হিমাঙ্কের নিচেও পানি তরল থাকে কীভাবে

ধরুন, শীতের রাতে একটি পানির বোতল ফ্রিজে রেখে দিলেন। পরদিন সকালে বোতলটি বের করে দেখলেন, পানি এখনো স্বচ্ছ ও তরল (অবাক হবেন না, বিশেষ পরিস্থিতে এমনটা সম্ভব)। অথচ থার্মোমিটার বলছে, পানির তাপমাত্রা মাইনাস ১০ ডিগ্রি সেলসিয়াস! অবাক হওয়ার মতোই ঘটনা। কারণ, আমরা জানি, ০ ডিগ্রি সেলসিয়াস তাপমাত্রায় পানি বরফ হয়ে যায়। তাহলে মাইনাস ১০ ডিগ্রি তাপমাত্রায় পানি তরল থাকল কীভাবে?

এবার বোতলটিতে আলতো করে একটা টোকা দিন, বা একটু ঝাঁকিয়ে নিন। আশ্চর্যজনকভাবে, কয়েক সেকেন্ডের মধ্যেই বোতলের ভেতরের পানি বরফে পরিণত হতে শুরু করবে। স্বচ্ছ পানির ভেতর দিয়ে সাদা বরফের স্তর ছড়িয়ে পড়বে। দেখতে মনে হবে, চোখের সামনেই পানি জমে যাচ্ছে! এ ঘটনাকে বলে অতিশীতলীকরণ। বিজ্ঞানের ভাষায়, কোনো তরল তার স্বাভাবিক হিমাঙ্কের নিচের তাপমাত্রাতেও তরল অবস্থায় থাকলে তাকে অতিশীতল অবস্থা বলে। পানি সাধারণত ০ ডিগ্রি সেলসিয়াসে জমে যায়। কিন্তু বিশেষ পরিস্থিতিতে সেই তাপমাত্রার অনেক নিচেও তরল থাকতে পারে।

এখানে মজার ব্যাপার হলো, পানি জমার জন্য শুধু ঠান্ডা হওয়াই যথেষ্ট নয়; অনেক সময় বরফের স্ফটিক তৈরির জন্য উপযুক্ত পরিবেশও দরকার হয়। সেই পরিবেশ তৈরি করে দিতে পারলে অতিশীতল পানি মুহূর্তের মধ্যেই বরফ হয়ে যেতে পারে।

বিজ্ঞানের ভাষায়, কোনো তরল তার স্বাভাবিক হিমাঙ্কের নিচের তাপমাত্রাতেও তরল অবস্থায় থাকলে তাকে অতিশীতল অবস্থা বলে। পানি সাধারণত ০ ডিগ্রি সেলসিয়াসে জমে যায়।

কয়েক বছর আগে এক প্রকৌশলী অন্য প্রকৌশলীদের একটি অনলাইন ফোরামে মজার প্রশ্ন তুলেছিলেন। প্রচণ্ড ঠান্ডার মধ্যে দ্রুত ঘুরতে থাকা সিমেন্ট মেশানোর ড্রাম কি পানিকে তরল রাখতে পারবে? ধরুন, বাইরের তাপমাত্রা মাইনাস ১০ ডিগ্রি সেলসিয়াস। ড্রামটি অবিরাম ঘুরছে। ঘর্ষণ ও আলোড়নের ফলে কিছু তাপও তৈরি হচ্ছে। তাহলে কি সেই তাপ পানিকে জমতে দেবে না?

প্রশ্নটির উত্তরে প্রকৌশলীরা দুই দলে ভাগ হয়ে গেলেন। একদল মনে করলেন, ০ ডিগ্রি সেলসিয়াসের নিচে পানি তরল থাকতেই পারে না। অন্য দলের যুক্তি ছিল, তাঁরা এমন ভিডিও দেখেছেন, যেখানে ফ্রিজার থেকে বের করা স্বচ্ছ পানির বোতলে টোকা দেওয়ার কয়েক সেকেন্ডের মধ্যে বরফ জমে যায়। তাহলে কোন দলের উত্তর সঠিক ছিল?

আসলে দুই দলেরই কিছুটা ভুল ছিল। কারণ, ০ ডিগ্রি সেলসিয়াসের নিচে পানি তরল থাকতে পারে। কিন্তু সেই অবস্থায় পানি জমে যেতে পারে খুব অল্পতেই। বিশেষ করে পানি যদি আলোড়িত হয় বা কোনো উপযুক্ত পৃষ্ঠের সংস্পর্শে আসে, তাহলে বরফ তৈরির প্রক্রিয়া শুরু হওয়ার সুযোগ বেড়ে যায়। কিন্তু কেন এমন হয়? এই প্রশ্নের উত্তর জানতে হলে আগে জানতে হবে, পানি জমে যাওয়ার জন্য আসলে কী প্রয়োজন?

তরল পানিতে অণুগুলো ক্রমাগত নড়াচড়া করে। তাদের মধ্যে বন্ধন তৈরি হয়, আবার ভেঙেও যায়। তাপমাত্রা কমলে অণুগুলোর গড় গতিশক্তি কমে আসে।

০ ডিগ্রি সেলসিয়াসে পৌঁছালেই পানি জমে যায় না কেন

ফ্রিজ থেকে একটি বরফের টুকরো বের করে দেখুন। বরফের ভেতরে পানির অণুগুলো একটি নির্দিষ্ট সুশৃঙ্খল বিন্যাসে সাজানো থাকে। এই বিন্যাসে অণুগুলোর মধ্যে হাইড্রোজেন বন্ধন গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা রাখে। বরফের সাধারণ গঠনে অণুগুলো অনেকটা ষড়ভুজাকৃতির কাঠামো তৈরি করে। এই কাঠামোর ভেতরে ফাঁকা জায়গা থাকে। ফলে একই ভরের তরল পানির তুলনায় বরফ বেশি জায়গা দখল করে। এ কারণেই বরফ পানির ওপর ভেসে থাকে। অন্যদিকে তরল পানিতে অণুগুলো ক্রমাগত নড়াচড়া করে। তাদের মধ্যে বন্ধন তৈরি হয়, আবার ভেঙেও যায়। তাপমাত্রা কমলে অণুগুলোর গড় গতিশক্তি কমে আসে। তখন উপযুক্ত পরিস্থিতিতে তারা বরফের সুশৃঙ্খল কাঠামো তৈরি করতে পারে।

বরফের সাধারণ গঠনে অণুগুলো অনেকটা ষড়ভুজাকৃতির কাঠামো তৈরি করে। এই কাঠামোর ভেতরে ফাঁকা জায়গা থাকে। ফলে একই ভরের তরল পানির তুলনায় বরফ বেশি জায়গা দখল করে।

কিন্তু এখানেই একটি সমস্যা আছে। বরফ তৈরি হতে হলে প্রথমে কয়েকটি পানির অণুকে একসঙ্গে এমনভাবে সাজতে হবে, যাতে একটি ক্ষুদ্র বরফের স্ফটিক তৈরি হয়। এরপর সেই স্ফটিকটিকে যথেষ্ট বড় ও স্থিতিশীল হতে হবে। নইলে আশপাশের অণুর নড়াচড়ায় সেটি আবার ভেঙে যাবে। তরল পানিতে এমন ক্ষুদ্র গুচ্ছ তৈরি হওয়া অস্বাভাবিক নয়। কিন্তু বেশির ভাগ গুচ্ছই স্থায়ী হতে পারে না। বরফের একটি স্থিতিশীল সূচনাকারী কণা তৈরি হলে তবেই তার চারপাশে আরও অণু যুক্ত হয়ে বরফ বড় হতে পারে। বরফ তৈরির এই প্রাথমিক প্রক্রিয়াকে বলে নিউক্লিয়েশন। আর যে ক্ষুদ্র কণাটি বরফ তৈরির সূচনা করে, তাকে বলা যায় বরফের বীজ। সহজভাবে বললে, পানি জমতে শুরু করার জন্য অনেক সময় একটি ছোট্ট সূচনাবিন্দু প্রয়োজন হয়। তাপমাত্রা ০ ডিগ্রি সেলসিয়াসে পৌঁছানো মানেই সেই সূচনাবিন্দু তৈরি হয়ে গেছে, এমন নয়। এই কারণেই পরিষ্কার ও স্থির পানি কখনো কখনো ০ ডিগ্রি সেলসিয়াসের নিচেও তরল থাকতে পারে। পানি তখন জমে যাওয়ার উপযুক্ত অবস্থায় থাকলেও বরফ তৈরির প্রক্রিয়া শুরু হয়নি।

আরও পড়ুন

রাতজাগা ও সকালে ক্লান্তির সঙ্গে বিষণ্নতার নতুন ধরনের সম্পর্ক খুঁজে পেলেন বিজ্ঞানীরা?

বরফের একটি স্থিতিশীল সূচনাকারী কণা তৈরি হলে তবেই তার চারপাশে আরও অণু যুক্ত হয়ে বরফ বড় হতে পারে। বরফ তৈরির এই প্রাথমিক প্রক্রিয়াকে বলে নিউক্লিয়েশন।

পানি হিমাঙ্কের নিচেও তরল থাকে কীভাবে

বাস্তব জগতে বরফ তৈরির সূচনা সাধারণত কোনো পৃষ্ঠ, ধুলার কণা কিংবা আগে থেকে থাকা বরফের স্ফটিকের মাধ্যমে হয়। এমন পৃষ্ঠ বা কণা পানির অণুগুলোকে বরফের মতো সুশৃঙ্খল বিন্যাসে সাজতে সাহায্য করতে পারে। ধরুন, এক বোতল পানি খুব ভালোভাবে পরিশোধন করে একটি পরিষ্কার পাত্রে রাখা হলো। পানিতে বরফের কণা নেই, পাত্রের ভেতরের পৃষ্ঠও মসৃণ। এরপর বোতলটি নাড়াচাড়া না করে ধীরে ধীরে ঠান্ডা করা হলো। এমন পরিস্থিতিতে বরফ তৈরির সূচনা দেরিতে হতে পারে। সাধারণ বাড়ির ফ্রিজারের তাপমাত্রা প্রায় মাইনাস ১৮ ডিগ্রি সেলসিয়াস। এই তাপমাত্রায় পরিষ্কার ও স্থির পানি জমে যাওয়ার কথা থাকলেও উপযুক্ত পরিস্থিতিতে সেটি তরল থাকতে পারে। কারণ, পানি জমার জন্য যে বরফের বীজ প্রয়োজন, সেটি তখনো তৈরি হয়নি।

২০১৭ সালে সায়েন্টিফিক রিপোর্টস সাময়িকীতে প্রকাশিত ক্লডিয়া মারকোলি ও তাঁর সহকর্মীদের গবেষণায় অতিশীতল পানির ফোঁটায় বরফ তৈরির বিষয়টি আলোচনা করা হয়। গবেষণায় দেখা যায়, পানির অণুগুলোকে বরফের কাঠামো তৈরিতে সাহায্য করে এমন পৃষ্ঠ থাকলে বরফ তুলনামূলক বেশি তাপমাত্রায় তৈরি হতে পারে। পরিষ্কার ও বিশেষভাবে প্রস্তুত করা ছোট পানির ফোঁটার ক্ষেত্রে প্রায় ২৫০ কেলভিনের ওপরে বরফ তৈরির কথা উল্লেখ করা হয়েছে। সেলসিয়াস স্কেলে এই তাপমাত্রা প্রায় মাইনাস ২৩ ডিগ্রি।

ক্লডিয়া মারকোলি ও তাঁর সহকর্মীদের প্রকাশিত গবেষণায় দেখা যায়, পানির অণুগুলোকে বরফের কাঠামো তৈরিতে সাহায্য করে এমন পৃষ্ঠ থাকলে বরফ তুলনামূলক বেশি তাপমাত্রায় তৈরি হতে পারে।

পানি যত ঠান্ডা হয়, উপযুক্ত বরফের বীজ তৈরি হওয়ার সম্ভাবনাও সাধারণত তত বাড়ে। কিন্তু সেই সম্ভাবনা নির্ভর করে পানির বিশুদ্ধতা, পাত্রের পৃষ্ঠ, ফোঁটার আকার এবং কতক্ষণ অপেক্ষা করা হচ্ছে—এসব বিষয়ের ওপর। এ ঘটনা শুধু ফ্রিজারের বোতলে ঘটে না। আমাদের মাথার ওপরের মেঘেও এমন পানি থাকে। মেঘের ক্ষুদ্র জলকণাগুলো ০ ডিগ্রি সেলসিয়াসের নিচের তাপমাত্রাতেও তরল অবস্থায় ভেসে থাকতে পারে। কারণ, এত ছোট ফোঁটার মধ্যে বরফ তৈরির উপযুক্ত সূচনাবিন্দু পাওয়া সব সময় সহজ নয়।

যুক্তরাষ্ট্রের ন্যাশনাল ওয়েদার সার্ভিসের পরিভাষাতেও বলা হয়েছে, বায়ুমণ্ডলে তরল পানি ০ ডিগ্রি সেলসিয়াসের নিচের তাপমাত্রায় টিকে থাকতে পারে। আবহাওয়াবিদেরা এই বৈশিষ্ট্য কাজে লাগান। অতিশীতল মেঘে সিলভার আয়োডাইডের মতো পদার্থ ছড়িয়ে দিলে তার কণাগুলো বরফ তৈরির সূচনাবিন্দু হিসেবে কাজ করতে পারে। ফলে মেঘের জলকণাগুলো বরফে পরিণত হওয়ার প্রক্রিয়া শুরু করে।

যুক্তরাষ্ট্রের ন্যাশনাল ওয়েদার সার্ভিসের পরিভাষাতেও বলা হয়েছে, বায়ুমণ্ডলে তরল পানি ০ ডিগ্রি সেলসিয়াসের নিচের তাপমাত্রায় টিকে থাকতে পারে। আবহাওয়াবিদেরা এই বৈশিষ্ট্য কাজে লাগান।

পানি সর্বনিম্ন কত তাপমাত্রায় ঠান্ডা হয়েও তরল থাকতে পারে

পানিকে অতিশীতল করারও একটি সীমা আছে। পৃষ্ঠতল বা বাইরের কোনো কণা বরফ তৈরির সূচনা না করলেও পানির অণুগুলো নিজেরাই দৈবক্রমে এমন গুচ্ছ তৈরি করতে পারে, যা স্থায়ী বরফের স্ফটিকে পরিণত হয়। তাপমাত্রা যথেষ্ট কমে গেলে এই প্রক্রিয়া দ্রুত ঘটতে থাকে। মেঘের আকারের ছোট পানির ফোঁটার ক্ষেত্রে এই সীমা প্রায় ২৩৫ কেলভিন, অর্থাৎ মাইনাস ৩৮ ডিগ্রি সেলসিয়াস। ফোঁটার আকার ও অন্যান্য পরিস্থিতির ওপর নির্ভর করে সীমাটি কিছুটা বদলাতে পারে। তাই মাইনাস ৪০ ডিগ্রি সেলসিয়াসকে অনেক সময় অতিশীতল পানির একটি প্রচলিত সীমা হিসেবে উল্লেখ করা হয়। এর চেয়েও কম তাপমাত্রায় তরল পানি থাকতে পারে কি না, তা নিয়ে বিজ্ঞানীদের আগ্রহ দীর্ঘদিনের। পানির এমন একটি তাপমাত্রার অঞ্চল রয়েছে, যেখানে তরল অবস্থা এত দ্রুত বরফে পরিণত হতে পারে যে তা পরিমাপ করা কঠিন। বিজ্ঞানীরা একে কখনো কখনো ‘নো ম্যানস ল্যান্ড’ বলেন।

মেঘের আকারের ছোট পানির ফোঁটার ক্ষেত্রে এই সীমা প্রায় ২৩৫ কেলভিন, অর্থাৎ মাইনাস ৩৮ ডিগ্রি সেলসিয়াস। ফোঁটার আকার ও অন্যান্য পরিস্থিতির ওপর নির্ভর করে সীমাটি কিছুটা বদলাতে পারে।

২০১৪ সালে জোনাস সেলবার্গের নেতৃত্বে একদল গবেষক ভ্যাকুয়ামে বা শূন্যস্থানে ছড়িয়ে দেওয়া ক্ষুদ্র পানির ফোঁটার ওপর এক্স-রে লেজার ব্যবহার করেন। ফোঁটাগুলো বাষ্পীভবনের কারণে দ্রুত ঠান্ডা হচ্ছিল। গবেষকেরা প্রায় ২২৭ কেলভিন বা মাইনাস ৪৬ ডিগ্রি সেলসিয়াসের মতো চরম তাপমাত্রাতেও তরল পানির উপস্থিতি শনাক্ত করেন। কিছু ফোঁটা প্রায় এক মিলিসেকেন্ডের জন্য তরল অবস্থায় ছিল। তবে এই তাপমাত্রার হিসাব নিয়ে পরে প্রশ্ন ওঠে।

২০১৮ সালে ক্লডিয়া গয় ও তাঁর সহকর্মীরা বাষ্পীভবনের সময় পানির ফোঁটার আকার ও তাপমাত্রা নিয়ে গবেষণা করেন। তাঁদের পরীক্ষায় প্রায় ৬.৪ মাইক্রোমিটার চওড়া কিছু ফোঁটা ২৩০.৬ কেলভিন বা মাইনাস ৪২.৬ ডিগ্রি সেলসিয়াস তাপমাত্রাতেও তরল ছিল। তাঁদের ফলাফল থেকে বোঝা যায়, আগের গবেষণায় পানির তাপমাত্রার সীমা হয়তো আরও কম ধরে নেওয়া হয়েছিল।

২০২০ সালে যুক্তরাষ্ট্রের প্যাসিফিক নর্থওয়েস্ট ন্যাশনাল ল্যাবরেটরির একদল গবেষক ভিন্ন পদ্ধতি ব্যবহার করেন। তাঁরা বরফের পাতলা স্তরের ওপর লেজার রশ্মি প্রয়োগ করে অতি অল্প সময়ের জন্য তরল পানির মতো অবস্থা তৈরি করেন। এই অবস্থার তাপমাত্রা ছিল প্রায় ২৪৫ থেকে ১৯০ কেলভিন, অর্থাৎ মাইনাস ২৮ থেকে মাইনাস ৮৩ ডিগ্রি সেলসিয়াস। তবে এই পরীক্ষা ছিল ভিন্ন ধরনের নমুনা ও পদ্ধতির ওপর ভিত্তি করে। তাই একে পানির ক্ষুদ্র ফোঁটার আগের রেকর্ডগুলোর সরাসরি বিকল্প হিসেবে দেখা যায় না।

আরও পড়ুন

বিকেলে এনসিপির স্পোর্টস উইংয়ের আত্মপ্রকাশ, যোগ দিচ্ছেন দুই নাজমুল

গবেষকেরা প্রায় ২২৭ কেলভিন বা মাইনাস ৪৬ ডিগ্রি সেলসিয়াসের মতো চরম তাপমাত্রাতেও তরল পানির উপস্থিতি শনাক্ত করেন। কিছু ফোঁটা প্রায় এক মিলিসেকেন্ডের জন্য তরল অবস্থায় ছিল।

অতিশীতল পানিতে টোকা দিলেই বরফ জমে যায় কেন

এবার ফিরে আসা যাক সেই বোতলের ঘটনায়। ফ্রিজার থেকে বের করা পানির বোতলটি স্বচ্ছ ও তরল। কিন্তু টেবিলে টোকা দিতেই বরফ জমতে শুরু করে। অথচ বোতলের গায়ে থাকা পৃষ্ঠ বা পানির ভেতরে থাকা কণাগুলো তো আগেও ছিল। তাহলে একটি টোকা কীভাবে এত বড় পরিবর্তন ঘটায়? বিজ্ঞানীরা এক শতাব্দীরও বেশি সময় ধরে এ নিয়ে পরীক্ষা-নিরীক্ষা করছেন। ১৯০৬ সালে বার্নস দেখান, প্রবল আলোড়নের ফলে পাতিত পানি তুলনামূলক বেশি তাপমাত্রায় জমে যেতে পারে। তাঁর পরীক্ষায় পানির তাপমাত্রা ছিল প্রায় ২৬৯ থেকে ২৭০ কেলভিন, অর্থাৎ মাইনাস ৪ থেকে মাইনাস ৩ ডিগ্রি সেলসিয়াস।

১৯১৩ সালে ইয়ং ও ভ্যান সিকলেন পানির ট্যাংকে ডোবানো একটি নেহাইয়ের ওপর হাতুড়ি ফেলে অতিশীতল পানিকে জমিয়ে দেন। ১৯৪৮ সালে ডরসি দেখান, অতিশীতল পানি একটি নলের এক প্রান্ত থেকে অন্য প্রান্তে ঢাললেও সব সময় জমে যায় না। তবে প্রবল ঝাঁকুনিতে পানি জমার আগে প্রায় ২ ডিগ্রি পর্যন্ত উষ্ণ হতে পারে। পানি ঝাঁকালে কেন জমে যায়, তার ব্যাখ্যা নিয়ে বিভিন্ন গবেষণা হয়েছে। একটি ব্যাখ্যা অনুযায়ী, আকস্মিক ধাক্কায় পানির মধ্যে খুব অল্প সময়ের জন্য চাপের পরিবর্তন ঘটতে পারে। কোনো তরলকে শুধু চাপ দিলেই হয় না, বিশেষ পরিস্থিতিতে তাকে টানার মতো অবস্থাও তৈরি হতে পারে। পানির প্রসারণের ফলে স্থানীয়ভাবে ঋণাত্মক চাপ তৈরি হলে বরফ তৈরির প্রক্রিয়া সহজ হতে পারে।

১৯৪৮ সালে ডরসি দেখান, অতিশীতল পানি একটি নলের এক প্রান্ত থেকে অন্য প্রান্তে ঢাললেও সব সময় জমে যায় না। তবে প্রবল ঝাঁকুনিতে পানি জমার আগে প্রায় ২ ডিগ্রি পর্যন্ত উষ্ণ হতে পারে।

ক্লডিয়া মারকোলির একটি মডেলে দেখানো হয়েছে, প্রায় ২৬২ কেলভিন বা মাইনাস ১১ ডিগ্রি সেলসিয়াসের নিচে কিছু নির্দিষ্ট পরিস্থিতিতে বরফ তৈরির প্রক্রিয়া প্রতিযোগিতায় এগিয়ে যেতে পারে। এ ক্ষেত্রে প্রয়োজনীয় ঋণাত্মক চাপ প্রায় ১৮৯ মেগাপ্যাসকেল, যা বায়ুমণ্ডলীয় চাপের প্রায় ১ হাজার ৯০০ গুণ। বোতলে টোকা দিলে এমন চাপ তৈরি হওয়ার বিষয়টি ক্ষণস্থায়ী ও স্থানীয় হতে পারে। তবে ঝাঁকালে পানি জমে যাওয়ার সব ঘটনাকে শুধু এই ব্যাখ্যা দিয়ে বোঝানো যায় না। ধাক্কা বা আলোড়ন বরফ তৈরির সূচনা ঘটাতে পারে অন্যভাবেও। পাত্রের দেওয়ালে থাকা ক্ষুদ্র আঁচড়, পানির মধ্যে থাকা কণা কিংবা আগে থেকেই থাকা ক্ষুদ্র বরফের স্ফটিক এ ক্ষেত্রে ভূমিকা রাখতে পারে। একবার স্থিতিশীল বরফের স্ফটিক তৈরি হয়ে গেলে তার চারপাশে আরও পানির অণু যুক্ত হতে থাকে। ফলে বরফ দ্রুত ছড়িয়ে পড়ে।

ক্লডিয়া মারকোলির একটি মডেলে দেখানো হয়েছে, প্রায় ২৬২ কেলভিন বা মাইনাস ১১ ডিগ্রি সেলসিয়াসের নিচে কিছু নির্দিষ্ট পরিস্থিতিতে বরফ তৈরির প্রক্রিয়া প্রতিযোগিতায় এগিয়ে যেতে পারে।

নাড়াচাড়া করে কি পানি জমে যাওয়া রোধ করা যায়

এবার সেই প্রকৌশলীর প্রশ্নে ফেরা যাক। দ্রুত ঘুরতে থাকা সিমেন্ট মিক্সারের ড্রাম কি প্রচণ্ড ঠান্ডার মধ্যেও পানিকে তরল রাখতে পারবে? প্রশ্নটির একটি অংশের উত্তর হ্যাঁ। নড়াচড়া ও ঘর্ষণের কারণে যান্ত্রিক শক্তির কিছু অংশ তাপে রূপান্তরিত হতে পারে। উনিশ শতকের চল্লিশের দশকে বিজ্ঞানী জেমস প্রেসকট জুল একটি পাত্রে রাখা পানির মধ্যে প্যাডেল ঘুরিয়ে দেখিয়েছিলেন, যান্ত্রিক কাজের ফলে পানির তাপমাত্রা বাড়তে পারে। তাঁর পরীক্ষা শক্তি সংরক্ষণ নীতি প্রতিষ্ঠায় গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা রাখে। আলোড়নের ফলে তৈরি হওয়া তাপ সত্যিই পানিকে উষ্ণ করতে পারে। কিন্তু প্রশ্ন হলো, এই তাপ কি বাইরের ঠান্ডার সঙ্গে পাল্লা দেওয়ার জন্য যথেষ্ট?

ধরুন, বাইরে মাইনাস ১০ ডিগ্রি সেলসিয়াস তাপমাত্রা। স্টিলের তৈরি সিমেন্ট মিক্সারের ড্রাম বাইরের পরিবেশে ক্রমাগত তাপ হারাচ্ছে। মোটর থেকে তৈরি হওয়া তাপ যদি এই তাপক্ষয়ের চেয়ে কম হয়, তাহলে পানি ঠান্ডা হতেই থাকবে। শুধু ড্রাম ঘোরালেই পানি জমে যাওয়া ঠেকানো যাবে না। বরং সিমেন্ট মিক্সারের ভেতরের পরিবেশ বরফ তৈরির জন্য অনুকূল হতে পারে। ড্রামের স্টিলের দেওয়াল, বালি বা অন্যান্য কণা, পানির মধ্যে থাকা বুদবুদ এবং অবিরাম যান্ত্রিক আঘাত—সবই বরফ তৈরির সূচনা ঘটাতে সাহায্য করতে পারে। ফলে পানির তাপমাত্রা ০ ডিগ্রি সেলসিয়াসে পৌঁছালে সেটি অতিশীতল অবস্থায় থাকার সুযোগ কম পেতে পারে।

উনিশ শতকের চল্লিশের দশকে বিজ্ঞানী জেমস প্রেসকট জুল একটি পাত্রে রাখা পানির মধ্যে প্যাডেল ঘুরিয়ে দেখিয়েছিলেন, যান্ত্রিক কাজের ফলে পানির তাপমাত্রা বাড়তে পারে।

উত্তাল নদী পুরোপুরি জমে যায় না কেন

শীতকালে নদীর পানি জমে যাওয়ার দৃশ্য আমরা অনেক ছবিতে দেখি। কিন্তু নদীর সব পানি একসঙ্গে জমে যায় না কেন? বিশেষ করে যেখানে স্রোত প্রবল, সেখানে কী ঘটে? একটি নদীকে বিশাল আকারের মিশ্রণযন্ত্র হিসেবে কল্পনা করা যায়। নদীর স্রোত পানিকে নড়াচড়া করায়। ফলে ওপরের ঠান্ডা পানি ও নিচের তুলনামূলক উষ্ণ পানির মধ্যে মিশ্রণ ঘটে। নদীর তলদেশ থেকে উঠে আসা উষ্ণ পানি ওপরের স্তরকে ঠান্ডা হতে বাধা দিতে পারে। তাই নদীর পানি স্থির পুকুরের মতো আচরণ করে না। তবে নদীর পানি খুব ঠান্ডা হয়ে গেলে অন্য একটি ঘটনা ঘটে। স্রোতের মধ্যে থাকা পানি সামান্য পরিমাণে অতিশীতল হতে পারে। তখন নদীর ওপর বরফের একটানা চাদর তৈরির বদলে পানির ভেতরেই ক্ষুদ্র ক্ষুদ্র বরফের স্ফটিক তৈরি হতে থাকে। এ ধরনের বরফকে বলে ফ্রাজিল আইস।

নদীর স্রোত পানিকে নড়াচড়া করায়। ফলে ওপরের ঠান্ডা পানি ও নিচের তুলনামূলক উষ্ণ পানির মধ্যে মিশ্রণ ঘটে। নদীর তলদেশ থেকে উঠে আসা উষ্ণ পানি ওপরের স্তরকে ঠান্ডা হতে বাধা দিতে পারে।

নদীর বরফ নিয়ে দীর্ঘদিন গবেষণা করেছেন বার্নার্ড মিশেল। ১৯৬৭ সালে তিনি দেখান, প্রবাহিত পানি সাধারণত খুব সামান্য পরিমাণেই অতিশীতল হয়। তাঁর পর্যবেক্ষণে তাপমাত্রা হিমাঙ্কের চেয়ে মাত্র কয়েক শতাংশ ডিগ্রি কম ছিল। যুক্তরাষ্ট্রের ভূতাত্ত্বিক জরিপ সংস্থার একটি পরীক্ষাতেও প্রায় ০.০৫ থেকে ০.১ ডিগ্রি সেলসিয়াস অতিশীতল অবস্থায় ফ্রাজিল আইস তৈরির প্রমাণ পাওয়া যায়।

ফ্রাজিল আইস দেখতে অনেকটা সুচের মতো ক্ষুদ্র স্ফটিক বা পাতলা, গোলাকার বরফের টুকরোর মতো। এগুলো পানিতে ভেসে থাকে এবং একে অন্যের সঙ্গে লেগে দলা পাকাতে পারে। ফলে পানির মধ্যে বরফের কাদার মতো মিশ্রণ তৈরি হয়। এই বরফ নদীর তলদেশে জমে পাথর বা অন্য কোনো পৃষ্ঠের সঙ্গে আটকে যেতে পারে। একে বলে অ্যাঙ্কর আইস। নদীর সেতুর স্তম্ভ, পানির প্রবেশপথ কিংবা জলবিদ্যুৎকেন্দ্রের বিভিন্ন অংশে এই বরফ আটকে সমস্যা তৈরি করতে পারে। এমনকি জলপ্রপাতের প্রবল স্রোতেও ফ্রাজিল বরফ তৈরি হতে পারে।

আরও পড়ুন

হুমায়ুন আজাদ: অন্ধকার যুগের প্রগতির প্রদীপ

১৯৬৭ সালে বার্নার্ড মিশেল দেখান, প্রবাহিত পানি সাধারণত খুব সামান্য পরিমাণেই অতিশীতল হয়। তাঁর পর্যবেক্ষণে তাপমাত্রা হিমাঙ্কের চেয়ে মাত্র কয়েক শতাংশ ডিগ্রি কম ছিল।

অতিশীতল পানির ফোঁটা থেকে জমাট বৃষ্টি তৈরি হয় কীভাবে

শুধু ফ্রিজারের বোতলেই নয়, শীতের বৃষ্টিতেও অতিশীতল পানির ভূমিকা আছে। কখনো কখনো আকাশ থেকে বৃষ্টি ঝরে পড়ে, কিন্তু মাটিতে পড়ার সঙ্গেই তা বরফে পরিণত হয়। রাস্তা, গাছের ডাল, গাড়ির কাচ কিংবা বিদ্যুতের তারের ওপর বরফের আস্তরণ তৈরি হয়। এ ঘটনাকে বলে জমাট বৃষ্টি বা ফ্রিজিং রেইন। এর জন্য বায়ুমণ্ডলের তাপমাত্রার একটি বিশেষ বিন্যাস প্রয়োজন। প্রথমে ওপরের ঠান্ডা অঞ্চলে বরফের কণা বা তুষার তৈরি হয়।

নিচের দিকে নামতে নামতে এগুলো উষ্ণ বায়ুর স্তরে প্রবেশ করে এবং গলে বৃষ্টির ফোঁটায় পরিণত হয়। এরপর ফোঁটাগুলো মাটির কাছাকাছি ০ ডিগ্রি সেলসিয়াসের নিচের একটি ঠান্ডা বায়ুস্তরের মধ্য দিয়ে যায়।

এই ঠান্ডা স্তরটি অগভীর হলে ফোঁটাগুলো পুরোপুরি জমে যাওয়ার মতো সময় পায় না। ফলে সেগুলো তরল অবস্থাতেই মাটির দিকে নেমে আসে। কিন্তু ফোঁটাগুলো যখন কোনো ঠান্ডা পৃষ্ঠে আঘাত করে, তখন বরফ তৈরির সূচনা ঘটে এবং সেগুলো দ্রুত জমে যায়।

যুক্তরাষ্ট্রের ন্যাশনাল ওয়েদার সার্ভিসের ব্যাখ্যা অনুযায়ী, জমাট বৃষ্টি হলো এমন বৃষ্টি, যা মাটির সংস্পর্শে এসে জমে বরফের আস্তরণ তৈরি করে। এ ঘটনাকে ফ্রিজারের বোতলে টোকা দেওয়ার ঘটনার সঙ্গে তুলনা করা যায়। বোতলের ক্ষেত্রে পানি অতিশীতল অবস্থায় থাকে, তারপর টোকা বরফ তৈরির সূচনা ঘটায়। জমাট বৃষ্টির ক্ষেত্রে ফোঁটাগুলো অতিশীতল অবস্থায় মাটিতে পৌঁছায় আর ঠান্ডা পৃষ্ঠের সংস্পর্শে এসে জমে যায়।

বৃষ্টির ফোঁটাগুলো মাটির কাছাকাছি ০ ডিগ্রি সেলসিয়াসের নিচের একটি ঠান্ডা বায়ুস্তরের মধ্য দিয়ে যায়। এই ঠান্ডা স্তরটি অগভীর হলে ফোঁটাগুলো পুরোপুরি জমে যাওয়ার মতো সময় পায় না।

তাহলে ০ ডিগ্রি সেলসিয়াসের নিচেও পানি তরল থাকে কীভাবে

এতক্ষণে নিশ্চয়ই বোঝা গেছে, পানি জমে যাওয়ার বিষয়টি শুধু তাপমাত্রার ওপর নির্ভর করে না। পানি বরফে পরিণত হওয়ার জন্য একটি সূচনাবিন্দু প্রয়োজন হতে পারে। পরিষ্কার ও স্থির পানিতে সেই সূচনাবিন্দু তৈরি হতে দেরি হলে পানি হিমাঙ্কের নিচেও তরল থাকতে পারে। এই অবস্থাকে বলে অতিশীতলীকরণ। ফ্রিজারে রাখা একটি পরিষ্কার বোতলের পানি মাইনাস ১০ ডিগ্রি সেলসিয়াস তাপমাত্রাতেও তরল থাকতে পারে। কিন্তু বোতলে টোকা দিলে বা ঝাঁকালে বরফ তৈরির প্রক্রিয়া শুরু হতে পারে। একবার বরফের স্থিতিশীল স্ফটিক তৈরি হলে তার চারপাশে আরও বরফ জমতে থাকে।

তবে পানি ঝাঁকালেই যে সব সময় জমে যাবে, তা নয়। পানির বিশুদ্ধতা, তাপমাত্রা, পাত্রের পৃষ্ঠ এবং অন্যান্য পরিস্থিতির ওপর বিষয়টি নির্ভর করে। একইভাবে প্রবাহিত নদীর পানিও সামান্য অতিশীতল হয়ে ফ্রাজিল বরফ তৈরি করতে পারে। আবার অতিশীতল বৃষ্টির ফোঁটা ঠান্ডা কোনো পৃষ্ঠে পড়লে জমে যায়। বিমানের ডানায় বরফ জমার ক্ষেত্রেও একই ধরনের পদার্থবৈজ্ঞানিক প্রক্রিয়া কাজ করে।

পানি বরফে পরিণত হওয়ার জন্য একটি সূচনাবিন্দু প্রয়োজন হতে পারে। পরিষ্কার ও স্থির পানিতে সেই বিন্দু তৈরি হতে দেরি হলে পানি হিমাঙ্কের নিচেও তরল থাকতে পারে। একে বলে অতিশীতলীকরণ।

আর বরফ জমার সময় নির্গত তাপের কারণে অতিশীতল পানির বোতল সাধারণত একবারে পুরোপুরি জমে যায় না। মাইনাস ১০ ডিগ্রি সেলসিয়াস তাপমাত্রার পানির ক্ষেত্রে আনুমানিক এক-অষ্টমাংশ পানি জমলেই নির্গত তাপ বাকি পানিকে ০ ডিগ্রি সেলসিয়াসে উষ্ণ করতে পারে। ফলে তৈরি হয় বরফকুচি ও পানির মিশ্রণ। এ ঘটনার সঙ্গে আরেকটি মজার বিষয়ের মিল আছে। মাইক্রোওয়েভে কখনো কখনো পানিকে না ফুটিয়েই ১০০ ডিগ্রি সেলসিয়াসের চেয়ে বেশি গরম করা যায়। পরে কাপ নাড়ালে বা পানি সরালে হঠাৎ বুদবুদ তৈরি হয়ে পানি উপচে পড়তে পারে। এ ঘটনাকে বলে অতিতাপন বা সুপারহিটিং। অতিশীতলীকরণের ক্ষেত্রে পানি হিমাঙ্কের নিচে থেকেও তরল থাকে, আর অতিতাপনের ক্ষেত্রে পানি স্ফুটনাঙ্কের ওপরে থেকেও তরল থাকতে পারে।

লেখক: প্রদায়ক, বিজ্ঞানচিন্তা

সূত্র: সায়েন্স এবিসি

সূত্র: প্রথম আলো