräver två saker: en atmosfär som gör det möjligt för vatten att existera, och de rätta förhållandena där detta vatten droppar och kan övertalas att överföra tillräckligt med värme till luften för att frysa.
I rent naturliga miljöer uppstår sådana omständigheter endast där vatten är nära fryspunkten och i vertikal rörelse, till exempel runt vattenfall eller sipprande längs klippväggar som kan bilda frusna kaskader.
Men sådana platser är sällsynta. Det var stadslandskapets ankomst som gjorde vår värld istappsvänlig. En typisk kanadensisk stad från 1800-talet är i princip en gigantisk maskin för att generera istappar. Om det är droppande vatten du behöver kan du inte slå de överhängande takfoten och de dåligt isolerade taken.
Detta förklarar varför det finns så många istappar i de äldre delarna av bland annat Ottawa, Montreal och Toronto. Och eftersom han bor i en del av världen som är optimerad för produktion av istappar verkar det oundvikligt att istappar så småningom skulle komma att uppmärksammas av professor Morris.
Den ihåliga sanningen
Iciklar är till sin natur intressanta för fysiker, eftersom det till skillnad från månens omloppsbana eller en atoms struktur inte finns någon fysikalisk teori som på ett tillförlitligt sätt kan förutsäga deras exakta former och egenskaper givet en viss uppsättning av utgångsförhållanden. Och problemet är inte bara ett akademiskt problem. Icicles tillhör en större uppsättning fenomen som det är lika svårt att förutsäga och begränsa, från hagelkorns tillväxt till isbildning på flygplansvingar, kraftledningar och broar.
Kort sagt är istappar ”ett väldefinierat, kompakt vetenskapligt problem med praktiska tillämpningar”, säger Lasse Makkonen, en av huvudforskarna vid VTT:s tekniska forskningscenter i Esbo.
Dr. Makkonen är en av de få forskare som har fördjupat sig i detaljerna kring istappars struktur och beteende. Han utvecklade på 1980-talet en matematisk beskrivning av istapparnas tillväxt som hjälper till att förklara varför istapparna är långa och spetsiga.
Sammantaget säger det sunda förnuftet att vatten borde frysa lika snabbt på alla delar av en istapp, men det är uppenbart att spetsen växer snabbare än sidorna – så mycket som 20 gånger snabbare, säger Dr. Makkonen. Detta beror på att spetsen på en istapp bildar ett ihåligt rör som växer in i den dinglande vattendroppen där den smalnar av. När droppen med jämna mellanrum faller ner transporterar den bort värme och exponerar spetsen för luften. Luften stjäl då mer värme och främjar ytterligare istillväxt.
Dr. Makkonen minns att han kom fram till slutsatsen på papper att istappar måste ha ihåliga spetsar och att han sedan gick ut för att testa det i verkligheten en dag.
”Jag tog en tallnål och tryckte in den i spetsen på en istapp. Den gick in hela vägen, ungefär fem centimeter. Det var en lustig känsla: Jag bara noterade det, ingen överraskning. Det måste vara så.”
Senare föreslog Raymond Goldstein och kollegor vid universitetet i Cambridge i Storbritannien en teori om formen på en droppande istapp – eller snarare det platonska idealet av en istapp. Även om teorin återgav den långa spetsiga formen fanns det egenskaper som den inte kunde återge, bland annat krusningar.
Alla istappar som hittas i ”naturen” har krusade ytor, där avståndet mellan varje vågig krusning i genomsnitt är ungefär en centimeter eller så. Detta antal är anmärkningsvärt konsekvent, oavsett temperatur och flödeshastighet.
Icicle ripples har studerats av japanska forskare vid Institute of Low Temperature Science i Hokkaido. I en publikation från 2002 hävdade de att krusningar bildas på grund av en ”ytinstabilitet” i vattnet som strömmar nerför en istapp – en liten avvikelse som tenderar att växa med tiden. Men varför denna instabilitet existerar kunde de japanska forskarna inte säga.
Det var då, med början 2008, som professor Morris tog tag i istappsmysteriet – eller kanske tvärtom.
Den istappsmaskin
Nyckeln till istapparnas fysik kan bara upptäckas med hjälp av data, beslutade professor Morris, och massor av dem.
Men att vänta på att istappar ska bildas utomhus är varken bekvämt eller lämpligt för en kontrollerad studie. I samarbete med en doktorand, Antony Szu-Han Chen, började professor Morris bygga en istappsmaskin i sitt labb.
På utsidan ser maskinen ut som en Styrofoam-klädd låda med ett smalt fönster för att en kamera ska kunna fånga bilder av vad som finns inuti. Där omsluter kylväggar ett kylt utrymme som är ungefär en meter högt med en roterande träplugg i toppen på vilken kallt vatten långsamt droppas och där istappar kan växa. Rotationen utjämnar effekterna av luftströmmarna i lådan och gör det möjligt för kameran att fånga alla sidor av en istapp när den utvecklas. Många andra modifieringar har utvecklats för att se till att maskinen kan odla istappar på ett tillförlitligt sätt.
”Alla säger att det ser ut som ett projekt för en vetenskaplig mässa, men det är bedrägligt komplicerat”, säger han.
Maskinen gjorde det möjligt för professor Morris och Chen att göra något som ingen tidigare hade gjort på ett systematiskt sätt: odla istappar, om och om igen, under ett brett spektrum av förhållanden. De tog mängder av bilder.
Till slut upptäckte de något som ingen hade insett tidigare: Isglassens krusningar orsakas av föroreningar, t.ex. salter, i vattnet. När destillerat vatten används i istappsmaskinen försvinner krusningarna och istapparna ser mycket mer ut som dr Goldsteins platonska ideal.
Om man bara lägger till en mycket liten mängd salt, ungefär två delar på 100 000 – vilket är mindre än den totala orenheten i vanligt kranvatten – kommer krusningarna tillbaka.
Arbetet är ”häpnadsväckande”, säger Goldstein, ”eftersom svaren är så oväntade.”
Professor Morris har också använt maskinen för att odla istappar som är helt klart oplatoniska, med fyrkantiga former, omfattande krusningar och flera grenar eller ”ben”. Alla dessa exempel finns i Icicle Atlas, som utgör en samling välmätta isformer.
Men det större målet har ännu inte uppnåtts: en uppsättning matematiska ekvationer som korrekt förutser hela skalan av istappsformer och de omständigheter under vilka de kommer att uppträda.
”Jag kommer att nå dit”, säger professor Morris om den svårfångade teorin om istappar. ”Det här är ett långsiktigt projekt.”
THE ATLAS
Prof. Morris resultat har väckt uppmärksamhet utanför forskarsamhället. Människor runt om i världen har skickat honom foton av istappar i olika tillväxtstadier. En entreprenör kontaktade honom en gång om hur man skulle kunna göra smaksatta istappar som kunde odlas i en butik. (Det är svårare än det låter och inte särskilt välsmakande.) Senare i vår kommer Torontos musikensemble Continuum att framföra ett stycke som delvis inspirerats av professor Morris istappar.
Det är denna estetiska dragningskraft hos istappar som har tvingat honom att offentliggöra sina data utan begränsningar, ”Jag hoppas bli överraskad av vad folk gör med dem”, säger han.
För en del kommer svaret helt enkelt att ligga i att bläddra i Atlasens digitala sidor och titta på videor av istappar som växer i professor Morris maskin. De är fascinerande.
De påminner oss också om att det finns ytterligare en poäng med istappar – förutom den uppenbara. Som biprodukter av vår bortkastade värme är de ett bevis på vår uthållighet och till och med vårt välstånd inför en kall och obarmhärtig årstid. Det är en form av spontan skönhet som uppstår för att vi råkar vara här för att bevittna den.
Tänk på istappen, säger Stephen Morris, och gläd dig.