קביעה אופטית של צפיפות שלג באמצעות פיזור תת-משטחי

למה בהירות השלג חשובה

שלג עושה הרבה יותר מאשר לקשט נופים חורפיים. בהירותו מסייעת לקרר את הכדור הלבן על ידי החזרת אור השמש לחלל, ומבנהו שולט באיך חום נע בין האוויר, השלג והקרקע. אותן תכונות משפיעות על מאגרי המים, תחזיות מזג אוויר וסכנת מפולות. עם זאת, כמות מרכזית אחת — צפיפות השלג — נשארת קשה למדידה במהירות מחוץ למעבדה. במחקר זה מוצג שיטה חדשה לקביעת צפיפות השלג פשוט על ידי הצבת אור עליו והרשמת האופן שבו האור מתפזר חזרה מתוך מתחת לפני השטח.

מבט מתחת לפני הלבן

כשהאור פוגע בשלג, הוא לא רק מתחלף מהחלק העליון. השלג הוא תערובת של גרגרי קרח וכיסי אוויר, כך שכל אור נכנס חודר לעוד כמה סנטימטרים, מתפזר מגרגר לגרגר לפני שחלקו שוב יוצא החוצה. מדענים כבר משתמשים בבהירות הכוללת — או בהחזרת האור המפוזרת הכוללת — של שלג כדי לאמוד את השטח הסגולי הסגולי (specific surface area), מדד לכמה שטח פנים של קרח יש ליחידת מסה. אך הצפיפות, שאומרת כמה קרח דחוס בנפח נתון, הייתה קשה יותר להשגה אופטי. בדרך המסורתית מודדים צפיפות על ידי חיתוך ושקילה של דגימות או בעזרת מיקרו-CT ברנטגן, שניהם מדויקים אך איטיים ומדור לעבודה רבה. המחברים שואלים: האם האופן שבו האור מתפזר מתחת לפני השטח יכול לחשוף את הצפיפות ישירות, ללא חיתוך השלג?

הפיכת תבניות אור לתכונות חומר

החוקרים בונים על תורת העברת הקרינה, שמקשרת בין הדרך שבה אור נע בתוך חומר לבין המיקרו-מבנה של אותו חומר. הם מתמקדים בשלג שסופג בעדינות אור קרוב לתת-אדום אך מפזר אותו בעוצמה, תיאור מתאים לשלג יבש טבעי. שני מספרים אופטיים חשובים במיוחד: תדירות הספיגה של האור ותדירות הפיזור שלו. אלה, בתורם, תלוים בשתי תכונות חומר: השטח הסגולי (שמוצפן ב"קוטר שווה-ערך אופטי" לגרגרי קרח) ושבר הנפח הממלא בקרח, שמשקף ישירות את הצפיפות. באמצעות קירוב הדיפוזיה — תיאור מפושט של הולכת אור כאשר הפיזור שולט — הם מחשבים כמה מהאור המוחזר בורח בתוך רדיוס מסוים ממקום כניסת האור. כמות זו, שנקראת החזרת אור מפוזרת חלקית, מתבררת כתלויה הן בשטח הגרגרים והן בצפיפות, שלא כמו ההחזרה הכוללת שתלויה בעיקר בשטח הגרגרים.

ללכוד רק חלק מהאור החוזר

הרעיון המרכזי הוא לאסוף בכוונה רק חלק מהאור החוזר מהשלג, על ידי "קיצוץ" מרחבי של האות. במודל המתמטי זה נעשה על ידי אינטגרציה של ההחזרה רק עד רדיוס סופי סביב מקור נקודתי של אור. בניסוי, הצוות מדמה זאת על ידי הצבת מסכה עם חריצים מול קיר שלג אנכי. מקור אור קרוב לגל תת-אדום מאיר את השלג, ומצלמה רושמת שני סוגי תמונות: אחת של ההחזרה המלאה, ואחת שבה נראית רק האור שעובר דרך החריצים. מתמונת ההחזרה הכוללת הם קובעים את גודל הגרגרים השווה-ערך האופטי. מתמונת המסכה החלקית ונוסחאותיהם התיאורטיות הם הופכים את הבעיה כדי לאמוד את שבר הנפח של הקרח — ובכך את הצפיפות — בעומקים שונים במאגר השלג.

בדיקת השיטה בשלג שכוב

כדי לבדוק האם התיאוריה עובדת במציאות, המחברים בונים בלב מקרר בלב מעבדה בלוק שלג בגובה 30 סנטימטר עם שלוש שכבות בעלות צפיפויות ידועות ושונות אך שטחי גרגרים דומים. הם חושפים פנים אנכית נקייה, מאירים אותה, ורושמים תמונות החזרה עם ובלי מסכת החריצים. באופן עצמאי הם חותכים דגימות קטנות ומודדים את מבנן באמצעות מיקרו-CT ברזולוציה גבוהה, המשמשת כמדד ייחוס. על ידי יישום הנוסחאות שלהם — ולקיחת בחשבון כיצד גבול אוויר–שלג משפיע על בריחת האור — הם מחשבים פרופיל אנכי של שבר הנפח של הקרח מתוך הנתונים האופטיים. הפרופיל המתקבל אופטי תואם היטב לפרופיל המתקבל במיקרו-CT הן בצורה והן בערכים המוחלטים, עם מתאם סטטיסטי חזק. המעברים בין השכבות מופיעים מעט מטושטשים בפרופיל האופטי, כיוון שאור מפוזר מערבב מידע על פני כמה מילימטרים, אך המדרגות העיקריות בצפיפות מתאוששות בצורה ברורה.

מעתקי בורות שלג לאפליקציות רחבות יותר

המחברים מגיעים למסקנה שהדמיית החזרת אור חלקית יכולה לספק אומדנים מהירים ולא הרסניים של פרופילי צפיפות שלג בדגימה בקנה מידה של מילימטרים וברזולוציה אפקטיבית של סנטימטרים. בהשוואה לשיטות מסורתיות, היא לא דורשת חילוץ ושקילת גרעינים או העברת דגימות שבירות לסורק, וניתן ליישמה לאורך פרופילים ארוכים כדי ללכוד איך מבנה השלג משתנה במורד המדרון. למרות שפותחה עבור מדעי הסביבה של שלג — לתמיכה במחקר האקלים, הידרולוגיה וחיזוי מפולות — התיאוריה הבסיסית חלה על כל חומר סלילתי ומפזר בעוצמה. משמעות הדבר היא שטכניקות אופנטיות דומות עשויות לסייע לאמוד תכונות מיקרוסקופיות של מדיומים אחרים, מקרקעות וקצפות ועד רקמות ביולוגיות מסוימות, פשוט על ידי ניתוח האופן שבו האור מתפזר חזרה מתוך מתחת לפני השטח שלהם.

ציטוט: 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

מילות מפתח: צפיפות שלג, פיזור תת-משטחי, החזרת אור מפוזרת, מיקרו-מבנה שלג, מדידות אופטיות של שלג