Att förklara ett av de vackraste fenomenen i meteorologi kräver en mycket sofistikerad strategi. Att studera det hjälper också till att förstå molnens roll i klimatförändringarna.
Om du är på en dagsflyg, vänligen ta en fönsterplats. Och då kanske du kan se planets skugga på molnen. Men du måste ta hänsyn till flygriktningen i förhållande till solen. Om du har tur får du belöning och du kan se en pittoresk syn - en mångfärgad gloria som inramar skuggan av en flygplan. Det kallas "gloria". Ursprunget beror på en mer komplex effekt än regnbågens utseende. Detta fenomen kommer att vara mest imponerande om molnen är nära, sedan dess sträcker sig sig till horisonten.
Om du är en bergsklättrare kan du se gloria strax efter soluppgången runt skuggan som kastas av ditt huvud på närmaste moln. Vi presenterar här den första rapporten om observationen av ett sådant fenomen av medlemmar av en fransk expedition till toppen av berget Pambamarca på dagens Ecuadors territorium, som publicerades tio år efter uppstigningen, 1748.”Molnet som täckte oss började spridas, och den stigande solens strålar gick igenom den. Och sedan såg var och en av oss vår skugga gjuten på molnet. Det vi tyckte mest anmärkningsvärt var utseendet på en gloria, eller gloria, bestående av tre eller fyra små koncentriska, färgade cirklar runt huvudet. Det mest överraskande var att av sex eller sju medlemmar i gruppen observerade var och en detta fenomen endast runt skuggan från sitt eget huvud,Jag har aldrig sett något liknande runt mina kamraters skuggor."
Många forskare trodde att glorier på bilder av gudar och kejsare i östra och västra ikonografin representerar en konstnärlig fixering av fenomenet gloria. (Vi finner en allegorisk bekräftelse av detta antagande i den berömda dikten av Samuel Taylor Coleridge "Fidelity to the Ideal Image"). I slutet av XIX-talet. Den skotska fysikern Charles Thomson Rees Wilson uppfann en "moln" -kamera (i rysk terminologi - Wilsons kammare) och försökte återge detta fenomen i laboratoriet.
Han misslyckades, men insåg snabbt att kameran kunde användas för att registrera partiklar, och som ett resultat tilldelades Nobelpriset. Skuggan av en observatör eller ett flygplan spelar ingen roll i bildandet av gloria. Det enda som ansluter dem är att skuggan fixar riktningen motsatt riktningen mot solen. Detta innebär att gloria är en backspredningseffekt som avleder solljuset med nästan 180 °. Du kanske tror att en så välkänd effekt, som tillhör ett så värdigt fysikområde som optik, utan tvekan borde ha förklarats för länge sedan. Att förklara detta har dock enligt författarna till rapporten från 1748 "effekten så gammal som världen" varit en allvarlig utmaning för forskare i århundraden. Till och med en regnbåge är ett mer komplicerat fenomen än hur elementära fysikböcker beskriver det. Dessutom är gloria-bildningsmekanismen ännu mer komplicerad.
I princip förklaras både gloria och regnbågen i termer av standardteoretisk optik, som redan fanns i början av 1900-talet. Detta gjorde det möjligt för den tyska fysikern Gustav Mie att få en exakt matematisk lösning för processen med ljusspridning med en vattendroppe. Djävulen är dock i detaljerna. Mie-metoden involverar tillägg av termer, de så kallade partiella vågorna. Ett oändligt antal sådana termer krävs för att sammanfatta, och även om ett begränsat antal av dem är praktiskt betydande kräver Mee: s metod beräkning av hundratals och tusentals mycket komplexa uttryck.
Om du anger dem i en dator, kommer det att ge rätt resultat, men det är omöjligt att förstå vilka fysiska processer som är ansvariga för de observerade effekterna. Lösning Mi-typisk matematisk "svart ruta": ange de ursprungliga uppgifterna i den, och det ger resultatet. Det är relevant att här återkalla en anmärkning från Nobelpristagaren Eugene Paul Wigner:”Det är fantastiskt att datorn förstod problemet. Men jag skulle också vilja förstå henne. " Blind tro på slipning av antal med brute kraft kan leda till felaktiga slutsatser, vilket kommer att visas nedan.
1965 började jag utveckla ett forskningsprogram som bland annat skulle leda till en fullständig fysisk förklaring av gloria. Och detta mål, på det sätt som jag fick hjälp av flera samarbetspartner, uppnåddes 2003. Lösningen baserades på att beakta vågtunnel, en av de mest mystiska fysiska effekterna som Isaac Newton först observerade 1675. Vågtunnel är kärnan i en av de typer av moderna pekskärmar som används i datorer och mobiltelefoner. Det är också viktigt att överväga det för att lösa det svåraste och viktigaste problemet, hur atmosfäriska aerosoler, som inkluderar moln, samt damm och sotpartiklar, påverkar klimatförändringarna.
Kampanjvideo:
Vågor och partiklar
Under flera århundraden har forskare erbjudit olika förklaringar till gloria, men de visade sig alla vara felaktiga. I början av XIX-talet. Den tyska fysikern Josef von Fraunhofer föreslog att spridda solljus, d.v.s. återspeglas tillbaka, av droppar i molnens djup, bryter på droppar i dess ytskikt. Diffraktion är ett fenomen förknippat med ljusets vågkaraktär och tillåter det att "titta runt hörnet", precis som havsvågorna går runt ett hinder och sprider sig längre, som om det inte alls finns.
Fraunhofers idé var att detta dubbelspridda ljus bildar färgade diffraktionsringar, som liknar en korona, på molnen som omger månen. 1923 förnekade dock den indiska fysikern Bidhu Bhusan Ray Fraunhofer förslag. Som ett resultat av experiment med konstgjorda moln visade Ray att fördelningen av ljusstyrka och färger i gloria och i korona är olika, och att det första inträffar direkt i molnens yttre lager som ett resultat av en enstaka ryggspridning av vattendroppar.
Ray försökte förklara denna bakspridning i termer av geometrisk optik, historiskt förknippad med den corpuskulära teorin om ljus, enligt vilken ljus rör sig i raka strålar snarare än som en våg. När det möter gränssnittet mellan olika media, såsom vatten och luft, reflekteras ljus delvis och tränger delvis in i ett annat medium på grund av brytning (brytning är det som gör att en penna, halvt nedsänkt i vatten, verkar vara trasig). Ljuset som har trängt in i en droppe vatten, innan det lämnar det, reflekteras en eller flera gånger på sin motsatta inre yta. Ray såg strålen när den spridit sig längs droppens axel och reflekterade tillbaka mot dess ingång. Effekten av fram och tillbaka reflektioner var dock för svag för att förklara gloria.
Således bör teorin om gloriaeffekten gå utöver gränserna för geometrisk optik och ta hänsyn till ljusets vågkaraktär och särskilt en sådan vågeffekt som diffraktion. Till skillnad från brytning ökar diffraktionen med ökande ljusvåglängd. Det faktum att gloria är en diffraktiv effekt följer av det faktum att dess inre kant är blå, och den yttre är röd, i enlighet med de kortare och längre våglängderna.
Den matematiska teorin för diffraktion med en sfär såsom en droppe vatten, känd som Mie-spridning, innefattar beräkningen av oändliga summor av termer, de så kallade partiella vågorna. Varje partiell våg är en komplex funktion av droppstorleken, brytningsindex och kollisionsparameter, dvs. avstånd från strålen till droppens mitt. Utan en höghastighetsdator är beräkningar av Mie-spridning från droppar i olika storlekar oerhört komplicerade. Det var först på 1990-talet, när tillräckligt snabba datorer dök upp, som man fick tillförlitliga resultat för droppar i storleksintervall som är karakteristiska för moln. Men forskare behöver andra sätt att utforska för att förstå hur detta faktiskt händer.
Hendrik C. Van de Hulst, pionjär inom modern radioastronomi, i mitten av 1900-talet. gjorde det första betydelsefulla bidraget till förståelsen av gloria fysik. Han påpekade att en ljusstråle som tränger in i en droppe mycket nära dess kant, inuti droppen passerar längs en Y-formad bana, reflekteras från dess inre yta och återgår tillbaka i nästan samma riktning som den kom. Eftersom droppen är symmetrisk, kommer hela strålen med parallella solstrålar att uppnås en gynnsam kollisionsparameter för att hela sin cylindriska stråle faller på droppet på samma avstånd från dess centrum. På detta sätt uppnås en fokuseringseffekt, som multiplicerar ryggspridningen.
Förklaringen låter övertygande, men det finns en fångst. På vägen från penetrering in i droppen för att gå ut från den avböjs strålen på grund av brytning (brytning). Brytningsindexet för vatten är emellertid inte tillräckligt stort för att strålen ska spridas exakt bakåt av en enda inre reflektion. Det mesta som en droppe vatten kan göra är att studsa balken i en riktning cirka 14 ° från originalet.
1957 föreslog van de Hulst att denna avvikelse kunde övervinnas genom ytterligare vägar som korsas av ljus i form av en våg längs droppytan. Sådana ytvågor, bundna till gränssnittet mellan två media, uppstår i många situationer. Tanken är att en stråle som inträffar tangentiellt på en droppe passerar ett visst avstånd längs ytan, tränger in i droppen och träffar dess inre ryggyta. Här glider den igen längs innerytan och reflekteras tillbaka i droppen. Och på det sista segmentet av banan längs ytan reflekteras strålen från den och lämnar droppen. Kärnan i effekten är att strålen är spridd tillbaka i samma riktning som den kom.
En potentiell svaghet i denna förklaring var att energin från ytvågor spenderas på en tangensiell väg. Van de Hulst föreslog att denna dämpning mer än kompenseras av axiell fokusering. Vid den tidpunkten han formulerade detta antagande fanns det inga metoder för att kvantifiera bidraget från ytvågor.
Ändå måste all information om de fysiska orsakerna till gloria, inklusive ytvågens roll, uttryckligen inkluderas i serien av partiella Mie-vågor.
Anledningen besegrar datorn
En möjlig lösning på gloria-pusslet handlar inte bara om ytvågor. 1987 Warren Wiscombe från Space Flight Center. Goddard på NASA (Greenbelt, Maryland) och jag har föreslagit en ny strategi för diffraktion där ljusstrålar som passerar utanför sfären kan ge ett betydande bidrag. Vid första anblicken verkar det absurd. Hur kan en droppe påverka en ljusstråle som inte passerar genom den? Vågor och ljusvågor i synnerhet har den ovanliga förmågan att "tunnela" eller penetrera en barriär. Till exempel kan ljusenergi under vissa omständigheter sippra utanför, när man skulle tro att ljus borde förbli inom den givna miljön.
Typiskt reflekteras ljus som sprider sig i ett medium såsom glas eller vatten fullständigt från gränssnittet med ett medium med ett lägre brytningsindex, såsom luft, om strålen träffar denna yta i en tillräckligt liten vinkel. Till exempel håller denna totala interna reflektionseffekt signalen inuti den optiska fibern. Även om ljuset reflekteras helt, försvinner inte de elektriska och magnetiska fälten som bildar ljusvågen omedelbart bortom gränssnittet. I själva verket penetrerar dessa fält gränsen över ett kort avstånd (i storleksordningen av ljusvågens våglängd) i form av en så kallad "icke-enhetlig våg". En sådan våg bär inte energi bortom gränssnittet utan bildar ett oscillerande fält på ytan, liknande en gitarrsträng.
Det jag just har beskrivit innehåller ännu inte tunneleffekten. Om emellertid ett tredje medium placeras på avstånd från gränsen, mindre än längden på den inhomogena vågen, kommer ljuset att återuppta sin utbredning i detta medium och pumpa energi där. Som ett resultat försvagas den inre reflektionen i det första mediet, och ljus tränger igenom (tunnlar) genom det mellanliggande mediet, som fungerade som en barriär.
Betydande tunneling inträffar endast om gapet mellan de två medierna inte överstiger en våglängd, dvs högst en halv mikron för synligt ljus. Newton observerade detta fenomen så tidigt som 1675. Han undersökte interferensmönstret, nu känt som Newtons ringar, som inträffar när en plan-konvex lins appliceras på en platt glasplatta. Ringarna måste bara observeras när ljus passerar direkt från linsen in i plattan. Newton fann att även när ett mycket litet avstånd skilde linsytan från plattan, d.v.s. de två ytorna var inte i kontakt med varandra, något av ljuset som borde ha genomgått total inre reflektion, trängde istället genom springan.
Tunneling är helt klart motsatt. Fysikern Georgy Gamov var den första som avslöjade detta fenomen inom kvantmekanik. 1928 förklarade han med sin hjälp hur vissa radioaktiva isotoper kan avge alfapartiklar. Han visade att alfapartiklar inuti kärnan inte har tillräckligt med energi för att bryta sig loss från en tung kärna, precis som en kanonboll inte kan nå utströmningshastighet och bryta sig loss från jordens gravitationsfält. Han kunde visa att på grund av dess vågiga natur kan en alfapartikel fortfarande tränga in i barriären och lämna kärnan.
I motsats till vad många tror är tunnling inte bara en rent kvanteffekt; det observeras också i fallet med klassiska vågor. En solstråle som passerar i ett moln utanför en vattendroppe kan, i motsats till intuitiv förväntning, tränga igenom den genom tunnelingeffekten och därmed bidra till skapandet av gloria.
Vårt första arbete med Wiskomb handlade om att studera spridning av ljus genom att helt reflektera silverbollar. Vi fann att de partiella vågorna i en stråle som passerar utanför sfären kan, om avståndet till droppytan inte är för stort, tunnela till dess yta och ge ett betydande bidrag till diffraktion.
När det gäller transparenta sfärer som vattendroppar kan ljus tränga inåt efter tunnling till ytan. Där slår den inre ytan av sfären i en vinkel som är tillräckligt liten för att genomgå total inre reflektion och förblir därför fångad inuti droppen. Ett liknande fenomen observeras för ljudvågor, till exempel i det berömda viskningsgalleriet under valv av St. Paul i London. En person som viskar när han vetter mot en vägg kan höras på avstånd vid den motsatta väggen, för ljud genomgår flera reflektioner från rundade väggar.
I fallet med ljus kan dock en våg som har tunnelat in i droppen lämna den på grund av tunnling. För vissa våglängder förstärks vågen efter flera interna reflektioner genom konstruktiv störning och bildar den så kallade Mie-resonansen. Denna effekt kan jämföras med svängningen av en gunga på grund av stötar, vars frekvens sammanfaller med deras naturliga frekvens. I samband med den akustiska analogin kallas även dessa resonanser den viskande gallerieffekten. Till och med en liten förändring i våglängden räcker för att bryta resonansen; därför är Mi-resonanser extremt skarpa och ger en betydande ökning av intensiteten.
Sammanfattningsvis kan vi säga att tre effekter bidrar till gloria-fenomenet: den axiella ryggspridningen som beaktas av Ray i enlighet med geometrisk optik; kantvågor, inklusive van de Hulst ytvågor; Mie resonanser till följd av tunneling. 1977 utvärderade Vijay Khare, då vid University of Rochester, och jag utvärderade bidraget från kantstrålar, inklusive van de Hulst-vågor. Resonanserna granskades av Luiz Gallisa Guimaraes från Federal University of Rio de Janeiro 1994. 2002 gjorde jag en detaljerad analys av vilka av de tre effekterna som är viktigast. Det visade sig att bidraget med axiell ryggspridning är försumbar, och den mest betydande är effekten av resonanser på grund av tunneln utanför kanten. Den oundvikliga slutsatsen som följer av detta är denna:gloria är en makroskopisk effekt av ljus tunneling.
Gloria och klimatet
Förutom att ge gloriaproblemet ren intellektuell tillfredsställelse, har tunnelns effekt av ljus också praktiska tillämpningar. Den viskande gallerieffekten har använts för att skapa lasrar baserade på mikroskopiska vattendroppar, hårda mikrosfärer och mikroskopiska skivor. Lätt tunneling har nyligen använts i pekskärmskärmar. Ett finger som närmar sig skärmen fungerar som en newtonsk lins, vilket gör att ljus kan tunnelna inuti skärmen, sprida i motsatt riktning och generera en signal. Den inhomogena ljusvågen som genereras genom tunneln används i så viktig teknik som mikroskopi nära kanten, som kan användas för att lösa detaljer som är mindre än ljusets våglängd och därigenom bryter den så kallade diffraktionsgränsen.vilket i konventionell mikroskopi för objekt av denna storlek ger en oskarp bild.
Att förstå spridningen av ljus i vattendroppar är särskilt viktigt för att bedöma molnens roll i klimatförändringarna. Vatten är mycket transparent i det synliga området i spektrumet, men liksom koldioxid och andra växthusgaser absorberar det infraröd strålning i vissa band. Eftersom Mie-resonanser vanligtvis är förknippade med ett mycket stort antal interna reflektionshändelser, kan en liten droppe ta upp en betydande del av strålningen, särskilt om vattnet innehåller föroreningar. Frågan uppstår: kommer molntäckningen, när dess genomsnittliga täthet förändras, att hålla jorden sval och återspeglar det mesta av solljuset i rymden, eller kommer det att bidra till uppvärmningen och fungera som en extra filt som fångar infraröd strålning?
Fram till för ungefär tio år sedan utfördes modellering av ljusspridning med moln genom att beräkna Mie-resonanser för en relativt liten uppsättning droppstorlekar som ansågs vara representativa för typiska moln. Detta reducerade räkningstiden på superdatorn, men den utgjorde en oväntad fälla. Som jag visade 2003, med mina egna metoder för att analysera regnbåge och gloria, kan standardmodelleringsmetoder leda till fel på upp till 30% för vissa smala spektralband. Således, när man beräknar spridningen från droppar med i förväg valda storlekar, är det lätt att missa det viktiga bidraget från många smala resonanser associerade med droppar av mellanstorlekar. Om exempelvis beräkningen utfördes för droppar med en diameter av en, två, tre osv. mikron, en mycket smal resonans vid 2,4 mikron passerade. Min förutsägelse bekräftades 2006. I studier som tog hänsyn till den verkliga fördelningen av droppstorlekar i atmosfären har modellerna under senare år förfinats genom att överväga droppar vars storlekar har delats upp i mycket mindre intervall.
Som Wigner förutspådde är resultaten som erhållits även med en perfekt superdator, om de inte upplystes av fysisk tanke, inte trovärdiga. Det finns något att tänka på, särskilt om nästa gång din plats på planet är vid fönstret.