الثلج ونشوء الحياة

الثلج ونشوء الحياة

الجليد أساسي للمناخ والجيولوجيا والحياة، يعد فهم سلوكها أمرًا ضروريًا للتنبؤ بمستقبل كوكبنا وكشف ظهور الحياة في الكون، يتسبب الجليد المائي في تجميد الكواكب والأقمار والمذنبات في نظامنا الشمسي على الأرض، تعكس القمم الجليدية القطبية البيضاء ما يصل إلى 90٪ من إشعاع الشمس القادم في المتوسط​​ و7٪ من سطح المحيط متجمد، يغير الجليد البحري تيارات المحيطات ويحد من تبادل الغازات مع مياه البحر، يغطي الجليد والثلج 10٪ من الأرض بشكل دائم وما يصل إلى نصف الكرة الأرضية الشمالي في منتصف الشتاء، هذه البطانيات من المياه المتجمدة تعزل الأرض والمحيطات.

ثقوب طبقة الأوزون

تركّز السحب الجليدية المواد الكيميائية المحمولة جواً وهي مواقع لكيمياء الغلاف الجوي فوق القطبين، تستضيف سحب حبيبات الجليد تفاعلات مستنفدة للأوزون وتشكل ثقوبًا في طبقة الأوزون الستراتوسفير عند خطوط العرض العالية التي تعرض الملايين من الناس لزيادة الأشعة فوق البنفسجية، يمكن أن تنتج التفاعلات الكيميائية في الثلج على الأرض طبقة الأوزون وملوثات بيئية أخرى، تتراكم السموم العضوية والزئبق في الثلج ويمكن إطلاقها في الأنهار والمحيطات عندما يذوب الثلج، حيث تدخل الشبكة الغذائية.

الآليات الجزيئية للثلج ونشوء الحياة

ومع ذلك، تظل الآليات الجزيئية الكامنة وراء هذه العمليات غير معروفة إلى حد كبير بدون معرفة المزيد حول كيفية سير التفاعلات الكيميائية في الجليد والثلج ومعرفة سر الثلج ونشوء الحياة، وحيث تحدث داخل الحبيبات والبنية البلورية من المستحيل بناء وحدات ثلجية أو سحابة جليدية لنماذج الغلاف الجوي والمناخ أو استقراء الدراسات المختبرية للظروف البيئية بما يكفي الثقة.

من وجهة نظري، تحتاج كيمياء وفيزياء الجليد إلى مزيد من الدراسة على نطاق جزيئي إذا أردنا معالجة المشكلات البيئية الهائلة التي تواجهها التطورات الحديثة في المحاكاة الحاسوبية والتقنيات التجريبية مثل التحليل الطيفي الحساس للسطح، والتي يمكن تشغيلها الآن في درجات حرارة وضغوط ذات صلة بالجليد في البيئة، تفتح الباب أمام دراسات مستقبلية مثيرة.

كيف يتكون الجليد

لا يزال الكثير حول كيف ومتى يتجمد الماء غير واضح، على الرغم من أن هذا ضروري لفهم مناخ الأرض ودورة المياه، لا يمكننا أن نتنبأ على وجه اليقين متى وأين ستتشكل السحب الجليدية في الغلاف الجوي وما هو سر الثلج ونشوء الحياة؛ تظل مناطق السماء رطبة عندما نتوقع أن تتجمد، هل تتجمد قطرات الماء من السطح أولاً أم تتبلور من الداخل؟ أي شكل من الجليد سوف يصنعونه؟

غالبًا ما يتشكل الجليد بسهولة على الأسطح الصلبة، لفهم سبب حدوث ذلك يجب دراسة القواعد الجزيئية لتفاعل جزيئات الماء مع هذه الأسطح.

كيف يتغير هيكل الجليد

تتكون بلورات الجليد من جزيئات الماء الموجودة في ترتيب رباعي السطوح منتظم بواسطة رابطة هيدروجينية، العديد من الهياكل البلورية للماء معروفة وأكثرها شيوعًا هو الجليد السداسي الذي يشكل رقاقات الثلج، مع اختلاف الضغط ودرجة الحرارة، تكيف جزيئات الماء ترتيبها لتقليل الطاقة، مما ينتج مراحل مختلفة من الجليد.

هذه التحولات التطورية مفهومة جيدًا بشكل مجهري، بعد ذلك نحتاج إلى أن نكون قادرين على إعادة إنتاج العمليات الجزيئية في تلك التحولات في محاكاة الكمبيوتر أو حسابات كيمياء الكم على مدى درجة الحرارة والضغط بالكامل باستخدام هذه النماذج المُحسَّنة، يمكننا بعد ذلك معالجة أسئلة أخرى مثل بنية السطح وكيفية تفاعل الشوائب في الجليد.

وأخيرًا نحتاج إلى الخبرات المكتسبة على مدار العقود الماضية لفهم دور الجليد في نظام الأرض العالمي.