عندما يتعرض الجليد لأشعة فوق البنفسجية، سواء في المناطق القطبية على الأرض أو على الكواكب البعيدة، فإنه يثير سلسلة من التفاعلات الكيميائية، وهو أمر حير العلماء لعقود. الآن، وبفضل تعاون بين كلية بريتزكر للهندسة الجزيئية في جامعة شيكاغو (Pritzker School of Molecular Engineering at the University of Chicago) ومركز عبد السلام الدولي للفيزياء النظرية (Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics)، تمكن الباحثون من استخدام محاكاة ميكانيكا الكم لكشف كيف تغير العيوب الدقيقة في هيكل البلورات الجليدية طريقة امتصاص الجليد للضوء وانبعاثه. نُشرت هذه النتائج في مجلة Proceedings of the National Academy of Sciences، مما يمهد الطريق لفهم التغيرات على المستوى دون الذري أثناء ذوبان الجليد، ويساعد في تحسين التنبؤات بانبعاث الغازات الدفيئة الناتجة عن ذوبان التربة الصقيعية الدائمة.

حاكى فريق البحث أربعة أنواع من الجليد، بما في ذلك الجليد الخالي من العيوب وثلاثة أنواع تحتوي على عيوب مختلفة. من خلال إضافة العيوب واحدة تلو الأخرى، راقبوا كيف يغير كل عيب طريقة امتصاص الجليد للضوء وانبعاثه، وهو تحكم دقيق يصعب تحقيقه في عينات الجليد الفعلية، لكنه ممكن حسابياً. اكتشف الفريق أن طاقة بدء امتصاص الضوء فوق البنفسجي تختلف حسب نوع العيب، مما يفسر نتائج التجارب التي أجريت قبل عقود. ينتج كل عيب خصائص بصرية فريدة تشبه بصمات الأصابع، يمكن للباحثين التجريبيين البحث عنها في عينات الجليد الحقيقية. كما كشفت المحاكاة عن تغيرات على المستوى الجزيئي، مثل تحلل جزيئات الماء لتكوين مواد جديدة، أو انتشار الإلكترونات أو احتجازها.

لا تقتصر هذه الدراسة على معالجة الأسئلة الأساسية في الكيمياء الضوئية للجليد فحسب، بل من المتوقع أن توسع فهمنا للتحديات البيئية والكيمياء الكونية. تخزن طبقات التربة الصقيعية الدائمة في المناطق القطبية غازات دفيئة، وفهم طريقة إطلاقها أمر حاسم للتنبؤ بتغير المناخ. كما قد تؤثر الدراسة على فهم الخصائص الكيميائية للأقمار الجليدية مثل أوروبا (Europa) حول المشتري وإنسيلادوس (Enceladus) حول زحل، حيث قد تدفع الإشعاعات فوق البنفسجية تشكيل جزيئات معقدة. يتعاون الفريق حالياً مع باحثين تجريبيين لتصميم طرق قياس تتحقق من التنبؤات الحسابية، ويوسع نطاق البحث.