Pojasnitev enega najlepših pojavov v meteorologiji zahteva zelo prefinjen pristop. Tudi njegovo proučevanje pomaga razumeti vlogo oblakov pri podnebnih spremembah.
Če ste na dnevnem letu, se namestite na okno. In potem boste morda lahko videli oblake senc na oblakih. Vendar morate upoštevati smer letenja glede na sonce. Če boste imeli srečo, boste nagrajeni in boste lahko opazovali slikovit prizor - večbarvni halo, ki meji na senco letala. Imenuje se "glorija". Njegov izvor je posledica bolj zapletenega učinka kot pojav mavrice. Ta pojav bo najbolj impresiven, če so oblaki blizu, saj se od takrat širi do samega obzorja.
Če ste gorski plezalec, lahko gloria opazujete kmalu po sončnem vzhodu okoli sence, ki jo glava vrže na najbližji oblak. Tu predstavljamo prvo poročilo o opazovanju takega pojava s strani pripadnikov francoske odprave na vrh gore Pambamarca na ozemlju današnjega Ekvadorja, ki je bilo objavljeno deset let po vzponu leta 1748. "Oblak, ki nas je pokrival, se je začel širiti, žarki vzhajajočega sonca pa so ga prebodli. In potem je vsak od nas zagledal svojo senco, vrženo na oblak. Najbolj odmeven je bil videz halo ali glorije, sestavljen iz treh ali štirih majhnih koncentričnih, svetlo obarvanih krogov okoli glave. Najbolj presenetljivo je bilo, da je od šestih ali sedmih članov skupine ta pojav opazoval le okoli sence iz svoje glave oz. Nikoli takšnega nisem videl okoli sence svojih tovarišev."
Številni raziskovalci so verjeli, da halo na podobah božanstva in cesarjev v vzhodni in zahodni ikonografiji predstavlja umetniško fiksacijo pojava glorije. (Alegorično potrditev te domneve najdemo v znameniti pesmi Samuela Taylorja Coleridgea "Zvestoba idealni podobi"). Konec XIX. Škotski fizik Charles Thomson Rees Wilson je izumil "oblačno" kamero (v ruski terminologiji - Wilsonova komora) in poskušal ta pojav reproducirati v laboratoriju.
Ni mu uspelo, a je hitro spoznal, da lahko kamero uporabimo za registracijo delcev, zato je prejel Nobelovo nagrado. Senca opazovalca ali letala nima nobene vloge pri tvorbi glorije. Edino, kar jih povezuje, je, da senca določi smer, ki je popolnoma nasprotna smeri Sonca. To pomeni, da je gloria odporni učinek, ki odbija sončno svetlobo za skoraj 180 °. Mogoče bi si lahko mislili, da bi tako znan učinek, ki bi pripadal tako častitljivemu področju fizike, kot je optika, nedvomno moral biti razložen že zdavnaj. Kljub temu je razložitev tega, po mnenju avtorjev poročila iz leta 1748, "učinek, star kot svet," že stoletja predstavljal resen izziv znanstvenikom. Tudi mavrica je bolj zapleten pojav kot to, kako jo opisujejo osnovni učbeniki fizike. Poleg tega je mehanizem tvorbe glorije še bolj zapleten.
Načeloma sta tako gloria kot mavrica razloženi s standardno teoretično optiko, ki je obstajala že do začetka 20. stoletja. To je omogočilo nemškemu fiziku Gustavu Mieu, da je dobil natančno matematično rešitev za postopek sipanja svetlobe s pomočjo kapljice vode. Vendar je hudič v podrobnostih. Metoda Mie vključuje dodajanje izrazov, tako imenovane delne valove. Za seštevanje je potrebno neskončno število takšnih izrazov, in čeprav je končno število njih praktično pomembno, Meejeva metoda zahteva izračun sto in tisoč zelo zapletenih izrazov.
Če jih vnesete v računalnik, potem bo dal pravilen rezultat, vendar je nemogoče razumeti, kateri fizični procesi so odgovorni za opažene učinke. Rešitev Mi-tipična matematična "črna škatla": vanjo vnesite začetne podatke in rezultat bo rezultat. Tu je primerno spomniti na pripombo nobelovca Eugenea Paul Wignerja: "Super je, da je računalnik razumel težavo. A tudi jaz bi jo rad razumel. " Slepa vera v mletje številk z grobo silo lahko privede do napačnih sklepov, kot bo prikazano spodaj.
Leta 1965 sem se lotil razvoja raziskovalnega programa, ki bi med drugim privedel do popolne fizične razlage glorije. In ta cilj, na katerem so mi pomagali številni sodelavci, je bil dosežen leta 2003. Rešitev je temeljila na upoštevanju tuneliranja valov, enega najbolj skrivnostnih fizičnih učinkov, ki jih je Isaac Newton prvič opazil leta 1675. ena od vrst sodobnih zaslonov na dotik, ki se uporabljajo v računalnikih in mobilnih telefonih. Pomembno ga je upoštevati tudi pri reševanju najtežje in najpomembnejše težave, kako atmosferski aerosoli, ki vključujejo oblake, pa tudi delce prahu in saj, vplivajo na podnebne spremembe.
Promocijski video:
Valovi in delci
Že nekaj stoletij so znanstveniki ponujali različna pojasnila glorije, vendar se je vse izkazalo za napačne. V začetku XIX. Nemški fizik Josef von Fraunhofer je predlagal, da se sončna svetloba razkropi, tj. odbitek nazaj, s kapljicami v globino oblaka, razprši na kapljice v njegovi površinski plasti. Difrakcija je pojav, ki je povezan z valovno naravo svetlobe in mu omogoča, da "gleda za vogalom", tako kot se morski valovi gibljejo okoli ovire in se širijo dalje, kot da sploh ne obstajajo.
Fraunhoferjeva ideja je bila, da ta dvojno razpršena svetloba tvori obarvane difrakcijske obroče, podobne koroni, na oblakih, ki obdajajo luno. Vendar je leta 1923 indijski fizik Bidhu Bhusan Ray zavračal Fraunhoferjeve predloge. Kot rezultat eksperimentov z umetnimi oblaki je Ray pokazal, da se razporeditev svetlosti in barv v gloriji in v koroni razlikuje in da prva nastane neposredno v zunanjih plasteh oblaka kot posledica enega samega dejanja povratnega razprševanja vodnih kapljic.
Ray je poskušal razložiti to zakulisje v smislu geometrijske optike, zgodovinsko povezane s korpuskularno teorijo svetlobe, po kateri svetloba potuje v ravne žarke in ne kot valovanje. Ko se sreča z vmesnikom med različnimi mediji, kot sta voda in zrak, se svetloba delno odbija in delno prodira v drug medij zaradi loma (refrakcija je tisto, zaradi česar se zdi, da je svinčnik, napol potopljen v vodo, zlomljen). Svetloba, ki je prodrla v kapljico vode, preden jo zapusti, se enkrat ali večkrat odseva na njeni nasprotni notranji površini. Ray je opazoval snop, kako se širi vzdolž osi kapljice, in se odseval nazaj proti vhodu. Vendar pa je bil učinek prešibak, da bi razložil glorijo, tudi z večkratnimi refleksijami nazaj in nazaj.
Tako naj bi teorija učinka glorije presegala meje geometrijske optike in upoštevala valovno naravo svetlobe in zlasti tak učinek valovanja kot difrakcija. V nasprotju z lomljenjem se difrakcija povečuje s povečanjem valovne dolžine svetlobe. Dejstvo, da ima glorija difraktivni učinek, izhaja iz dejstva, da je njeno notranje platišče modre, zunanje pa rdeče, v skladu s krajšimi in daljšimi valovnimi dolžinami.
Matematična teorija difrakcije s kroglo, kot je kapljica vode, znana kot Mie sipanje, vključuje izračun neskončnih vsot izrazov, tako imenovanih delnih valov. Vsak delni val je kompleksna funkcija velikosti kapljic, indeksa loma in parametra trka, tj. razdalja od žarka do središča kapljice. Brez računalnika za visoke hitrosti so izračuni Miejevega raztresenja iz kapljic različnih velikosti neverjetno zapleteni. Zanesljive rezultate za kapljice v obsegu velikosti, značilnih za oblake, so dobili šele v devetdesetih letih prejšnjega stoletja, ko so se pojavili dovolj hitri računalniki. Toda raziskovalci potrebujejo druge načine raziskovanja, da bi razumeli, kako se to dejansko dogaja.
Hendrik C. Van de Hulst, pionir moderne radijske astronomije, sredi 20. stoletja. je prvi pomemben prispevek k razumevanju fizike glorije. Poudaril je, da se svetlobni žarek, ki prodira v kapljico zelo blizu njenega roba, znotraj kaplje prehaja po poti Y v obliki črke Y, odbija od njene notranje površine in se vrne nazaj v skoraj isti smeri, v kateri je prišel. Ker je padec simetričen, bo med celotnim snopom vzporednih sončnih žarkov dosežen ugoden parameter trka za njihov celoten cilindrični žarek, ki pade na padec na isti razdalji od njegovega središča. Na ta način se doseže učinek fokusiranja, ki pomnoži hrbtenico.
Razlaga se sliši prepričljivo, vendar obstaja en ulov. Na poti od prodora v kapljico do izhoda iz nje se žarek odbije zaradi loma (loma). Vendar pa lomni indeks vode ni dovolj velik, da bi se žarek razkropil točno nazaj z enim samim notranjim odsevom. Največ, kar lahko naredi kapljica vode, je, da se žarek odbije v smeri približno 14 ° od prvotne.
Leta 1957 je van de Hulst predlagal, da bi to odstopanje premagali z dodatnimi potmi, ki jih je prehodila svetloba v obliki vala vzdolž kapljicne površine. Takšni površinski valovi, vezani na vmesnik med dvema medijema, se pojavijo v mnogih situacijah. Ideja je, da žarek, ki se tangencialno pojavi na kapljici, prehodi nekaj razdalje vzdolž njene površine, prodre v kapljico in zadene svojo notranjo zadnjo površino. Tu se spet drsi po notranji površini in se odraža nazaj v kapljico. In na zadnjem segmentu poti vzdolž površine se žarek odbija od njega in izstopa iz kaplje. Bistvo učinka je, da se žarek razprši nazaj v isti smeri, kot je prišel.
Možna slabost te razlage je bila, da se energija površinskih valov porablja na tangencialni poti. Van de Hulst je predlagal, da se to blaženje več kot kompenzira z osnim ostrenjem. V času, ko je oblikoval to domnevo, ni bilo metod za količinsko določitev prispevka površinskih valov.
Kljub temu je bilo treba v vrsto delnih valov Mie izrecno vključiti vse informacije o fizičnih vzrokih glorije, vključno z vlogo površinskih valov.
Razlog premaga računalnik
Morebitna rešitev uganke gloria ne gre le za površinske valove. Leta 1987 je Warren Wiscombe iz centra za vesoljske polete. Goddard iz NASA (Greenbelt, Maryland) in jaz sva predlagala nov pristop k difrakciji, pri katerem lahko svetlobni žarki, ki prehajajo zunaj krogle, pomembno prispevajo. Na prvi pogled se zdi to nesmiselno. Kako lahko kapljica vpliva na žarek svetlobe, ki ne prehaja skozi to? Zlasti valovi in zlasti svetlobni valovi imajo nenavadno sposobnost "tunela" ali prodiranja skozi oviro. Na primer, lahko svetlobna energija v nekaterih okoliščinah steče zunaj, ko bi človek verjel, da mora svetloba ostati znotraj danega okolja.
Običajno se svetloba, ki se širi v mediju, kot sta kozarec ali voda, v celoti odseva od vmesnika s medijem z nižjim indeksom loma, kot je zrak, če žarek zadene to površino pod dovolj majhnim kotom. Na primer, ta učinek celotnega notranjega odboja zadrži signal znotraj optičnega vlakna. Tudi če se svetloba popolnoma odraža, električna in magnetna polja, ki tvorijo svetlobni val, ne izginejo takoj za vmesnikom. Dejansko ta polja prodrejo čez mejo na kratki razdalji (vrstnega reda valovne dolžine svetlobnega vala) v obliki tako imenovanega "neenakomernega vala". Takšen val ne nosi energije zunaj vmesnika, ampak na svoji površini tvori nihajno polje, podobno kitarski struni.
To, kar sem pravkar opisal, še ne vsebuje učinka tuneliranja. Če pa postavimo tretji medij na razdalji od meje, ki je manjša od dolžine nehomogenega vala, bo svetloba nadaljevala širjenje v ta medij in tam črpala energijo. Kot rezultat, notranji odboj v prvem mediju oslabi in svetloba prodira (predori) skozi vmesni medij, ki je služil kot ovira.
Do pomembnih tuneliranj pride le, če vrzel med obema medijema ne presega bistveno ene valovne dolžine, tj. ne več kot pol mikrona v primeru vidne svetlobe. Newton je ta pojav opazoval že leta 1675. Raziskal je vzorec motenj, danes znan kot Newtonovi prstani, do katerega pride, ko na ravno stekleno ploščo nanesemo planokonveksno lečo. Obročke bi bilo treba opazovati le, ko svetloba prehaja direktno iz leče v ploščo. Newton je ugotovil, da tudi ko je zelo majhna razdalja ločila površino leče od plošče, tj. obe površini nista bili v stiku med seboj, nekaj svetlobe, ki bi morala doživeti popoln notranji odboj, je namesto tega prodirala skozi režo.
Tuneliranje je očitno protislovno. Fizik Georgy Gamov je prvi razkril ta pojav v kvantni mehaniki. Leta 1928 je z njegovo pomočjo razložil, kako lahko nekateri radioaktivni izotopi oddajajo delce alfa. Pokazal je, da alfa delci v jedru nimajo dovolj energije, da bi se odcepili od težkega jedra, tako kot topovska krogla ne more doseči hitrosti pobega in se odcepi od zemeljskega gravitacijskega polja. Znal je pokazati, da alfa-delci zaradi svoje valovne narave še vedno lahko prodrejo skozi pregrado in zapustijo jedro.
V nasprotju s splošnim prepričanjem pa tuneliranje ni le čisto kvantni učinek; opazimo ga tudi pri klasičnih valovih. Sončni žarki, ki gredo v oblak zunaj kaplje vode, lahko v nasprotju z intuitivnim pričakovanjem prodrejo skozi učinek tuneliranja in tako prispevajo k nastanku glorije.
Naše prvotno delo z Wiskombom se je ukvarjalo s preučevanjem sipanja svetlobe s polnim odsevanjem srebrnih kroglic. Ugotovili smo, da lahko delni valovi žarka, ki poteka zunaj krogle, če razdalja do površine kapljic ni prevelika, predorijo na njeno površino in znatno prispevajo k difrakciji.
Pri prozornih kroglah, kot so kapljice vode, lahko svetloba po tuneliranju na njihovo površino prodre navznoter. Tam udari v notranjo površino krogle pod kotom, ki je dovolj majhen, da se podvrže popolnemu notranjemu odsevu, zato ostane ujet znotraj kaplje. Podoben pojav opažamo pri zvočnih valovih, na primer v znameniti Galeriji šepetanja pod oboki sv. Pavla v Londonu. Človek, ki šepeta, medtem ko je obrnjen proti eni steni, se v daljavi sliši na nasprotni steni, ker zvok je podvržen večkratnim odbojem z zaobljenih sten.
V primeru svetlobe pa lahko val, ki se je tunel v kapljico, zapusti tudi zaradi tuneliranja. Za določene valovne dolžine se val po več notranjih odbojih ojača s konstruktivnimi interferencami, ki tvorijo tako imenovano Mie resonanco. Ta učinek lahko primerjamo z zamahom zamaha zaradi sunkov, katerih frekvenca sovpada z njihovo naravno frekvenco. V povezavi z zvočno analogijo te resonance imenujemo tudi šepetajoč efekt galerije. Že majhna sprememba valovne dolžine je dovolj za prekinitev resonance; zato so Mi resonance izjemno ostre in zagotavljajo znatno povečanje intenzivnosti.
Če povzamemo, lahko rečemo, da k pojavu glorije prispevajo trije učinki: osno povratno razprševanje, ki ga Ray obravnava v skladu z geometrijsko optiko; robni valovi, vključno s površinskimi valovi van de Hulst; Mie odmevi, ki izhajajo iz predorov. Leta 1977 sem Vijay Khare, takrat na univerzi v Rochesteru, ocenil prispevek robnih žarkov, vključno z valovi van de Hulst. Resonance je pregledal Luiz Gallisa Guimaraes z zvezne univerze v Rio de Janeiru leta 1994. Leta 2002 sem naredil podrobno analizo, kateri od treh učinkov je najpomembnejši. Izkazalo se je, da je prispevek aksialnega povratnega razkroja zanemarljiv, najpomembnejši pa je učinek resonanc zaradi nenadnega tuneliranja. Iz tega sledi neizogiben zaključek:gloria je makroskopski učinek svetlobnega tuneliranja.
Glorija in podnebje
Poleg zagotavljanja čistega intelektualnega zadovoljstva s težavo gloria ima učinek tuneliranja svetlobe tudi praktične aplikacije. Učinek galerije šepeta je bil uporabljen za ustvarjanje laserjev na osnovi mikroskopskih vodnih kapljic, trdih mikrosfer in mikroskopskih diskov. Lahka tunelacija se v zadnjem času uporablja na zaslonih z zaslonom na dotik. Prst, ki se približuje zaslonu, deluje kot newtonovski objektiv, ki omogoča, da se svetloba tunelira znotraj zaslona, se razprši v nasprotni smeri in ustvari signal. Nehomogeni svetlobni val, ustvarjen s tuneliranjem, se uporablja v tako pomembni tehnologiji, kot je obrobna mikroskopija, ki jo lahko uporabimo za razrešitev podrobnosti, ki so manjše od valovne dolžine svetlobe, s čimer se prebije tako imenovana omejitev difrakcije.ki v običajni mikroskopiji za predmete te velikosti daje zamegljeno sliko.
Razumevanje sipanja svetlobe v vodnih kapljicah je še posebej pomembno za oceno vloge oblakov pri podnebnih spremembah. Voda je v vidnem območju spektra zelo prozorna, vendar kot ogljikov dioksid in drugi toplogredni plini v nekaterih pasovih absorbira infrardeče sevanje. Ker so Mie resonance običajno povezane z zelo velikim številom notranjih odbojnih dogodkov, lahko majhna kapljica absorbira pomemben del sevanja, še posebej, če voda vsebuje nečistoče. Postavlja se vprašanje: ali bo oblačni pokrov, ko se bo spreminjala njegova povprečna gostota, ohranil Zemljo hladno, tako da odseva večino sončne svetlobe v vesolje ali bo prispeval k njenemu segrevanju in bo deloval kot dodatna odeja, ki lovi infrardeče sevanje?
Do približno desetih let so modelirali razprševanje svetlobe z oblaki z izračunom Mie resonanc za sorazmerno majhen nabor velikosti kapljic, ki so veljali za reprezentativne tipične oblake. To je zmanjšalo čas štetja na superračunalniku, vendar je postavilo nepričakovano past. Kot sem pokazal leta 2003, bi lahko z uporabo lastnih metod za analizo mavrice in glorije standardne metode modeliranja pri nekaterih ozkih spektralnih pasovih povzročile napake do 30%. Tako je pri izračunu sipanja iz kapljic z izbranimi velikostmi enostavno zgrešiti pomemben prispevek številnih ozkih resonanc, povezanih s kapljicami vmesnih velikosti. Na primer, če je bil izračun opravljen za kapljice s premerom ena, dva, tri itd. mikrona, je bila prenesena zelo ozka resonanca pri 2,4 mikrona. Moja napoved se je potrdila leta 2006. V študijah, ki so upoštevale resnično porazdelitev velikosti kapljic v ozračju, so v zadnjih letih modele izboljšali z upoštevanjem kapljic, katerih velikosti so bile razčlenjene na veliko manjše intervale.
Kot je napovedal Wigner, rezultati, dobljeni celo s popolnim superračunalnikom, če jih ne razsvetli fizična misel, niso verodostojni. Nekaj je treba razmišljati, še posebej, če je naslednjič vaš sedež v letalu ob oknu.