تحديد كثافة الثلج بصريًا عبر التبعثر تحت السطحي

لماذا تهم سطوعات الثلج

الثلج يفعل أكثر من مجرد تزيين المشاهد الشتوية. سطوعه يساعد على تبريد الكوكب عبر عكس ضوء الشمس إلى الفضاء، وتركيبه يحدد كيف ينتقل الحرارة بين الهواء والثلج والتربة. نفس الخصائص تؤثر على إمدادات المياه، وتنبؤات الطقس، وخطر الانهيارات الثلجية. ومع ذلك فإن كمية محورية واحدة، وهي كثافة الثلج، ما تزال صعبة القياس السريع خارج المختبر. تقدم هذه الدراسة طريقة جديدة لتحديد كثافة الثلج ببساطة عن طريق تسليط الضوء عليه وتسجيل كيف يتبعثر ذلك الضوء ويعود من تحت السطح.

نظرة تحت السطح الأبيض

عندما يصطدم الضوء بالثلج، فإنه لا ينعكس فقط عن السطح العلوي. الثلج عبارة عن خليط من حبيبات الجليد والفراغات الهوائية، لذا يخترق الضوء الداخل بضعة سنتيمترات ويتبعثر من حبة إلى أخرى قبل أن يخرج بعضه مرة أخرى. يستخدم العلماء بالفعل السطوع الكلي—أو الانعكاس المنتشر الكلي—للثلج لتقدير المساحة السطحية النوعية، وهي مقياس لمقدار سطح الجليد لكل وحدة كتلة. لكن الكثافة، التي تخبرنا كم من الجليد مضغوط في حجم معين، كانت أصعب بكثير في الاستدلال البصري. تقليديًا تُقاس الكثافة بقص ووزن عينات أو بواسطة التصوير المقطعي المجهري بالأشعة السينية، وكلاهما دقيق لكن بطيء ومجهد. يسأل المؤلفون: هل يمكن لطريقة تبعثر الضوء تحت السطح أن تكشف الكثافة مباشرة دون قطع الثلج؟

تحويل أنماط الضوء إلى خصائص مادية

يبني الباحثون على نظرية نقل الإشعاع، التي تربط كيفية انتقال الضوء عبر مادة ببنية تلك المادة الدقيقة. يركزون على ثلج يمتص ضوء الأشعة تحت الحمراء القريب بشكل ضعيف لكنه يبعثره بقوة، وهو وصف مناسب للثلج الطبيعي الجاف. رقمين بصريين هما الأهم: معدل امتصاص الضوء ومعدل تشتته. وتعتمد هذان المعدّلان بدورهما على خاصيتين ماديتين: المساحة السطحية النوعية (المشفرة في «قُطر مكافئ بصري» لحبيبات الجليد) وكسرة الحجم المملوءة بالجليد، والتي تعكس الكثافة مباشرة. باستخدام تقريب الانتشار—وهو وصف مبسط لنقل الضوء عندما يهيمن التشتت—يحسبون مقدار الضوء المرتد جزئيًا الذي يهرب ضمن نصف قطر معين من نقطة دخول الضوء. هذه الكمية، المسماة الانعكاس المنتشر الجزئي، تتبيّن أنها تعتمد على كل من مساحة الحبيبات السطحية والكثافة، على عكس الانعكاس الكلي الذي يعتمد بشكل رئيسي على مساحة الحبيبات السطحية.

التقاط جزء فقط من الضوء العائد

الفكرة الأساسية هي جمع جزء فقط من الضوء الراجع عن الثلج عمداً، عن طريق «اقتطاع» الإشارة مكانياً. في النموذج الرياضي يتم ذلك بدمج الانعكاس فقط حتى نصف قطر نهائي حول مصدر ضوئي نقطة. في التجربة، يحاكي الفريق هذا بوضع قناع ذو فتحات أمام وجه ثلجي عمودي. يضيء مصدر ضوء بالأشعة تحت الحمراء القريبة الثلج، وتُسجّل كاميرا نوعين من الصور: صورة للانعكاس الكلي، وأخرى لا يُرى فيها إلا الضوء المار عبر الفتحات. من صورة الانعكاس الكلي يحددون القطر المكافئ البصري للحبيبات. ومن الصورة المقطوعة نظريًا، ومع تعبيراتهم النظرية، يعكسون العملية لتقدير كسرة حجم الجليد—ومن ثم الكثافة—على أعماق مختلفة داخل الطبقة الثلجية.

اختبار الطريقة في ثلج ذو طبقات

للتأكد من أن النظرية تعمل عمليًا، يبني المؤلفون كتلة ثلجية بارتفاع 30 سنتيمترًا في مختبر بارد تتكون من ثلاث طبقات ذات كثافات مختلفة معروفة لكن مساحات سطحية حبيبية متقاربة. يكشفون عن وجه عمودي نظيف، يضيئونه، ويسجلون صور الانعكاس مع القناع وبدونه. وبشكل مستقل يقطعون عينات صغيرة ويقيسون بنيتها باستخدام التصوير المقطعي المجهري بالأشعة السينية عالي الدقة، والذي يعمل كمرجع. بتطبيق صيغهم—ومراعين تأثير حدود الهواء–الثلج على هروب الضوء—يحسبون ملفًا عموديًا لكسرة حجم الجليد من البيانات البصرية. يتطابق الملف المشتق بصريًا مع ملف الميكرو‑CT جيدًا من حيث الشكل والقيم المطلقة، مع ارتباط إحصائي قوي. تبدو الانتقالات بين الطبقات مُشوشة بعض الشيء في الملف البصري، لأن الضوء المتبعثر يمزج المعلومات على مدى بضعة مليمترات، لكن خطوات الكثافة الرئيسية تُستعاد بوضوح.

من حفرات الثلج إلى تطبيقات أوسع

يستنتج المؤلفون أن تصوير الانعكاس الجزئي يمكن أن يوفر تقديرات سريعة وغير مدمّرة لملفات كثافة الثلج مع أخذ عينات بمقاييس مليمترية ودقة فعالة على مقياس سنتيمتر. على عكس الطرق التقليدية، لا يتطلب استخراج ووزن نوى أو نقل عينات هشة إلى ماسح، ويمكن تطبيقه على طول مقاطع طويلة لالتقاط كيفية تباين بنية الثلج عبر المنحدر. رغم أنه طُوّر لعلوم الثلج البيئية—داعمًا أبحاث المناخ، وعلوم الهيدرولوجيا، وتنبؤات الانهيارات الثلجية—فالنظرية الأساسية تنطبق على أي مادة مسامية قوية التشتت. وهذا يعني أن خدعًا بصرية مماثلة قد تساعد في استنتاج خصائص دقيقة لمواد أخرى، من الترب والرغاوي إلى بعض الأنسجة البيولوجية، بمجرد تحليل كيفية تبعثر الضوء ويعود من تحت أسطحها.

الاستشهاد: Mewes, L., Löwe, H., Schneebeli, M. et al. Optical determination of snow density via sub-surface scattering. Commun Phys 9, 57 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02490-1

الكلمات المفتاحية: كثافة الثلج, التبعثر تحت السطحي, الانعكاس المنتشر, الميكروهيكلية للثلج, قياسات الثلج البصرية