Å forklare et av de vakreste fenomenene i meteorologi krever en veldig sofistikert tilnærming. Å studere det hjelper også til å forstå skyenes rolle i klimaendringene.
Hvis du er på dagstur, kan du ta vindusplass. Og da kan det hende du kan se flyets skygge på skyene. Men du må ta hensyn til flyretningen i forhold til solen. Hvis du er heldig, vil du bli belønnet og du vil kunne observere et pittoreskt syn - en flerfarget glorie som rammer flysidens skygge. Det kalles "gloria". Opprinnelsen skyldes en mer kompleks effekt enn utseendet til en regnbue. Dette fenomenet vil være mest imponerende hvis skyene er i nærheten, siden den strekker seg helt til horisonten.
Hvis du er en fjellklatrer, kan du observere gloria rett etter soloppgang rundt skyggen av hodet på den nærmeste skyen. Vi presenterer her den første rapporten om observasjonen av et slikt fenomen av medlemmer av en fransk ekspedisjon til toppen av Mount Pambamarca på territoriet til dagens Ecuador, publisert ti år etter oppstigningen, i 1748. “Skyen som dekket oss begynte å spre seg, og strålene fra den stigende solen gjennomsyret den. Og så hver av oss skyggen vår kastet på skyen. Det vi syntes var mest bemerkelsesverdig var utseendet på en glorie, eller gloria, bestående av tre eller fire små konsentriske, fargede sirkler rundt hodet. Det mest overraskende var at hver av seks eller syv medlemmer av gruppen observerte dette fenomenet bare rundt skyggen fra sitt eget hode,Jeg har aldri sett noe lignende rundt kameratene."
Mange forskere mente at glorie på bilder av guddommer og keisere i østlig og vestlig ikonografi representerer en kunstnerisk fiksering av fenomenet gloria. (Vi finner en allegorisk bekreftelse av denne antagelsen i det berømte diktet av Samuel Taylor Coleridge "Fidelity to the Ideal Image"). På slutten av XIX århundre. Den skotske fysikeren Charles Thomson Rees Wilson oppfant et "sky" kamera (i russisk terminologi - Wilsons kammer) og gjorde et forsøk på å gjengi dette fenomenet i laboratoriet.
Han mislyktes, men innså raskt at kameraet kunne brukes til å registrere partikler, og som et resultat ble tildelt Nobelprisen. Skyggen av en observatør eller et fly spiller ingen rolle i dannelsen av gloria. Det eneste som forbinder dem er at skyggen fikser retningen nøyaktig motsatt av solens retning. Dette betyr at gloria er en tilbakespredende effekt som avleder sollys med nesten 180 °. Du skulle kanskje tro at en så kjent effekt, som tilhører et så ærverdig fysikkfelt som optikk, uten tvil burde vært forklart for lenge siden. Ikke desto mindre har forskerne i rapporten fra 1748, som forklarer dette, "effekten like gammel som verden" forklart en alvorlig utfordring for forskere i århundrer. Selv en regnbue er et mer komplekst fenomen enn hvordan elementære fysikkbøker beskriver det. Dessuten er gloria-dannelsesmekanismen enda mer komplisert.
I prinsippet forklares både gloria og regnbuen med tanke på standard teoretisk optikk, som allerede eksisterte ved begynnelsen av 1900-tallet. Dette tillot den tyske fysikeren Gustav Mie å få en nøyaktig matematisk løsning for prosessen med lysspredning av en vanndråpe. Imidlertid er djevelen i detaljene. Mie-metoden innebærer tillegg av begreper, de såkalte delbølgene. Det kreves et uendelig antall slike begreper for å oppsummere, og selv om et begrenset antall av dem er praktisk talt betydningsfulle, krever Mee sin metode beregning av hundrevis og tusenvis av svært komplekse uttrykk.
Hvis du legger dem inn i en datamaskin, vil det gi riktig resultat, men det er umulig å forstå hvilke fysiske prosesser som er ansvarlige for de observerte effektene. Løsning Mi-typisk matematisk "svart boks": legg inn de opprinnelige dataene i den, og den vil gi resultatet. Det er aktuelt å minne om en kommentar fra nobelprisvinneren Eugene Paul Wigner: “Det er flott at datamaskinen forsto problemet. Men jeg vil også forstå henne. " Blind tro på sliping av antall med brute force kan føre til gale konklusjoner, som det vil bli vist nedenfor.
I 1965 satte jeg i gang med å utvikle et forskningsprogram som blant annet skulle føre til en fullstendig fysisk forklaring av gloria. Og dette målet, på den måten jeg ble hjulpet av flere samarbeidspartnere, ble oppnådd i 2003. Løsningen var basert på å ta hensyn til bølgetunneling, en av de mest mystiske fysiske effektene som Isaac Newton først observerte i 1675. Bølgetunneling er kjernen i en av typene moderne berøringsskjermer som brukes i datamaskiner og mobiltelefoner. Det er også viktig å vurdere det for å løse det vanskeligste og viktigste problemet, hvordan atmosfæriske aerosoler, som inkluderer skyer, samt støv og sotpartikler, påvirker klimaendringene.
Salgsfremmende video:
Bølger og partikler
I flere hundre år har forskere tilbudt forskjellige forklaringer på gloria, men de viste seg alle å være feil. På begynnelsen av XIX århundre. Den tyske fysikeren Josef von Fraunhofer antydet at sollys spredte seg, d.v.s. reflektert tilbake, av dråper i skyens dybde, avleder på dråper i overflatelaget. Diffraksjon er et fenomen assosiert med lysets bølgeakt og lar det "se seg rundt hjørnet", akkurat som havbølger går rundt et hinder og spres videre, som om det ikke eksisterte i det hele tatt.
Fraunhoffers ide var at dette dobbeltspredte lyset danner fargede diffraksjonsringer, som lignet en korona, på skyene rundt månen. I 1923 benektet imidlertid den indiske fysikeren Bidhu Bhusan Ray Fraunhofer forslag. Som et resultat av eksperimenter med kunstige skyer, viste Ray at fordelingen av lysstyrke og farger i gloria og i koronaen er forskjellig, og at førstnevnte oppstår direkte i de ytre lagene av skyen som et resultat av en enkelt handling med tilbakespredning av vanndråper.
Ray prøvde å forklare denne tilbakespredningen i form av geometrisk optikk, historisk assosiert med den corpuskulære teorien om lys, ifølge hvilken lys beveger seg i rette stråler i stedet for som en bølge. Når det møter grensesnittet mellom forskjellige medier, for eksempel vann og luft, reflekteres lys delvis, og delvis trenger inn i et annet medium på grunn av brytning (brytning er det som gjør at en blyant, halvt nedsenket i vann, ser ut til å være ødelagt). Lyset som har trengt inn i en dråpe vann, før det forlater det, reflekteres en eller flere ganger på sin motsatte indre overflate. Ray så på strålen mens den forplantet seg langs dråpens akse og reflekterte tilbake mot inngangspunktet. Effekten av frem og tilbake refleksjoner var imidlertid for svak til å forklare gloria.
Dermed bør teorien om gloriaeffekten gå utover grensene for geometrisk optikk og ta hensyn til bølgenes natur og spesielt en slik bølgeeffekt som diffraksjon. I motsetning til brytning øker diffraksjon med økende bølgelengde for lys. At gloria er en diffraktiv effekt følger av at den indre kanten er blå, og den ytre er rød, i samsvar med kortere og lengre bølgelengder.
Den matematiske teorien om diffraksjon av en sfære som en vanndråpe, kjent som Mie-spredning, involverer beregning av uendelige summer av begreper, de såkalte delbølgene. Hver delbølge er en kompleks funksjon av dråpestørrelse, brytningsindeks og kollisjonsparameter, dvs. avstand fra strålen til midten av dråpen. Uten en datamaskin med høy hastighet er beregninger av Mie-spredning fra dråper i forskjellige størrelser utrolig kompliserte. Det var først på 1990-tallet, da tilstrekkelig raske datamaskiner dukket opp, man fikk pålitelige resultater for dråper i størrelsesområdet karakteristisk for skyer. Men forskere trenger andre måter å utforske for å forstå hvordan dette faktisk skjer.
Hendrik C. Van de Hulst, pioner for moderne radioastronomi, på midten av 1900-tallet. ga det første betydningsfulle bidraget til forståelsen av fysikken i gloria. Han påpekte at en lysstråle som trenger inn i en dråpe veldig nær kanten, inne i dråpen passerer langs en Y-formet bane, reflekteres fra dens indre overflate og vender tilbake i nesten samme retning som den kom. Siden dråpen er symmetrisk, vil en gunstig kollisjonsparameter bli realisert for hele sylindriske bjelken som faller på dråpen i samme avstand fra sentrum mellom hele strålen med parallelle solstråler. På denne måten oppnås en fokuserende effekt, som multipliserer tilbakespredningen.
Forklaringen høres overbevisende, men det er en fangst. På vei fra penetrering i dråpen for å gå ut av den, blir bjelken avbøyd på grunn av brekning (brytning). Imidlertid er brytningsindeksen for vann ikke stor nok til at bjelken kan spres nøyaktig bakover av en enkelt indre refleksjon. Det meste som en dråpe vann kan gjøre er å sprette bjelken i en retning omtrent 14 ° fra originalen.
I 1957 foreslo van de Hulst at dette avviket kunne overvinnes ved flere baner som krysses av lys i form av en bølge langs dråpeflaten. Slike overflatebølger, bundet til grensesnittet mellom to medier, oppstår i mange situasjoner. Tanken er at en stråle som tangentielt på en dråpe passerer en viss avstand langs overflaten, trenger inn i dråpen og treffer den indre bakflaten. Her glir den igjen langs den indre overflaten og reflekteres tilbake i dråpen. Og på det siste segmentet av banen langs overflaten reflekteres strålen fra den og går ut av dråpen. Essensen av effekten er at strålen er spredt tilbake i samme retning som den kom.
En potensiell svakhet ved denne forklaringen var at energien fra overflatebølger blir brukt på en tangensiell bane. Van de Hulst antydet at denne dempingen mer enn kompenseres for ved aksial fokusering. På det tidspunktet han formulerte denne formodningen, var det ingen metoder for å tallfeste bidraget fra overflatebølger.
Likevel måtte all informasjon om de fysiske årsakene til gloria, inkludert rollen som overflatebølger, eksplisitt inkluderes i serien med delvise Mie-bølger.
Årsaken beseirer datamaskinen
En mulig løsning på gloria-puslespillet handler ikke bare om overflatebølger. I 1987 var Warren Wiscombe fra Space Flight Center. Goddard på NASA (Greenbelt, Maryland) og jeg har foreslått en ny tilnærming til diffraksjon der lysstråler som passerer utenfor sfæren kan gi et betydelig bidrag. Ved første øyekast virker dette absurd. Hvordan kan en dråpe påvirke en lysstråle som ikke går gjennom den? Bølger, og spesielt lysbølger, har den uvanlige evnen til å "tunnel" eller trenge gjennom en barriere. For eksempel kan lysenergi under visse omstendigheter sive utenfor, når man skulle tro at lys skal forbli innenfor det gitte miljøet.
Typisk vil lys som forplantes i et medium som glass eller vann reflekteres fullstendig fra grensesnittet med et medium med en lavere brytningsindeks, så som luft, hvis bjelken treffer denne overflaten i en tilstrekkelig liten vinkel. For eksempel holder denne totale interne refleksjonseffekten signalet inne i den optiske fiberen. Selv om lyset reflekteres fullstendig, forsvinner ikke de elektriske og magnetiske feltene som danner lysbølgen umiddelbart utenfor grensesnittet. Faktisk trenger disse feltene gjennom grensen over en kort avstand (av størrelsesorden bølgelengden til lysbølgen) i form av en såkalt "ikke-ensartet bølge". En slik bølge fører ikke energi utover grensesnittet, men danner et oscillerende felt på overflaten, som ligner på en gitarstreng.
Det jeg nettopp har beskrevet inneholder ennå ikke tunneleringseffekten. Imidlertid, hvis et tredje medium er plassert i en avstand fra grensen, mindre enn lengden på den inhomogene bølgen, vil lyset fortsette å spre seg i dette mediet og pumpe energi der. Som et resultat svekkes den indre refleksjonen i det første mediet, og lys trenger gjennom (tunneler) gjennom mellommediet, som fungerte som en barriere.
Betydelig tunneling skjer bare hvis gapet mellom de to mediene ikke overstiger en bølgelengde, dvs. ikke mer enn et halvt mikron for synlig lys. Newton observerte dette fenomenet allerede i 1675. Han undersøkte interferensmønsteret, nå kjent som Newtons ringer, som oppstår når en plan-konveks linse påføres en flat glassplate. Ringene måtte bare observeres når lys går direkte fra linsen inn i platen. Newton fant ut at selv når en veldig liten avstand skilte linseflaten fra platen, d.v.s. de to flatene var ikke i kontakt med hverandre, noe av lyset som skulle ha gjennomgått total indre refleksjon, trengte i stedet gjennom spalten.
Tunneling er helt klart motsatt. Fysikeren Georgy Gamov var den første som avslørte dette fenomenet i kvantemekanikk. I 1928 forklarte han med sin hjelp hvordan visse radioaktive isotoper kan avgi alfa-partikler. Han viste at alfapartikler inne i kjernen ikke har nok energi til å bryte vekk fra en tung kjerne, akkurat som en kanonkule ikke kan nå rømningshastighet og bryte vekk fra jordens gravitasjonsfelt. Han var i stand til å vise at på grunn av dens bølgende natur, kan en alfapartikkel fortsatt trenge inn i barrieren og forlate kjernen.
I motsetning til den vanlige troen, er tunneling imidlertid ikke bare en ren kvanteeffekt; det er også observert i tilfelle av klassiske bølger. En solstråle som passerer i en sky utenfor en dråpe vann kan, i motsetning til intuitiv forventning, trenge gjennom den gjennom tunneleringseffekten og dermed bidra til å skape gloria.
Vårt første arbeid med Wiskomb var opptatt av studiet av lysspredning ved å reflektere sølvkuler. Vi fant at de delvise bølgene i en stråle som passerer utenfor sfæren, hvis avstanden til dråpeflaten ikke er for stor, kan tunnel til overflaten og gi et betydelig bidrag til diffraksjon.
Når det gjelder gjennomsiktige kuler, som vanndråper, kan lys trenge innover etter tunnelering til overflaten. Der slår den den indre overflaten av sfæren i en vinkel liten nok til å gjennomgå total indre refleksjon, og forblir derfor fanget inne i dråpen. Et lignende fenomen observeres for lydbølger, for eksempel i det berømte hviskegalleriet under buene til St. Paul i London. En person som hvisker mens du vender mot den ene veggen, kan høres i det fjerne ved den motsatte veggen, fordi lyd gjennomgår flere refleksjoner fra avrundede vegger.
Når det gjelder lys, kan en bølge som har gått ned i dråpen imidlertid også forlate den på grunn av tunneling. For visse bølgelengder, etter flere interne refleksjoner, forsterkes bølgen ved konstruktiv interferens, og danner den såkalte Mie-resonansen. Denne effekten kan sammenlignes med svingen av en sving på grunn av støt, hvis frekvens sammenfaller med deres naturlige frekvens. I forbindelse med den akustiske analogien kalles også disse resonansene den hviskende gallerieffekten. Selv en liten endring i bølgelengde er nok til å bryte resonansen; derfor er Mi-resonanser ekstremt skarpe og gir en betydelig økning i intensitet.
Oppsummert kan vi si at tre effekter bidrar til gloria-fenomenet: den aksiale tilbakespredningen som Ray vurderer i samsvar med geometrisk optikk; kantbølger, inkludert van de Hulst overflatebølger; Mie-resonanser som følge av tunneling. I 1977 vurderte Vijay Khare, da ved University of Rochester, og jeg bidraget fra kantstråler, inkludert van de Hulst-bølger. Resonansene ble gjennomgått av Luiz Gallisa Guimaraes fra Federal University of Rio de Janeiro i 1994. I 2002 foretok jeg en detaljert analyse av hvilke av de tre effektene som er viktigst. Det viste seg at bidraget til aksiell tilbakespredning er ubetydelig, og den mest betydningsfulle er effekten av resonanser på grunn av tunnel utenfor tunnelen. Den uunngåelige konklusjonen som følger av dette er denne:gloria er en makroskopisk effekt av lys tunneling.
Gloria og klimaet
I tillegg til å gi ren intellektuell tilfredshet med gloria-problemet, har tunnelens virkning av lys også praktiske anvendelser. Den hviskende gallerieffekten har blitt brukt til å lage lasere basert på mikroskopiske vanndråper, harde mikrosfærer og mikroskopiske plater. Lett tunneling har nylig blitt brukt i berøringsskjerm. En finger som nærmer seg skjermen fungerer som en Newtonsk linse, slik at lys kan tunnelere inne i skjermen, spre i motsatt retning og generere et signal. Den inhomogene lysbølgen som genereres ved tunneling, brukes i så viktig teknologi som nærkant-mikroskopi, som kan brukes til å løse detaljer som er mindre enn lysets bølgelengde, og dermed bryte den såkalte diffraksjonsgrensen.som i konvensjonell mikroskopi for gjenstander av denne størrelsen gir et uskarpt bilde.
Å forstå spredning av lys i vanndråper er spesielt viktig for å vurdere skyenes rolle i klimaendringene. Vann er svært gjennomsiktig i det synlige området av spekteret, men i likhet med karbondioksid og andre klimagasser absorberer det infrarød stråling i noen bånd. Siden Mie-resonanser vanligvis er assosiert med et veldig stort antall interne refleksjonshendelser, kan en liten dråpe absorbere en betydelig brøkdel av strålingen, spesielt hvis vannet inneholder urenheter. Spørsmålet oppstår: vil skydekket, når dets gjennomsnittlige tetthet endres, holde jorden kjølig og reflektere det meste av sollys ut i rommet, eller vil det bidra til oppvarming, og fungere som et ekstra teppe som fanger infrarød stråling?
Inntil for omtrent ti år siden ble modellering av lysspredning av skyer utført ved å beregne Mie-resonanser for et relativt lite sett dråpestørrelser som ble ansett som representative for typiske skyer. Dette reduserte telletiden på superdatamaskinen, men den utgjorde en uventet felle. Som jeg viste i 2003, ved å bruke mine egne metoder for å analysere regnbue og gloria, kunne standard modelleringsmetoder føre til feil på opptil 30% for noen smale spektrale bånd. Når du beregner spredningen fra dråper med forhåndsvalgte størrelser, er det således lett å gå glipp av et viktig bidrag fra mange smale resonanser assosiert med dråper i mellomstørrelser. Hvis for eksempel beregningen ble utført for dråper med en diameter på en, to, tre osv. mikron, en veldig smal resonans ved 2,4 mikron ble passert. Min spådom ble bekreftet i 2006. I studier som tok hensyn til den reelle fordelingen av dråpestørrelser i atmosfæren, har modellene de siste årene blitt forbedret ved å vurdere dråper, hvis størrelser er blitt delt ned i mye mindre intervaller.
Som Wigner forutsagt, er resultatene oppnådd selv med en perfekt superdatamaskin, hvis ikke belyst av fysisk tanke, ikke troverdige. Det er noe å tenke på, spesielt hvis neste gang setet ditt i flyet er ved vinduet.
