لقد استنتجوا أن الجزيئات القريبة من السطح تتصرف بشكل مختلف عن تلك الموجودة في أعماق الجليد. الثلج عبارة عن بلورة، مما يعني أن كل جزيء ماء مقفل في شبكة دورية. ومع ذلك، على السطح، يكون لدى جزيئات الماء عدد أقل من الجيران الذين يمكن الارتباط بهم، وبالتالي تتمتع بحرية حركة أكبر من تلك الموجودة في الجليد الصلب. في تلك الطبقة التي تسمى الطبقة المصهورة مسبقًا، يتم استبدال الجزيئات بسهولة بواسطة حذاء أو حذاء.
اليوم، يتفق العلماء بشكل عام على أن الطبقة المنصهرة موجودة، على الأقل بالقرب من نقطة الانصهار، لكنهم يختلفون حول دورها في انزلاق الجليد.
قبل بضع سنوات، أجرى لويس ماكدويل، الفيزيائي في جامعة كومبلوتنسي بمدريد، ومعاونوه سلسلة من عمليات المحاكاة لتحديد أي من الفرضيات الثلاث – الضغط، أو الاحتكاك، أو الذوبان المسبق – تفسر بشكل أفضل انزلاق الجليد. وقال: «في المحاكاة الحاسوبية، يمكنك رؤية الذرات تتحرك»، وهو أمر غير ممكن في التجارب الحقيقية. “ويمكنك في الواقع النظر إلى جيران تلك الذرات” لمعرفة ما إذا كانت متباعدة بشكل دوري، كما هو الحال في المادة الصلبة، أو غير منتظمة، كما هو الحال في السائل.
ولاحظوا أن كتلة الجليد التي قاموا بمحاكاةها كانت بالفعل مغطاة بطبقة تشبه السائل يبلغ سمكها بضعة جزيئات فقط، كما تتنبأ نظرية الذوبان المسبق. وعندما قاموا بمحاكاة جسم ثقيل ينزلق على سطح الجليد، زادت سماكة الطبقة، وهو ما يتفق مع نظرية الضغط. وأخيرًا، اكتشفوا التسخين الاحتكاكي. بالقرب من نقطة انصهار الجليد، كانت الطبقة المنصهرة سميكة بالفعل، لذلك لم يؤثر التسخين الاحتكاكي عليها بشكل كبير. ولكن عند درجات الحرارة المنخفضة، أنتج الجسم المنزلق حرارة أدت إلى إذابة الجليد وزيادة سماكة الطبقة.
وقال ماكدويل: “رسالتنا هي: الفرضيات الثلاث المثيرة للجدل تعمل في وقت واحد بدرجة أو بأخرى”.
الفرضية 4: التبلور
أو ربما لا يكون ذوبان السطح هو السبب الرئيسي لانزلاق الجليد.
ومؤخرًا، حدد فريق من الباحثين في جامعة سارلاند في ألمانيا الحجج ضد النظريات الثلاث السائدة. أولاً، لكي يكون الضغط مرتفعاً بما يكفي لإذابة سطح الجليد، يجب أن تكون منطقة الاتصال بين الزلاجات والجليد “صغيرة بشكل غير معقول”، كما كتبوا. ثانيًا، بالنسبة لمتزلج يتحرك بسرعة واقعية، تظهر التجارب أن كمية الحرارة المتولدة عن الاحتكاك غير كافية لإحداث الذوبان. ثالثًا، وجدوا أنه في درجات الحرارة شديدة البرودة، يظل الجليد زلقًا على الرغم من عدم وجود طبقة منصهرة مسبقًا. (لا تزال الجزيئات السطحية تعاني من ندرة في جيرانها، ولكن عند درجات الحرارة المنخفضة لا تملك ما يكفي من الطاقة للتغلب على الروابط القوية مع جزيئات الجليد الصلبة). وقال أشرف اتيلا، عالم المواد في الفريق: “إما أن انزلاق الجليد يأتي من مزيج منها جميعًا أو القليل منها، أو أن هناك شيئًا آخر لا نعرفه بعد”.
وبحث العلماء عن تفسيرات بديلة في الأبحاث التي أجريت على مواد أخرى، مثل الماس. لقد عرف مصقولو الأحجار الكريمة منذ فترة طويلة من خلال خبرتهم أن بعض جوانب الماس أسهل في التلميع أو “أكثر نعومة” من غيرها. وفي عام 2011، نشرت مجموعة بحثية ألمانية أخرى ورقة بحثية تشرح هذه الظاهرة. لقد قاموا بإنشاء محاكاة حاسوبية لاثنين من الماس ينزلقان ضد بعضهما البعض. تم سحب الذرات الموجودة على السطح ميكانيكيًا من روابطها، مما سمح لها بالتحرك وتكوين روابط جديدة وما إلى ذلك. شكل هذا الانزلاق طبقة “غير متبلورة” غير هيكلية. وعلى النقيض من الطبيعة البلورية للألماس، فإن هذه الطبقة غير منتظمة وتتصرف كأنها سائلة أكثر منها صلبة. يعتمد تأثير التحول هذا على اتجاه الجزيئات على السطح، لذا فإن بعض جوانب البلورة تكون أكثر ليونة من غيرها.
ويرى أتيلا وزملاؤه أن آلية مماثلة تحدث في الجليد. وقاموا بمحاكاة انزلاق الأسطح الجليدية ضد بعضها البعض، مع الحفاظ على درجة حرارة نظام المحاكاة منخفضة بما يكفي لضمان عدم الذوبان. (وبالتالي فإن أي انزلاق سيكون له تفسير مختلف). في البداية، كانت الأسطح تنجذب لبعضها البعض، مثل المغناطيس إلى حد كبير. وذلك لأن جزيئات الماء هي ثنائيات القطب، مع تركيزات متفاوتة من الشحنات الموجبة والسالبة. الطرف الموجب لجزيء واحد يجذب الطرف السالب لجزيء آخر. أدى الجذب في الجليد إلى خلق لحامات صغيرة بين الأسطح المنزلقة. وعندما انزلقت الأسطح فوق بعضها البعض، انفصلت اللحامات وتشكلت طبقات جديدة، مما أدى إلى تغيير بنية الجليد تدريجيًا.
