Vysvetlenie jedného z najkrajších javov v meteorológii si vyžaduje veľmi sofistikovaný prístup. Jeho štúdium tiež pomáha porozumieť úlohe mrakov v klimatických zmenách.
Ak ste na dennom lete, posaďte sa, prosím, do okna. A potom možno budete môcť vidieť tieň lietadla v oblakoch. Musíte však vziať do úvahy smer letu vzhľadom na slnko. Ak budete mať šťastie, budete odmenení a budete môcť pozorovať malebný pohľad - viacfarebný halo, hraničiaci s tieňom dopravného lietadla. Nazýva sa to „gloria“. Jeho pôvod je spôsobený zložitejším účinkom ako výskyt dúhy. Tento jav bude najpôsobivejší, ak budú oblaky blízko.
Ak ste horolezec, môžete pozorovať slávu krátko po východe slnka okolo tieňa vrhaného hlavou na najbližší oblak. Predstavujeme tu prvú správu o pozorovaní tohto fenoménu členmi francúzskej výpravy na vrchol hory Pambamarca na území dnešného Ekvádoru, ktorá bola uverejnená desať rokov po výstupe v roku 1748. „Mrak, ktorý nás obklopoval, sa začal rozptyľovať a lúče vychádzajúceho slnka ho prepichli. A potom každý z nás videl náš tieň vrhať sa na oblak. Najpozoruhodnejšie sme zistili vzhľad svätyne alebo slávy, pozostávajúcej z troch alebo štyroch malých sústredných, žiarivo zafarbených kruhov okolo hlavy. Najviac prekvapujúce bolo, že zo šiestich alebo siedmich členov skupiny každý pozoroval tento jav iba okolo tieňa z vlastnej hlavy,V tieni mojich súdruhov som nikdy nič také nevidel. ““
Mnoho vedcov verilo, že halo na obrazoch božstiev a cisárov vo východnej a západnej ikonografii predstavuje umeleckú fixáciu fenoménu glorie. (Alegorické potvrdenie tohto predpokladu nachádzame v slávnej básni Samuela Taylora Coleridgea "Fidelity to Ideal Image"). Na konci XIX. Storočia. Škótsky fyzik Charles Thomson Rees Wilson vynašiel „cloud“kameru (v ruskej terminológii - Wilsonova komora) a pokúsil sa tento fenomén reprodukovať v laboratóriu.
Zlyhal, ale rýchlo si uvedomil, že fotoaparát je možné použiť na registráciu častíc, a preto získal Nobelovu cenu. Tieň pozorovateľa alebo lietadlo nehrá pri formovaní slávy žiadnu úlohu. Jediná vec, ktorá ich spája je, že tieň opravuje smer presne opačný ako smer Slnka. To znamená, že gloria je efekt spätného rozptylu, ktorý odráža slnečné svetlo o takmer 180 °. Možno si myslíte, že taký známy účinok patriaci do takého úctyhodného poľa fyziky, ako je optika, by sa mal nepochybne vysvetliť už dávno. Vysvetlenie tejto skutočnosti však podľa autorov správy z roku 1748 „účinok ako starý ako svet“predstavuje pre vedcov po stáročia vážnu výzvu. Dokonca aj dúha je zložitejší fenomén, než ako to opisujú učebnice elementárnej fyziky. Mechanizmus formovania glorie je navyše ešte komplikovanejší.
V zásade sú gloria aj dúha vysvetlené štandardnou teoretickou optikou, ktorá existovala už začiatkom 20. storočia. To umožnilo nemeckému fyzikovi Gustavovi Mieovi získať presné matematické riešenie pre proces rozptylu svetla kvapkou vody. Avšak diabol je v detailoch. Mieho metóda spočíva v pridaní výrazov, tzv. Parciálnych vĺn. Aby sme to zhrnuli, je potrebný nekonečný počet týchto výrazov, a hoci ich konečný počet je prakticky významný, Meeho metóda vyžaduje výpočet stoviek a tisícov veľmi zložitých výrazov.
Ak ich zadáte do počítača, dá to správny výsledok, avšak nie je možné pochopiť, ktoré fyzikálne procesy sú zodpovedné za pozorované účinky. Riešenie Mi-typická matematická „čierna skrinka“: do nej zadajte počiatočné údaje a získate výsledok. Je vhodné si tu pripomenúť poznámku laureáta Nobelovej ceny Eugena Paula Wignera: „Je skvelé, že počítač pochopil problém. Chcel by som jej však porozumieť. ““Slepá viera v brúsenie čísel hrubou silou môže viesť k nesprávnym záverom, ako bude uvedené nižšie.
V roku 1965 som sa pustil do vývoja výskumného programu, ktorý by okrem iného viedol k úplnému fyzikálnemu vysvetleniu glorie. A tento cieľ, na ceste, ktorej mi pomohli viacerí spolupracovníci, sa dosiahol v roku 2003. Riešenie bolo založené na zohľadnení tunelov vĺn, jedného z najzáhadnejších fyzikálnych účinkov, ktoré Isaac Newton prvýkrát pozoroval v roku 1675. Tunelové vlny sú jadrom jeden z typov moderných dotykových obrazoviek používaných v počítačoch a mobilných telefónoch. Je tiež dôležité zvážiť to pri riešení najťažšieho a najdôležitejšieho problému, ako atmosférické aerosóly, ktoré obsahujú oblaky, ako aj častice prachu a sadzí, ovplyvňujú zmenu podnebia.
Propagačné video:
Vlny a častice
Už niekoľko storočí vedci ponúkajú rôzne vysvetlenia glorie, ale ukázalo sa, že sú nesprávne. Na začiatku XIX. Storočia. Nemecký fyzik Josef von Fraunhofer navrhol rozptýlenie slnečného svetla, t. odrazom späť, kvapkami v hĺbke mraku difunduje po kvapkách v povrchovej vrstve. Difrakcia je jav spojený s vlnovou povahou svetla, ktorý mu umožňuje „pozerať sa za roh“, rovnako ako morské vlny obchádzajú prekážku a šíria sa ďalej, akoby neexistovali vôbec.
Fraunhoferova myšlienka bola taká, že toto dvojnásobne rozptýlené svetlo vytvára na oblakoch obklopujúcich Mesiac farebné difrakčné krúžky, pripomínajúce korónu. Avšak v roku 1923 indický fyzik Bidhu Bhusan Ray odmietol Fraunhoferov návrh. V dôsledku experimentov s umelými mrakmi Ray ukázal, že distribúcia jasu a farieb v glorii a v koróne je rôzna a že prvá sa vyskytuje priamo vo vonkajších vrstvách mraku v dôsledku jediného aktu spätného rozptylu kvapkami vody.
Ray sa pokúsil vysvetliť toto spätné rozptyl z hľadiska geometrickej optiky, historicky spojenej s korpuskulárnou teóriou svetla, podľa ktorej svetlo cestuje skôr v priamych lúčoch ako ako vlna. Keď sa stretne s rozhraním medzi rôznymi médiami, ako je voda a vzduch, svetlo sa čiastočne odráža a čiastočne preniká do iného média v dôsledku lomu (lom je to, čo spôsobuje, že sa ceruzka, napoly ponorená do vody, javí ako zlomená). Svetlo, ktoré preniklo do kvapky vody, predtým ako ju opustí, sa odrazí jeden alebo viackrát na jej protiľahlom vnútornom povrchu. Ray pozoroval lúč, keď sa šíril pozdĺž osi kvapôčky a odrážal sa späť k svojmu vstupnému bodu. Avšak aj pri viacerých akciách spätných a spätných odrazov bol účinok príliš slabý na to, aby bolo možné vysvetliť gloriu.
Teória gloriového efektu by preto mala prekračovať hranice geometrickej optiky a mala by brať do úvahy vlnovú povahu svetla a najmä taký vlnový efekt, ako je difrakcia. Na rozdiel od lomu sa difrakcia zvyšuje so zvyšujúcou sa vlnovou dĺžkou svetla. Skutočnosť, že gloria je difrakčný účinok, vyplýva zo skutočnosti, že jej vnútorný okraj je modrý a vonkajší je červený, v súlade s kratšími a dlhšími vlnovými dĺžkami.
Matematická teória difrakcie sférou, ako je kvapka vody, známa ako Mieho rozptyl, zahŕňa výpočet nekonečných súčtov termínov, tzv. Parciálnych vĺn. Každá čiastočná vlna je komplexná funkcia veľkosti kvapôčok, indexu lomu a kolízneho parametra, t.j. vzdialenosť od lúča do stredu kvapky. Bez vysokorýchlostného počítača sú výpočty rozptylu Mie z kvapôčok rôznych veľkostí neuveriteľne zložité. Až v 90. rokoch, keď sa objavili dostatočne rýchle počítače, sa získali spoľahlivé výsledky pre kvapôčky v rozsahu veľkostí charakteristických pre oblaky. Vedci však potrebujú iné spôsoby prieskumu, aby pochopili, ako sa to skutočne deje.
Hendrik C. Van de Hulst, priekopník modernej rádiovej astronómie, v polovici 20. storočia. urobil prvý významný príspevok k pochopeniu fyziky glorie. Poukázal na to, že svetelný lúč prenikajúci do kvapky veľmi blízko k jej okraju, vo vnútri kvapky prechádza trajektóriou tvaru Y, sa odráža od jej vnútorného povrchu a vracia sa späť takmer rovnakým smerom, ako prišiel. Pretože kvapka je symetrická, medzi celým lúčom rovnobežných slnečných lúčov bude realizovaný priaznivý kolízny parameter pre celý ich valcový lúč dopadajúci na kvapku v rovnakej vzdialenosti od jej stredu. Týmto spôsobom sa dosiahne zaostrovací efekt, ktorý znásobuje spätný rozptyl.
Vysvetlenie znie presvedčivo, ale je tu jeden úlovok. Na ceste od prieniku do kvapky po výstup z nej je lúč odklonený v dôsledku lomu (lomu). Index lomu vody však nie je dostatočne veľký na to, aby sa lúč rozptýlil presne dozadu jediným vnútorným odrazom. Kvapka vody môže najviac odraziť lúč v smere asi 14 ° od pôvodného.
V roku 1957 van de Hulst navrhol, že túto odchýlku je možné prekonať ďalšími cestami prechádzajúcimi svetlom vo forme vlny pozdĺž povrchu kvapiek. Takéto povrchové vlny spojené s rozhraním medzi dvoma médiami vznikajú v mnohých situáciách. Ide o to, že lúč dopadajúci tangenciálne na kvapku prechádza určitú vzdialenosť pozdĺž svojho povrchu, preniká do kvapky a zasahuje jej vnútorný zadný povrch. Tu sa opäť posúva pozdĺž vnútorného povrchu a odráža sa späť do kvapky. A na poslednom úseku cesty pozdĺž povrchu sa lúč odráža od neho a opúšťa kvapku. Podstatou účinku je, že lúč je rozptýlený späť v rovnakom smere, v akom prišiel.
Potenciálnou slabinou tohto vysvetlenia bolo, že energia povrchových vĺn sa vynakladá na tangenciálnu cestu. Van de Hulst navrhol, že toto tlmenie je viac ako kompenzované axiálnym zaostrením. V čase formulovania tejto domnienky neexistovali žiadne metódy na kvantifikáciu prínosu povrchových vĺn.
Všetky informácie o fyzikálnych príčinách glorie, vrátane úlohy povrchových vĺn, sa však museli výslovne zahrnúť do série čiastkových vln Mie.
Dôvod porazil počítač
Možným riešením hádanky Gloria nie je len povrchová vlna. V roku 1987 Warren Wiscombe z vesmírneho leteckého centra. Goddard v NASA (Greenbelt, Maryland) a ja sme navrhli nový prístup k difrakcii, pri ktorom môžu svetelné lúče prechádzajúce mimo sféry významne prispieť. Na prvý pohľad sa to zdá absurdné. Ako môže kvapka ovplyvniť lúč svetla, ktorý ním neprechádza? Vlny a najmä svetelné vlny majú neobvyklú schopnosť „tunelovať“alebo preniknúť cez bariéru. Napríklad svetelná energia môže za určitých okolností presakovať vonku, keď by sme verili, že svetlo by malo zostať v danom prostredí.
Typicky bude svetlo šíriace sa v médiu, ako je sklo alebo voda, úplne odrážané od rozhrania s médiom s nižším indexom lomu, ako je napríklad vzduch, ak lúč dopadne na tento povrch v dostatočne malom uhle. Tento efekt úplného vnútorného odrazu napríklad udržuje signál vo vnútri optického vlákna. Aj keď je svetlo úplne odrazené, elektrické a magnetické polia, ktoré tvoria svetelnú vlnu, nezmiznú okamžite za rozhraním. V skutočnosti tieto polia prenikajú cez hranice na krátku vzdialenosť (rádovo vlnovej dĺžky svetelnej vlny) vo forme takzvanej „nerovnomernej vlny“. Takáto vlna nenosí energiu za rozhranie, ale na jej povrchu vytvára oscilujúce pole podobné gitarovému reťazcu.
To, čo som práve opísal, ešte neobsahuje efekt tunelovania. Ak je však tretie médium umiestnené vo vzdialenosti od hranice menšej ako je dĺžka nehomogénnej vlny, potom svetlo obnoví svoje šírenie do tohto média a tam načerpá energiu. Výsledkom je, že vnútorný odraz v prvom médiu slabne a svetlo preniká (tunely) cez stredné médium, ktoré slúži ako bariéra.
K významnému tunelovaniu dochádza iba vtedy, ak medzera medzi týmito dvoma médiami významne nepresahuje jednu vlnovú dĺžku, t.j. nie viac ako pol mikrónu v prípade viditeľného svetla. Newton pozoroval tento jav už v roku 1675. Skúmal interferenčný obrazec, teraz známy ako Newtonove prstene, ku ktorému dochádza, keď sa na plochú sklenenú platňu aplikovala plochá konvexná šošovka. Krúžky by sa museli pozorovať iba vtedy, keď svetlo prechádza priamo z šošovky do platne. Newton zistil, že aj keď veľmi malá vzdialenosť oddeľuje povrch šošovky od platne, t.j. dva povrchy sa navzájom nedotýkali, časť svetla, ktoré malo podstúpiť úplné vnútorné odrazenie, namiesto toho prenikla medzerou.
Tunelovanie je jednoznačne kontraintuitívne. Fyzik Georgy Gamov ako prvý odhalil tento jav v kvantovej mechanike. V roku 1928 vysvetlil pomocou svojej pomoci, ako určité rádioaktívne izotopy môžu emitovať alfa častice. Ukázal, že častice alfa vo vnútri jadra nemajú dostatok energie na to, aby sa odtrhli od ťažkého jadra, rovnako ako delová guľa nemôže dosiahnuť únikovú rýchlosť a odtrhnúť sa od gravitačného poľa Zeme. Dokázal dokázať, že vďaka svojej vlnovej povahe môže alfa-častica stále preniknúť cez bariéru a opustiť jadro.
Na rozdiel od všeobecného presvedčenia však tunelovanie nie je len čisto kvantovým efektom; pozoruje sa to aj v prípade klasických vĺn. Slnečný lúč prechádzajúci v oblaku mimo kvapky vody môže, na rozdiel od intuitívneho očakávania, preniknúť cez tunelový efekt a tak prispieť k vytvoreniu glorie.
Naša počiatočná práca s Wiskombom sa zaoberala štúdiom rozptylu svetla pomocou úplne odrážajúcich strieborných guličiek. Zistili sme, že čiastočné vlny lúča prechádzajúceho mimo gule môžu, ak vzdialenosť k povrchu kvapôčky nie je príliš veľká, tunel k jej povrchu a významne prispieť k difrakcii.
V prípade priehľadných guľôčok, napríklad vodných kvapiek, môže svetlo po tunelovaní na svoj povrch preniknúť dovnútra. Tam zasiahne vnútorný povrch gule v uhle, ktorý je dostatočne malý na to, aby podstúpil celkový vnútorný odraz, a preto zostáva uviaznutý vo vnútri kvapky. Podobný jav sa pozoruje pri zvukových vlnách, napríklad v slávnej galérii Whispering Gallery pod oblúkami sv. Paul v Londýne. Osoba, ktorá šepká, zatiaľ čo čelí jednej stene, môže byť počuť v diaľke na protiľahlej stene, pretože zvuk prechádza niekoľkými odrazmi z oblých stien.
Avšak v prípade svetla ju môže vlna, ktorá tunelovala do kvapôčky, tiež nechať kvôli tunelovaniu. Pri určitých vlnových dĺžkach je vlna po viacerých vnútorných odrazoch zosilnená konštruktívnou interferenciou a vytvára takzvanú Mieho rezonanciu. Tento efekt sa dá porovnať s výkyvmi výkyvov spôsobených nárazmi, ktorých frekvencia sa zhoduje s ich prirodzenou frekvenciou. V spojení s akustickou analógiou sa tieto rezonancie nazývajú aj šeptajúci galerijný efekt. Aj malá zmena vlnovej dĺžky stačí na prerušenie rezonancie; preto sú Mi rezonancie extrémne ostré a poskytujú výrazné zvýšenie intenzity.
Stručne povedané, môžeme povedať, že k javu gloria prispievajú tri účinky: axiálne spätné rozptyl uvažované Rayom v súlade s geometrickou optikou; okrajové vlny vrátane povrchových vaní van de Hulsta; Mie rezonancie vyplývajúce z tunelovania. V roku 1977 sme Vijay Khare, potom na univerzite v Rochesteri, vyhodnotili príspevok okrajových lúčov, vrátane van de Hulstových vĺn. Rezonancie preskúmal Luiz Gallisa Guimaraes z Federálnej univerzity v Rio de Janeiro v roku 1994. V roku 2002 som vykonal podrobnú analýzu toho, ktorý z týchto troch účinkov je najdôležitejší. Ukázalo sa, že príspevok axiálneho spätného rozptylu je zanedbateľný a najvýznamnejší je účinok rezonancií spôsobených tunelovaním mimo hrany. Z toho vyplýva nevyhnutný záver:gloria je makroskopický efekt tunelov svetla.
Gloria a podnebie
Okrem čistého intelektuálneho uspokojenia s problémom gloria má tunelový efekt svetla aj praktické aplikácie. Efekt šeptania galérie sa použil na vytvorenie laserov založených na mikroskopických kvapkách vody, tvrdých mikrosférach a mikroskopických diskoch. Na dotykových obrazovkách sa nedávno používa ľahké tunelovanie. Prst, ktorý sa blíži k obrazovke, funguje ako newtonovská šošovka, ktorá dovoľuje, aby svetlo smerovalo do vnútra obrazovky, rozptyľovalo sa v opačnom smere a generovalo signál. Nehomogénna svetelná vlna generovaná tunelovaním sa používa v takej dôležitej technológii, ako je mikroskopia na okraji, ktorá sa môže použiť na rozlíšenie detailov, ktoré sú menšie ako vlnová dĺžka svetla, čím sa porušuje tzv. Difrakčný limit.ktorý v konvenčnej mikroskopii pre objekty tejto veľkosti poskytuje rozmazaný obraz.
Pochopenie rozptylu svetla vo vodných kvapkách je obzvlášť dôležité na posúdenie úlohy mrakov pri zmene klímy. Voda je vo viditeľnej oblasti spektra vysoko priehľadná, rovnako ako oxid uhličitý a ďalšie skleníkové plyny, v niektorých pásmach absorbuje infračervené žiarenie. Pretože Mieho rezonancie sú zvyčajne spojené s veľmi veľkým počtom vnútorných odrazových udalostí, malá kvapôčka môže absorbovať významnú časť žiarenia, najmä ak voda obsahuje nečistoty. Vynára sa otázka: udržiava mrak, keď sa zmení jeho priemerná hustota, chladnú Zem odrážaním väčšiny slnečného žiarenia do vesmíru, alebo prispeje k jej zahrievaniu a bude pôsobiť ako ďalšia pokrývka, ktorá zachytáva infračervené žiarenie?
Pred asi desiatimi rokmi sa modelovanie rozptylu svetla pomocou oblakov uskutočňovalo výpočtom Mie rezonancií pre relatívne malú množinu kvapôčok, ktoré sa považovali za reprezentatívne pre typické oblaky. To skrátilo čas počítania na superpočítači, ale to predstavovalo neočakávanú pascu. Ako som ukázal v roku 2003, pri použití vlastných metód na analýzu dúhy a glorie by štandardné metódy modelovania mohli viesť k chybám až 30% v niektorých úzkych spektrálnych pásmach. Pri výpočte rozptylu z kvapôčok s vopred vybranými veľkosťami je teda ľahké vynechať dôležitý príspevok z mnohých úzkych rezonancií spojených s kvapkami stredných veľkostí. Napríklad, ak sa výpočet vykonal pre kvapôčky s priemerom jeden, dva, tri atď. mikrónov, prešla veľmi úzka rezonancia pri 2,4 mikrónov. Moja predpoveď sa potvrdila v roku 2006. V štúdiách, ktoré brali do úvahy skutočné rozdelenie veľkosti kvapiek v atmosfére, sa v posledných rokoch modely zlepšili zvážením kvapôčok, ktorých veľkosť sa rozdelila na oveľa menšie intervaly.
Ako predpovedal Wigner, výsledky získané aj s dokonalým superpočítačom, ak nie sú osvetlené fyzickým myslením, nie sú dôveryhodné. Je na čom zamyslieť, najmä ak nabudúce bude vaše sedadlo v lietadle pri okne.