קרינה אולטרה סגולה גורמת לשרשרת של תגובות כימיות בקרח, שטבען נותר בגדר תעלומה במשך עשרות שנים. כעת חוקרים מאוניברסיטת שיקגו והמרכז הבינלאומי לפיזיקה תיאורטית של עבדוס סלאם השתמשו במודלים מכאניים קוונטיים כדי להראות שלפגמים מיקרוסקופיים בסריג גביש הקרח יש תפקיד מפתח. העבודה פורסמה בכתב העת Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
הדבר המוזר הראשון הובחן לפני כמעט 40 שנה: דגימות קרח שנחשפו לאור UV למשך מספר דקות ודגימות שנחשפו לאור UV במשך שעות ספגו אורכי גל שונים. זה אומר שהתכונות הכימיות של הקרח משתנות בהשפעת האור, אבל אז לא ניתן להסביר את התהליכים האלה.
"אף אחד לא הצליח לפני כן לדגמן את האינטראקציה של אור UV וקרח בדיוק כזה", אמרה ג'וליה גאלי, פרופסור להנדסה מולקולרית באוניברסיטת שיקגו.
הצוות יישם טכניקות חישוביות שגלי ועמיתיה פיתחו כדי ללמוד חומרים בטכנולוגיה קוונטית. שיטות אלו מאפשרות "לפצל" את הקרח לתהליכים אטומיים ולבחון במדויק כיצד פגמים משפיעים על האינטראקציה עם אור אולטרה סגול – דבר שלא ניתן לראות ישירות בניסויים.
מרתה מונטי, המחברת הראשית של העבודה, מסבירה: "קרח הוא אובייקט מורכב ביותר. בעת אינטראקציה עם אור, מולקולות מים יכולות להתפרק, ליצור רדיקלים ויונים חדשים, ומוצרים אלה משנים לחלוטין את התנהגות החומר".
מדענים חקרו ארבעה סוגי קרח: גביש מושלם ושלושה גרסאות עם פגמים – מקומות פנויים (מולקולות חסרות), יוני הידרוקסיד מוטבעים ופגמי Bjerrum, אשר משבשים את סדר קשרי המימן. כל סוג של פגם משנה באופן קיצוני את האנרגיה שבה הקרח מתחיל לספוג אור UV, ומותיר "טביעת אצבע אופטית" ייחודית המאפשרת לזהות אותו בדגימות אמיתיות ומשפיעה על האופן שבו אלקטרונים בקרח מתנהגים בעת הקרנה – בין אם הם נעים בחופשיות ובין אם הם לכודים בחללים מיקרוסקופיים.
תוצאות אלו מסבירות תצפיות בשנות ה-80 של המאה הקודמת כאשר קרח, לאחר תקופות ארוכות של הקרנה, הציג קווי קליטה חדשים שלא היו מוסברים בעבר.
הבנת האופן שבו קרח סופג ופולט אור תסייע למודל של התכה, היווצרות סדקים ואינטראקציות בין קרח לאטמוספירה.
הצוות הכין ניסויים לבדיקה ישירה של תחזיות המודל ותוכניות לחקור מערכי פגמים מורכבים יותר וכן את השפעת שכבת מי ההמסה.
