عتبة الاختراق لتدفق السوائل العمودي عبر جليد البحر الحبيبي

لماذا تهم المسالك الدقيقة داخل جليد البحر

قد يبدو جليد البحر كلوح صلب وميت، لكنه في الداخل مليء بقنوات مجهرية من الماء المالح. تتحكم هذه المسالك الخفية في كيفية انتقال الحرارة والغازات والمغذيات بين المحيط والغلاف الجوي، مما يؤثر على كل شيء من المناخ إلى بقاء الطحالب التي تعيش داخل الجليد. يطرح هذا البحث سؤالاً بسيطاً لكنه حاسم: متى تصبح شبكة الأنابيب الداخلية لجليد البحر متصلة بما يكفي ليتدفق الماء صعوداً وهبوطاً بحرية؟ تبين أن الإجابة تختلف كثيراً اعتماداً على كيفية ترتيب بلورات الجليد، وللاختلاف آثار كبيرة على نمذجة عالم قطبي دافئ.

نوعان من جليد البحر وسلوكان مختلفان جداً

ليس كل جليد البحر مبنياً بنفس الطريقة. في الجليد «العمودي»، تنمو البلورات كصفائح طولية عمودية مع احتجاز محلول الملح في صفائح وقنوات طبقية بينها. في الجليد «الحبيبي»، تشبه البلورات كومة حبيبات صغيرة، ويملأ المحلول المالح أفلاماً رقيقة وجيوباً في الفراغات البينية. أظهرت أعمال سابقة أن الجليد العمودي يصبح عملياً محكم الإغلاق أمام التدفق العمودي للكتلة عندما ينخفض حجم المحلول المالح إلى أقل من نحو 5 بالمئة. فوق ذلك المستوى، يمكن للسائل المالح أن يخترق عبر مسارات مستمرة. تُعرف هذه القاعدة البسيطة باسم «قاعدة الخمسات» وتستخدم على نطاق واسع في نماذج جليد البحر. لكن الجليد الحبيبي، الشائع في القارة القطبية الجنوبية والذي يزداد انتشاره في رقعة الجليد الأرقطية الأرقّ والأصغر سناً، كان يُشتبه في أنه يتصرف بشكل مختلف لأن شبكة المحلول المالح فيه أقل اتصالاً بشكل منتظم.

قياس متى يمكن للماء أن يتحرك

لتحديد سلوك الجليد الحبيبي، أجرى المؤلفون أكثر من مئة قياس ميداني على جليد العبّارة السنوي في القارة القطبية الجنوبية خلال حملة SIPEX II. حفروا ثقوباً رأسية جزئية في الجليد، وختموا الجوانب بأنبوب مناسب، واستخدموا حسّاسات ضغط لتتبع سرعة ارتفاع ماء البحر داخل الثقب من الأسفل. من خلال هذا «اختبار السحب» (bail test)، استطاعوا حساب مدى سهولة حركة الماء عبر الجليد مباشرة تحت الثقب. ثم جمعوا هذه القياسات مع ملفات مفصّلة لدرجة الحرارة والملوحة وبنية البلورات من نوى قريبة لتحديد كل من محتوى المحلول المحلي وما إذا كان الجليد هناك عمودياً أم حبيبياً. كشفت النتائج نمطاً لافتاً: كان الجليد الحبيبي عملياً غير نافذ تحت حجم محلول مالح يقارب 10 بالمئة، ولا يصبح نافذاً إلا فوق هذه العتبة الأعلى.

دلائل داعمة من الصبغات والنماذج البسيطة

أعاد المؤلفون أيضاً فحص تجارب متعقبة بالأصباغ من رحلة قطبية سابقة، حيث صُبّ ماء ملون ومبرد على كتل مقلوبة من جليد البحر. في كل حالة، غاص السائل المصبوغ سريعاً عبر طبقة علوية شديدة النفاذية لكنه توقف فجأة عند طبقات أعمق وأكثر برودة حيث كان حجم المحلول حوالي 10 بالمئة. وعلى الرغم من أن هذه التجارب كانت استكشافية في الأصل، فقد كررت بشكل مستقل حد القطع عند 10 بالمئة الذي لوحظ في اختبارات السحب. لفهم سبب حاجة الجليد الحبيبي إلى محتوى محلول أعلى لتمرير السائل، لجأ الباحثون إلى نموذج بسيط طُوّر أصلاً لمخاليط من البوليمرات ومساحيق المعادن. بقياس أحجام حبيبات الجليد وأفلام المحلول المحيطة بها في صور ميكروغرافية لجليد القارة القطبية الجنوبية، عدّلوا إطار «المسحوق المضغوط» هذا فوجدوا أنه يتنبأ بطبيعة الحال بعتبة اختراق أعلى للجليد الحبيبي (نحو 10 بالمئة) مقارنة بالجليد العمودي (نحو 5 بالمئة).

قاعدة عالمية مخفية في العشوائية

بعيداً عن تحديد العتبة نفسها، اختبرت الدراسة توقعات من نظرية الاختراق (percolation theory) — وهو فرع من الفيزياء الإحصائية يصف كيف تنقفل الاتصالات فجأة في الأنظمة العشوائية. فوق العتبة، تتنبأ النظرية بأن النفاذية تتبع قانون قوة بسيط بمقدار ابتعاد النظام عن النقطة الحرجة، مع ما يُسمى الأسّ الحرج الذي يكون «عالمياً»، أي يعتمد فقط على البُعد لا على التفاصيل الميكروسكوبية. ومن المدهش أن أعمالاً سابقة أظهرت أن الجليد العمودي يتصرف كما لو أنه يشارك نفس الأسّ مع النماذج الشبكية المثالية. من خلال دمج قياسات النفاذية الجديدة على الجليد الحبيبي مع تصوير سابق لمساحات المسام فيه، يبرهن المؤلفون أن الجليد الحبيبي يتبع نفس المقياس العالمي. بمجرد تجاوزه لعتبة 10 بالمئة، ترتفع نفاذيته مع محتوى المحلول المالح بطريقة رياضية تقارب تلك الخاصة بكل من الجليد العمودي وشبكات النماذج المجردة.

ما يعنيه هذا للمناخ والحياة داخل الجليد

للعلماء الذين يحاولون التنبؤ بمناخ القطبين وكيمياء المحيط والنظم البيئية المرتبطة بالجليد، تحمل هذه النتائج رسالة واضحة: لا يمكن افتراض حد واحد وموحّد متى يصبح جليد البحر نافذاً. الجليد الحبيبي، الذي يشكل جزءاً كبيراً من رقعة الجليد في القارة القطبية الجنوبية ويزداد وجوده في القطب الشمالي، يسمح بالتدفق العمودي للكتلة فقط عندما يصل جزء المحلول المالح إلى نحو 10 بالمئة — أي ضعف ما تشير إليه «قاعدة الخمسات» المعروفة للجليد العمودي. تؤثر هذه العتبة الأعلى على سرعتها في تصريف مياه الذوبان، وتشكّل البرك على السطح، وفاعلية حركة المغذيات والغازات عبر الجليد. وفي الوقت نفسه، يعزز الاكتشاف بأن كلا النوعين من الجليد يشتركان في القياس العالمي نفسه فوق عتباتهما المختلفة فكرة أن الفيزياء الإحصائية توفر لغة موحّدة قوية لوصف النسيج المعقد والمتغير لجليد بحر القطبين.

الاستشهاد: Golden, K.M., Furse, C.M., Gully, A. et al. Percolation threshold for vertical fluid flow through granular sea ice. Sci Rep 16, 11435 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41706-w

الكلمات المفتاحية: نفاذية جليد البحر, جليد البحر الحبيبي, عتبة الاختراق, مناخ القطب, قنوات الملوحة