स्केटिंग रिंक पर कृत्रिम बर्फ की संरचना प्राकृतिक बर्फ से पूरी तरह भिन्न क्यों होती है?

यह ब्लॉग पोस्ट प्योंगचांग शीतकालीन ओलंपिक में प्रदर्शित असाधारण बर्फ की गुणवत्ता के पीछे के रहस्य की पड़ताल करता है, तथा उन वैज्ञानिक सिद्धांतों का विवरण देता है जो कृत्रिम बर्फ को प्राकृतिक बर्फ से पूरी तरह अलग संरचना प्रदान करते हैं, तथा प्रत्येक खेल के लिए आवश्यक परिस्थितियों में अंतर की व्याख्या करता है।

बहुत समय पहले, दक्षिण कोरिया में 9 से 25 फरवरी, 2018 तक आयोजित प्योंगचांग शीतकालीन ओलंपिक सफलतापूर्वक संपन्न हुए और कई अंतरराष्ट्रीय मीडिया संस्थानों ने उनकी खूब प्रशंसा की। उद्घाटन समारोह के दौरान, इंटेल ने 1,218 ड्रोनों के साथ झुंड उड़ान तकनीक का उपयोग करते हुए आकाश में ड्रोन ओलंपिक ध्वज बनाया। प्योंगचांग शीतकालीन ओलंपिक का शुभंकर, 'सुहोरंग', वैश्विक स्तर पर लोकप्रिय हुआ और आधिकारिक व्यापारिक दुकानों में उसके सभी खिलौने बिक गए। इतना ही नहीं, इस ओलंपिक को न केवल लोकप्रियता के लिए बल्कि रिकॉर्ड बनाने के लिए भी खूब सराहना मिली। 2018 के प्योंगचांग शीतकालीन ओलंपिक के दौरान, बर्फ के खेलों में लगातार तीन नए विश्व रिकॉर्ड और 25 नए ओलंपिक रिकॉर्ड टूटे। यह 2010 के वैंकूवर शीतकालीन ओलंपिक (2 नए विश्व रिकॉर्ड, 21 नए ओलंपिक रिकॉर्ड) के बाद से नए रिकॉर्डों की सबसे बड़ी संख्या है, जो 2014 के सोची शीतकालीन ओलंपिक (11 नए ओलंपिक रिकॉर्ड) को भी पीछे छोड़ देती है। नए रिकॉर्डों की इस निरंतर वृद्धि का मुख्य कारण निस्संदेह आयोजन स्थलों पर बर्फ की उत्कृष्ट गुणवत्ता थी। गंगनेउंग आइस एरिना और स्पीड स्केटिंग ओवल में प्रशिक्षण लेने वाली ब्रिटिश स्केटर एलिस क्रिस्टी और जापानी स्केटर नाओ कोडाइरा ने भी संतोष व्यक्त करते हुए कहा, “बर्फ की गुणवत्ता वाकई बहुत अच्छी है। ऐसा लगता है जैसे विश्व रिकॉर्ड टूट पड़ेंगे।” तो आखिर प्योंगचांग में इतनी सराही जाने वाली यह बर्फ आखिर बनी कैसे?
बर्फ की रिंक में बर्फ उस बर्फ के बिल्कुल विपरीत दिशा में बनती है जो झीलों या नदियों पर प्राकृतिक रूप से जमती है। सबसे पहले, हमें पदार्थों में चरण परिवर्तन और घनत्व के बीच संबंध की जांच करने की आवश्यकता है। अधिकांश पदार्थों के लिए, जब तापमान गिरता है और अवस्था तरल से ठोस में बदलती है, तो कणों के बीच की दूरी कम हो जाती है, जिससे घनत्व बढ़ जाता है। हालांकि, जब पानी तरल से ठोस में बदल जाता है, तो स्वतंत्र रूप से घूमने वाले पानी के अणु एक षट्कोणीय संरचना बनाते हैं, जिससे खाली स्थान बनते हैं। इससे वास्तव में आयतन बढ़ जाता है और घनत्व कम हो जाता है। जैसे-जैसे बर्फ का तापमान बढ़ता है और फिर से पिघलना शुरू होता है, इनमें से अधिकांश खाली स्थान गलनांक पर भर जाते हैं। शेष खाली स्थान केवल तब भरते हैं जब पानी का तापमान 4°C तक बढ़ जाता है
जब पानी ठंडा होता है, तब तक संवहन होता रहता है जब तक कि निचली परत 4°C तक नहीं पहुँच जाती। निचली परत के 4°C तक पहुँचने पर, संवहन रुक जाता है। अगर सतह का पानी 0°C तक गिरकर जम भी जाए, तो भी बर्फ पानी के ऊपर तैरती रहती है। यह सिद्धांत बताता है कि प्राकृतिक बर्फ सतह से नीचे क्यों बनती है। इस सिद्धांत को लागू करने पर, हम देखते हैं कि एक बहुत मोटी बर्फ की रिंक को एक ही बार में पूरी तरह से जमने के लिए, अंदर का तापमान बेहद कम होना चाहिए।
हालांकि, स्केटिंग रिंक के लिए बर्फ को प्रकृति के विपरीत नीचे से ऊपर तक जमाना चाहिए। सबसे पहले, कंक्रीट के फर्श पर नियमित अंतराल पर कूलिंग पाइप बिछाए जाते हैं। फिर, फर्श के तापमान को -15 से -10 डिग्री सेल्सियस तक कम करने के लिए इन पाइपों के माध्यम से एथिलीन ग्लाइकॉल नामक एक शीतलक को प्रसारित किया जाता है। फिर बर्फ की एक पतली परत बनाने के लिए सतह पर हल्के से पानी का छिड़काव किया जाता है। अशुद्धियाँ और हवा के बुलबुले सतह पर आ जाते हैं, जहाँ उन्हें रीसर्फेसर से खुरच कर हटा दिया जाता है। पतली परत जमाने, खुरचने और फिर से जमाने की यह प्रक्रिया दोहराई जाती है। जब 1 मिमी मोटी बर्फ की परत बन जाती है, तो उसके ऊपर सफेद रंग लगाया जाता है। घटना के आधार पर, घर की रेखाएँ या शुरुआती रेखाएँ चिह्नित की जाती हैं। यद्यपि आवश्यक बर्फ की मोटाई खेल के अनुसार अलग-अलग होती है, लेकिन आमतौर पर, एक आइस रिंक को पूरा करने के लिए इन पतली बर्फ परतों को बनाने के सैकड़ों दोहराव की आवश्यकता होती है।
पतली बर्फ की कई परतें बिछाने का कारण ठोस बर्फ बनाना है, जिससे उसमें दरार पड़ने की संभावना कम हो जाती है। उदाहरण के लिए, यदि 3-4 सेंटीमीटर पानी एक साथ डाला जाए और जमा दिया जाए, तो बर्फ बनाने वाले पानी के अणु षट्भुजाकार संरचना में जुड़ जाएंगे। इससे बर्फ में मामूली झटके से भी दरार पड़ने की संभावना बढ़ जाती है, जिससे पूरे आइस रिंक के टूटने का खतरा हो सकता है। इसलिए, परत दर परत बर्फ बनाने की यह नाजुक प्रक्रिया आवश्यक है। यह विधि अशुद्धियों और ऑक्सीजन के बुलबुले से मुक्त शुद्ध बर्फ बनाने में भी सहायक है। यदि बर्फ में ऑक्सीजन की सांद्रता बढ़ जाती है, तो वह अपारदर्शी हो जाती है, उसकी मजबूती कम हो जाती है और उसकी ऊष्मीय चालकता कम हो जाती है, जिससे फर्श को ठंडा करने वाली पाइपों से ठंड का उचित स्थानांतरण रुक जाता है। इसलिए, ऑक्सीजन-मुक्त बर्फ बनाना अत्यंत महत्वपूर्ण है।
बर्फ की सतह तैयार हो जाने के बाद, मैदान के अंदर की नमी और तापमान के साथ-साथ बर्फ की सतह का इष्टतम तापमान बनाए रखना भी अत्यंत महत्वपूर्ण है। प्रत्येक खेल—शॉर्ट ट्रैक, स्पीड स्केटिंग, फिगर स्केटिंग, कर्लिंग—के लिए आवश्यक बर्फ की गुणवत्ता अलग-अलग होती है, और बर्फ की स्थिति प्रदर्शन को काफी प्रभावित करती है, प्रत्येक खेल के लिए उच्च मानक निर्धारित होते हैं। सबसे पहले, बर्फ की सतह का तापमान उसकी मजबूती निर्धारित करता है। -8.3°C और 5.0°C के बीच के तापमान पर रखी गई बर्फ को कठोर बर्फ कहा जाता है। इस गुणवत्ता वाली बर्फ से स्केटिंग तेज और सुगम होती है। हालांकि, इस 'कठोरता' के मानक में एक बहुत ही नाजुक और चुनौतीपूर्ण शर्त शामिल है: यह इतनी कठोर होनी चाहिए कि एथलीटों द्वारा शुरुआती लाइन से धक्का देते समय लगाए गए बल को सहन कर सके, लेकिन इतनी कठोर भी नहीं होनी चाहिए कि स्केट ब्लेड फिसल जाएं। इसके विपरीत, लगभग -4.4°C और 1.7°C के बीच के तापमान पर रखी गई बर्फ को नरम बर्फ माना जाता है। हालांकि नरम, लचीली बर्फ की सतह असमान होती है, लेकिन फिगर स्केटिंग में ऊंची छलांग के बाद उतरने के दौरान यह झटके को अवशोषित कर सकती है। स्केट के ब्लेड कठोर बर्फ की तुलना में नरम बर्फ में अधिक गहराई तक धंसते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अधिक घर्षण और खिंचाव होता है, जो गति को धीमा कर देता है।
दूसरा, खेल के मैदान में नमी का स्तर भी स्केटर्स की गति को प्रभावित कर सकता है। बर्फीले खेलों में अधिक नमी के कारण बर्फ की सतह पर पाला जम जाता है, जिससे उभार बन जाते हैं। स्केट इन उभारों पर अटक जाते हैं, जिससे स्केटर्स के लिए अपनी गति को नियंत्रित करना मुश्किल हो जाता है। इसके विपरीत, यदि खेल के मैदान का भीतरी भाग अत्यधिक सूखा हो, तो बर्फ को फिसलनदार बनाने वाली सारी नमी वाष्पित हो जाती है, जिससे प्रतियोगिता बाधित हो सकती है। इसलिए, भीतरी नमी को उचित स्तर पर बनाए रखना महत्वपूर्ण है। इसे प्राप्त करने के लिए, खेल के मैदान के भीतर नमी सोखने वाले डीह्यूमिडिफायर लगाए जाते हैं।
अब, आइए प्रत्येक स्केटिंग प्रतियोगिता के लिए आवश्यक बर्फ की स्थिति की जाँच करें। शॉर्ट ट्रैक प्रतियोगिताओं की बर्फ लगभग 3.5 सेमी मोटी और लगभग -5.5° सेल्सियस तापमान पर बनी रहनी चाहिए। यदि शॉर्ट ट्रैक रिंक की बर्फ बहुत नरम है, तो स्केटर्स के ब्लेड मोड़ पर बर्फ में बहुत गहराई तक धँस जाते हैं, जिससे वे पूरी गति से दौड़ नहीं पाते और गिरने का जोखिम काफी बढ़ जाता है। बर्फ गुणवत्ता प्रबंधक, बे की-ताए ने बताया, "शॉर्ट ट्रैक रेस के दौरान, बर्फ की सतह की मरम्मत के लिए लगातार पानी का छिड़काव किया जाता है, जिससे यह धीरे-धीरे मोटी हो जाती है। हालाँकि, बहुत मोटी बर्फ को तापमान के हिसाब से नियंत्रित करना मुश्किल होता है, इसलिए हम शुरुआत में इसे पतला करते हैं।" स्पीड स्केटिंग प्रतियोगिताओं के लिए बर्फ की मोटाई लगभग 2.5 सेमी से 3.0 सेमी होती है, और तापमान -9° सेल्सियस और -5° सेल्सियस के बीच बनाए रखना आवश्यक है। स्पीड स्केटिंग में, अच्छी बर्फ का मतलब तेज़ बर्फ होता है। यह स्केटर्स के धक्का देने के बल को झेलने के लिए पर्याप्त कठोर होनी चाहिए, फिर भी सतह बहुत बारीक पिघली होनी चाहिए ताकि स्केट ब्लेड आसानी से फिसल सकें। हालांकि दोनों ही खेल रिकार्ड-आधारित प्रतियोगिताएं हैं, लेकिन स्पीड स्केटिंग रिंक की बर्फ अधिक कठिन होती है, क्योंकि सीधे ट्रैक लंबे होते हैं, उच्च गति की आवश्यकता होती है, तथा दौड़ के दौरान गति नियंत्रण की मांग करने वाली स्थितियाँ अपेक्षाकृत कम होती हैं।
फ़िगर स्केटिंग रिंक की बर्फ़ लगभग 4.5 सेमी से 5 सेमी मोटी होती है, और इसके लिए -3°C तापमान पर नरम बर्फ़ की आवश्यकता होती है। यदि फ़िगर स्केटिंग रिंक में बर्फ़ का तापमान बहुत कम हो, जिससे वह इतनी कठोर हो जाए कि स्केट ब्लेड के दबाव में आसानी से पिघल न सके, तो स्केटर के ज़ोरदार छलांग लगाने और ज़मीन पर गिरने पर बर्फ़ की सतह पर दरारें पड़ सकती हैं। फ़िगर स्केटिंग में नरम बर्फ़ ज़रूरी है क्योंकि यह ऐसे झटकों को सहने के लिए एक कुशन की तरह काम करती है।
कर्लिंग के मैदानों में बर्फ की सतह को 'कर्लिंग शीट' कहा जाता है और इसकी विशेषताएँ स्केटिंग रिंक से बिल्कुल अलग होती हैं। जहाँ स्केटिंग रिंक की बर्फ की सतह आमतौर पर लगभग दो दिनों में तैयार हो जाती है, वहीं कर्लिंग शीट बनाने में चार से दस दिन तक लग जाते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि कर्लिंग में बर्फ की सतह का समतल होना किसी भी अन्य खेल की तुलना में ज़्यादा महत्वपूर्ण होता है। इसलिए, बर्फ को 4 से 5 अलग-अलग चरणों में परतों में जमाया जाता है। इसके अतिरिक्त, 'पेबलिंग' नामक एक प्रक्रिया भी अपनाई जाती है, जिसमें 'पेबल्स' नामक छोटे-छोटे बर्फ के कण बर्फ की सतह पर छिड़के जाते हैं। ये कंकड़ कर्लिंग स्टोन के लिए बर्फ पर आसानी से फिसलने और स्वाभाविक रूप से अंदर या बाहर की ओर मुड़ने के लिए ज़रूरी होते हैं।
शीतकालीन ओलंपिक प्रतियोगिताओं में बर्फ की गुणवत्ता एक प्रमुख कारक बन जाती है। 2014 के सोची शीतकालीन ओलंपिक में, बर्फ अत्यधिक नरम और असमान थी और उसमें कई गड्ढे थे, जिससे एथलीट बार-बार गिरते थे। उल्लेखनीय रूप से, फिगर स्केटर युज़ुरु हान्यू और शॉर्ट ट्रैक स्पीड स्केटर पार्क सेउंग-हुई जैसे शीर्ष दावेदारों के बर्फ पर लड़खड़ाने के दृश्य कई बार कैद हुए। प्योंगचांग ओलंपिक ने सोची खेलों के सबक से सीखा, जहाँ भारी निवेश के बावजूद, बर्फ की गुणवत्ता के मुद्दों के कारण खराब मूल्यांकन हुए। पूरी प्रक्रिया के दौरान सावधानीपूर्वक बर्फ प्रबंधन के माध्यम से—जिसमें न केवल सटीक रूप से डिज़ाइन की गई बर्फ की सतह शामिल है, बल्कि वास्तविक समय में बर्फ की स्थिति की निगरानी के लिए उन्नत बर्फ बनाने की सुविधाएँ और गर्मी को कम करने के लिए एलईडी लाइटिंग भी शामिल है—आयोजकों ने एक ऐसा स्थल बनाने में सफलता प्राप्त की जिसने एथलीटों से दुनिया भर में प्रशंसा अर्जित की। यह देखते हुए कि बर्फ की विशेषताएँ प्रतियोगिताओं के परिणाम निर्धारित कर सकती हैं, भविष्य के शीतकालीन ओलंपिक के लिए कठोर बर्फ गुणवत्ता प्रबंधन का ऐसा उच्च स्तर बनाए रखा जाना चाहिए।