الصوت المتشقق للثلج كظاهرة طبيعية: صوت بلورات الثلج

الصوت المميز المصاحب للسير على طبقة الثلج في الأيام الباردة ليس مجرد صوت منخفض التردد فقط، بل هو ظاهرة فيزيائية معقدة مرتبطة بتحطم هيكل الثلج وإنشاء موجات صوتية في نطاق واسع من الترددات. صوت الثلج المتشقق هو نوع من مقياس الاكoustic thermometer و مؤشر على الخصائص الهيكلية له.

1. أسس الفيزياء والهندسة الميكانيكية لظاهرة الصوت

يحدث صوت الثلج المتشقق في لحظة التشوه والتحطم لطبقة الثلج تحت التحميل (قدم القدم، الزلاجات، العجلات). إنه عملية متعددة الخطوات:

التشوه البلاستيكي والتحطم الهش. يمثل طبقة الثلج بيئة هشة تتكون من بلورات الثلج (قطع الثلج) و حبيبات متصلة بسدود الثلج (روابط التسامح). عند درجة حرارة قريبة من 0 درجة مئوية، تكون هذه الروابط نسبياً مرنة، يمكن للكريستال أن يتمدد و يتحرك ببلازما تقريباً بدون صوت. ومع تقليل درجة الحرارة يصبح الثلج هشاً و الروابط بين الكريستال هشة.

ميكانيكية الانفجارات الصغيرة.

تحت ضغط القدم تركز القمم الحادة للكريستال الضغط في نقاط الاتصال.

يحدث التحطم الهش لهذه القمم و سدود الثلج.

تسبب الطاقة الإليastic المطلقة في قيام المكونات المتبقية بالاهتزاز و هيكل الثلج كله. هذه المكونات المتبقية هي مصدر صوتي رئيسي. أظهرت الأبحاث الأكoustic بأن خطوة واحدة تسبب تحطم مئات الآلاف من هذه المكونات الميكروية.

دور درجة الحرارة. درجة الحرارة هي العامل الأساسي الذي يحدد طبيعة الصوت. هذا يتعلق بالصفة الأساسية للثلج: مع تقليل درجة الحرارة يزيد قسوة الثلج و معامل يونغ (قياس صلابة). ينتج الثلج القاسي و الهش صوتاً ذو امتداد أكبر و تردد أعلى عند التحطم.

2. اعتماد الصوت على درجة الحرارة: السكالر الأكoustic

سمحت المراقبة والتجارب (منها التي أجريت في وقت من الأوقات في معهد الفيزياء للأرض في فترة الاتحاد السوفيتي) بتعديل الاعتماد التجريبي:

من 0 درجة مئوية إلى -6 درجة مئوية: لا يوجد صوت متشقق تقريباً. يوجد غالباً صوت صخوتي أو صوت شعير مرتبط بتشوه البلاستيكي و التريت.

من -6 درجة مئوية إلى -15 درجة مئوية: يظهر و يزداد صوت متشقق منخفض التردد. الصوت مريح نسبياً و «مظلم». يحدث التحطم بشكل رئيسي عبر حدود حبيبات الثلج الكبيرة.

تحت -15 درجة مئوية: يصبح الصوت متشقق عالي التردد، صوتاً زنياً و حاداً. عند درجات الحرارة القريبة من -30 درجة مئوية و أدنى، يبدو كصوت تحطم البوليسترول أو صوت زنغ عالي. هذا يتعلق بأن يتم تحطم ليس فقط الروابط بين حبيبات الثلج، بل الكريستالات الثلج نفسها، التي تتصرف كالزجاج في البرودة القصوى.

بالتالي، يمكن للمراقب المتمرس تقدير تقريبي لدرجة حرارة الهواء بناءً على نغم صوت الثلج المتشقق.

3. تأثير تكوين الثلج و تاريخه

يعتمد صوت الثلج المتشقق ليس فقط على درجة الحرارة، بل أيضًا على هيكل الثلج، الذي يحدده تاريخ إيداعه و تحولاته:

الثلج الجديد، البوذي (البوكي): يتكون من كريستالات معقدة مثلثية الشكل مع العديد من الشعاعيات. عند الضغط، تنكسر هذه الكريستالات في عدة نقاط، مما يخلق صوتاً أكثر لينًا و هادئًا حتى في البرودة.

الثلج القديم، الفيرميزد: قد تعرض لمساعدة التذوب و التجمد عدة مرات، يتكون من حبيبات ثلجية كبيرة و مستديرة. عند المشي، تتحرك هذه الحبيبات بشكل رئيسي وتتداخل مع بعضها البعض، مما ينتج صوتاً منخفض التردد أو صوتاً صخوتياً.

النست (الغطاء الثلجي): يُشكل عند التذوب و التجمد مرة أخرى للسطح. عند التشقق النست، يسمع أولاً صوت ضرب غليظ، ثم صوت صوتي زنغ للطبقات الباردة الأسفل.

4. البحث العلمي و القياسات الأدواتية

صوت الثلج المتشقق هو موضوع دراسة لعلم الثلج (علم الثلج) و الأكoustic الفيزياء. تشمل البحوث:

تسجيل الصوت في ظروف محكومة باستخدام ميكروفونات عالية الحساسية و أجهزة القياس الميكانيكية المتصلة بالثلج.

تحليل الطيف (توزيع الطاقة حسب التردد). أظهرت الأبحاث أن صوت الثلج المتشقق هو إشارة صوتية واسعة النطاق تحتوي على أقصى قيم الطاقة في أطوال تردد معينة (عادة في النطاق من 500-2000 هرتز)، التي تتحرك نحو الترددات العالية مع انخفاض درجة الحرارة.

التسجيل المتزامن للصوت و تشوه الثلج للتوفيق بين الانفجارات الأكoustic مع الأحداث التحطم.

حقائق مثيرة و أمثلة:

مراقبة القطب الشمالي والقطب الجنوبي: يلاحظ الباحثون في القطب الشمالي والقطب الجنوبي أن صوت الثلج المتشقق يصبح حاداً و صاخباً جداً في ظروف البرودة القصوى (أقل من -50 درجة مئوية) إلى درجة أن يمكن سماعه من مئات الأمتار في ظروف بدون الرياح. يعتبر هذا الصوت واحداً من علامات «الهدوء الجوي» — فترة البرودة القصوى.

الثلج والحرب: خلال حرب الشتاء (1939-1940) والحرب العالمية الثانية، كان صوت الثلج المتشقق الصاخب في البرودة القصوى مشكلة تكتيكية: كان يكشف عن عمل المخابرات و تحركات المشاة. تعلم الجنود المشي بخطوات مريحة لتحسين الصوت.

ثلج المريخ: يوجد ثلج من ثاني أكسيد الكربون الصلب (الثلج الجاف) على المريخ. تكون خصائصه فيزيائية مختلفة. نظرياً، يجب أن ينتج تحطم ثلج المريخ صوتاً، ولكن بسبب الهواء النادر بشكل كبير (ضغط حوالي 1% من الضغط الأرضي) سيكون ضعيفاً جدًا و سيكون له خصائص طيفية مختلفة. لم يكن هناك حتى الآن تسجيلات من هذا النوع من الأحداث من قبل ميكروفونات المركبات المتنقلة.

5. القياس الثقافي والنفسي

صوت الثلج المتشقق ليس عملية فيزيائية فقط، بل هو علامة سنسورية قوية موغلة في التقاليد الثقافية للشعوب التي تعيش في المناطق الثلجية. في الأدب (من الرواية الروسية الكلاسيكية إلى الروايات السكاندينافية) يظهر كرمز للبرودة، الوحدة، النقاء أو القلق. تأثيره الأكoustic النفسي يتعلق بأنه واحد من القلائل من الأصوات في الطبيعة التي يصنعها الإنسان بمتحركه، يدخل في اتصال مباشر مع الطبيعة، ويشهد في نفس الوقت عن حالة معينة من الظروف الجوية.

الخاتمة

صوت الثلج المتشقق هو بطاقة زيارته الأكoustic لطبيعة الشتاء، نتيجة تحطم الملايين من بلورات الثلج. يقع دراسته على تقاطع الميكانيكا، علم المواد و الأكoustic، يقدم للعلماء بيانات عن خصائص اللياقة للثلج. بالنسبة للشخص العادي، هو مؤشر بديهي للبرد و هيكل طبقة الثلج، بالإضافة إلى واحد من الأصوات الأكثر التعرفاً و التلوين العاطفي لمناظر الطبيعة الشتوية. يذكر هذا الظاهرة بأن حتى مثل هذه الظاهرة البسيطة و اليومية مثل السير على الثلج، تحتوي على فيزياء معقدة و رائعة لتفاعل المادة والطاقة والصوت.

Permanent link to this publication: