通过表层下散射的光学测定雪密度

雪的亮度为何重要

雪不仅美化冬季景观。它的亮度通过将阳光反射回太空来帮助冷却地球，其结构也控制着空气、积雪与地面之间的热交换。同样的性质还影响水资源、天气预报和雪崩风险。然而一个关键量——雪密度——在野外快速测量仍然很困难。本研究提出了一种新方法，只需照射雪面并记录从表面下方散射回来的光，即可确定雪密度。

窥视白色表面之下

当光照射到雪上时，不仅仅是从表面反射。雪由冰晶和空气孔隙交错组成，入射光能穿透几厘米，在晶粒间散射后部分再从表层逸出。科学家们已经利用雪的整体亮度——即总漫反射——来估算其比表面积，即单位质量所具有的冰面面积。但密度（表示单位体积内有多少冰）用光学方法检索一直更为困难。传统上，密度通过切取并称重样品或使用X射线微计算机断层扫描来测定，这些方法准确但耗时且劳动强度大。作者提出：是否可以直接通过光在表面下的散射方式来揭示密度，而无需切割雪样？

将光的模式转化为材料属性

研究者在辐射传输理论的基础上展开工作，该理论将光在材料中的传播与材料的微观结构联系起来。他们关注于在近红外波段弱吸收但强散射的雪，这描述得很适合干燥的天然雪。两个光学参数最为重要：光被吸收的频率和被散射的频率。反过来，这些又取决于两个材料属性：比表面积（在冰晶上以“光学等效直径”来编码）及由冰填充的体积分数，这直接反映了密度。利用扩散近似——一种在散射占主导时对光传输的简化描述——他们计算了在光入射点一定半径内有多少后向散射光能够逸出。这个量称为部分漫反射，结果表明它同时依赖于晶粒表面积和密度，而总反射主要只依赖于晶粒表面积。

只采集一部分返回的光

关键思路是有意只收集从雪中返回的一部分光，通过在空间上“截断”信号来实现。在数学模型中，这通过仅对围绕点光源的有限半径内的反射进行积分来完成。在实验中，团队通过在垂直雪墙前放置带有狭缝的遮罩来模拟这一点。一个近红外光源照亮雪面，照相机记录两种图像：一种为全部反射，另一种仅记录通过狭缝的光。由总反射图像，他们确定了光学等效晶粒尺寸。由部分遮罩图像及其理论表达式，他们反演出冰体积分数——从而估算不同深度处的密度分布。

在分层积雪中的方法验证

为了检验理论在实践中的可行性，作者在冷实验室中构建了一个30厘米高的雪块，包含三个已知不同密度但比表面积相近的层。他们暴露出一个干净的垂直剖面，照明并记录有无狭缝遮罩的反射图像。作为参考，他们还独立切取小样并用高分辨率X射线微CT测量其结构。通过应用他们的公式——并考虑空气–雪界面对光逸出的影响——他们从光学数据计算出冰体积分数的垂直剖面。光学得到的剖面在形状和绝对值上与微CT剖面良好匹配，具有很强的统计相关性。层间的过渡在光学剖面中显得有些模糊，因为散射光在几毫米尺度上混合信息，但主要的密度阶跃被清楚地恢复出来。

从雪坑到更广泛的应用

作者得出结论：部分反射成像可以提供快速、无损的雪密度剖面估算，具有毫米尺度的采样和厘米尺度的有效分辨率。与传统方法不同，它不需要提取并称重钻芯或将易损样品送往扫描仪，并且可以沿长剖面进行应用以捕捉坡面上雪结构的空间变化。虽然该方法为环境雪科学而开发——可支持气候研究、水文学和雪崩预报——其基础理论适用于任何多孔且强散射的材料。这意味着类似的光学方法也可通过分析光从其表面下散射回来的方式，帮助推断土壤、泡沫乃至某些生物组织等其他介质的微观属性。

引用: 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

关键词: 雪密度, 表层下散射, 漫反射, 雪的微观结构, 光学雪测量