At forklare et af de smukkeste fænomener i meteorologi kræver en meget sofistikeret tilgang. At studere det hjælper også med at forstå skyenes rolle i klimaændringerne.
Hvis du er på en dagsflyvning, skal du tage et vinduessæde. Og så kan du muligvis se flyets skygge på skyerne. Men du skal tage højde for flyveretningen i forhold til solen. Hvis du er heldig, vil du blive belønnet, og du kan se et malerisk syn - en flerfarvet glorie, der grænser op til skibet af flyvemaskinen. Det kaldes "gloria". Dets oprindelse skyldes en mere kompleks effekt end udseendet af en regnbue. Dette fænomen vil være mest imponerende, hvis skyerne er tæt, da det strækker sig helt til horisonten.
Hvis du er en bjergbestiger, kan du observere gloria kort efter solopgang omkring skyggen, der er kastet af dit hoved på den nærmeste sky. Vi præsenterer her den første rapport om observationen af et sådant fænomen fra medlemmer af den franske ekspedition til toppen af Mount Pambamarca på det nuværende Ecuadors territorium, der blev offentliggjort ti år efter opstigningen, i 1748.”Skyen, der dækkede over os, begyndte at sprede sig, og strålerne fra den stigende sol gik gennem den. Og så så hver af os vores skygge kastet på skyen. Det, som vi fandt mest bemærkelsesværdigt, var udseendet på en glorie, eller gloria, bestående af tre eller fire små koncentriske, stærkt farvede cirkler rundt om hovedet. Det mest overraskende var, at ud af seks eller syv medlemmer af gruppen kun observerede dette fænomen kun omkring skyggen fra sit eget hoved,Jeg har aldrig set noget lignende omkring mine kameraters skygger."
Mange forskere troede, at glorier på billeder af guddomme og kejsere i østlig og vestlig ikonografi repræsenterer en kunstnerisk fiksering af fænomenet gloria. (Vi finder en allegorisk bekræftelse af denne antagelse i det berømte digt af Samuel Taylor Coleridge "Fidelity to the Ideal Image"). I slutningen af XIX århundrede. Den skotske fysiker Charles Thomson Rees Wilson opfandt et "sky" -kamera (i russisk terminologi - Wilsons kammer) og gjorde et forsøg på at gengive dette fænomen i laboratoriet.
Han mislykkedes, men indså hurtigt, at kameraet kunne bruges til at registrere partikler, og som et resultat blev tildelt Nobelprisen. En observatørs eller et flys skygge spiller ingen rolle i dannelsen af gloria. Det eneste, der forbinder dem er, at skyggen fikserer retningen nøjagtigt modsat den af Solen. Dette betyder, at gloria er en tilbagespredende effekt, der afleder sollys med næsten 180 °. Du skulle måske tro, at en så velkendt effekt, der hører til et så ærverdig fysikfelt som optik, uden tvivl burde have været forklaret for længe siden. Ikke desto mindre har forklaring af dette ifølge forfatterne af rapporten fra 1748 "virkningen så gammel som verden" været en alvorlig udfordring for forskere i århundreder. Selv en regnbue er et mere komplekst fænomen end hvordan elementære fysikbøger beskriver det. Derudover er gloria-dannelsesmekanismen endnu mere kompliceret.
I princippet forklares både gloria og regnbuen med hensyn til standard teoretisk optik, der allerede eksisterede i begyndelsen af det 20. århundrede. Dette gjorde det muligt for den tyske fysiker Gustav Mie at få en nøjagtig matematisk løsning til processen med lysspredning med en vanddråbe. Djævelen er dog i detaljerne. Mie-metoden involverer tilføjelse af udtryk, de såkaldte partielle bølger. Summering kræver et uendeligt antal af sådanne udtryk, og selvom et begrænset antal af dem praktisk talt er betydningsfulde, kræver Mie-metoden beregning af hundreder og tusinder af meget komplekse udtryk.
Hvis du indtaster dem i en computer, vil det give det rigtige resultat, men det er umuligt at forstå, hvilke fysiske processer der er ansvarlige for de observerede effekter. Løsning Mi-typisk matematisk "sort boks": indtast de oprindelige data i det, og det giver resultatet. Det er relevant at huske her en bemærkning fra nobelprisvinderen Eugene Paul Wigner:”Det er dejligt, at computeren forstod problemet. Men jeg vil også gerne forstå hende. " Blind tro på slibningstal med brute kraft kan føre til forkerte konklusioner, som det vil blive vist nedenfor.
I 1965 begyndte jeg at udvikle et forskningsprogram, der blandt andet ville føre til en komplet fysisk forklaring af gloria. Og dette mål, på den måde, som jeg blev hjulpet af af flere samarbejdspartnere, blev nået i 2003. Løsningen var baseret på at tage højde for bølgetunneling, en af de mest mystiske fysiske effekter, som Isaac Newton først observerede i 1675. Bølgetunneling er kernen i en af de typer af moderne berøringsskærme, der bruges i computere og mobiltelefoner. Det er også vigtigt at overveje det for at løse det mest vanskelige og vigtigste problem, hvordan atmosfæriske aerosoler, der inkluderer skyer, samt støv og sodpartikler, påvirker klimaændringerne.
Salgsfremmende video:
Bølger og partikler
I flere århundreder har forskere tilbudt forskellige forklaringer på gloria, men de viste sig alle at være forkerte. I begyndelsen af XIX århundrede. Den tyske fysiker Josef von Fraunhofer foreslog, at sollys spredte, dvs. reflekteres tilbage, ved dråber i skyens dybde, diffraherer på dråber i dets overfladelag. Diffraktion er et fænomen, der er forbundet med lysets bølgekarakter og tillader det at "kigge rundt om hjørnet", ligesom havbølger går rundt i en hindring og spreder sig videre, som om det slet ikke eksisterede.
Fraunhofer's idé var, at dette dobbeltspredte lys danner farvede diffraktionsringe, der ligner en korona, på skyerne omkring månen. I 1923 benægtede den indiske fysiker Bidhu Bhusan Ray imidlertid Fraunhofer's forslag. Som et resultat af eksperimenter med kunstige skyer, viste Ray, at fordelingen af lysstyrke og farver i gloria og i corona er forskellige, og at førstnævnte opstår direkte i de ydre lag af skyen som et resultat af en enkelt handling med tilbagespredning af vanddråber.
Ray forsøgte at forklare denne tilbagespredning med hensyn til geometrisk optik, historisk forbundet med den corpuskulære teori om lys, ifølge hvilken lys bevæger sig i lige stråler snarere end som en bølge. Når det møder grænsefladen mellem forskellige medier, såsom vand og luft, reflekteres lys delvist og trænger delvist ind i et andet medium på grund af brydning (brydning er det, der får en blyant, halvt nedsænket i vand, tilsyneladende at være ødelagt). Lyset, der er trængt ind i en dråbe vand, før det forlader det, reflekteres en eller flere gange på sin modsatte indre overflade. Ray betragtede strålen, da den forplantede sig langs dråbeens akse og reflekterede tilbage mod dens indgangspunkt. Selv med flere handlinger med frem og tilbage refleksioner var effekten imidlertid for svag til at forklare gloria.
Således bør teorien om gloriaeffekten gå ud over grænserne for geometrisk optik og tage hensyn til lysets bølgekarakter og især en sådan bølgevirkning som diffraktion. I modsætning til brydning stiger diffraktion med stigende bølgelængde af lys. Det faktum, at gloria er en diffraktiv virkning, følger af det faktum, at dens indre kant er blå, og den ydre er rød, i overensstemmelse med de kortere og længere bølgelængder.
Den matematiske teori om diffraktion med en sfære såsom en dråbe vand, kendt som Mie-spredning, involverer beregning af uendelige summer af udtryk, de såkaldte partielle bølger. Hver delbølge er en kompleks funktion af dråbestørrelse, brydningsindeks og kollisionsparameter, dvs. afstand fra strålen til midten af dråbet. Uden en højhastighedscomputer er beregninger af Mie-spredning fra dråber i forskellige størrelser utroligt komplekse. Det var først i 1990'erne, hvor relativt hurtige computere dukkede op, der blev opnået pålidelige resultater for dråber i størrelsesordenen, der er karakteristisk for skyer. Men forskere har brug for andre måder at udforske for at forstå, hvordan dette rent faktisk sker.
Hendrik C. Van de Hulst, pioner inden for moderne radioastronomi, midt i det 20. århundrede. gav det første betydningsfulde bidrag til forståelsen af gloria-fysik. Han påpegede, at en lysstråle, der trænger ind i en dråbe meget tæt på dens kant, inde i dråben passerer langs en Y-formet bane, reflekteres fra dens indre overflade og vender tilbage i næsten samme retning, som den kom. Da dråbet er symmetrisk, vil der mellem hele strålen med parallelle solstråler blive realiseret en gunstig kollisionsparameter for hele deres cylindriske stråle, der falder på dråben i samme afstand fra dens centrum. På denne måde opnås en fokuserende effekt, der multiplicerer backscatter.
Forklaringen lyder overbevisende, men der er én fangst. På vej fra gennemtrængning ind i dråbet til udgang fra det afbøjes strålen på grund af brydning (brydning). Imidlertid er brydningsindekset for vand ikke stort nok til at strålen kan spredes nøjagtigt bagud ved en enkelt intern reflektion. Det mest, som en dråbe vand kan gøre, er at afvise bjælken i en retning ca. 14 ° fra originalen.
I 1957 foreslog van de Hulst, at denne afvigelse kunne overvindes ved yderligere stier, der krydses af lys i form af en bølge langs dråbeoverfladen. Sådanne overfladebølger, bundet til grænsefladen mellem to medier, opstår i mange situationer. Ideen er, at en stråle, der er tangentielt på et dråbe, passerer en vis afstand langs dens overflade, trænger ind i dråben og rammer dens indre bagoverflade. Her glider det igen langs den indre overflade og reflekteres tilbage i dråben. Og på det sidste segment af stien langs overfladen reflekteres strålen fra den og forlader dråbet. Essensen af effekten er, at strålen er spredt tilbage i samme retning, som den kom.
En potentiel svaghed ved denne forklaring var, at energien fra overfladebølger bruges på en tangential bane. Van de Hulst foreslog, at denne dæmpning mere end kompenseres ved aksial fokusering. På det tidspunkt, han formulerede denne formodning, var der ingen metoder til at kvantificere bidraget fra overfladebølger.
Ikke desto mindre måtte al information om de fysiske årsager til gloria, herunder overfladebølgeres rolle, eksplicit inkluderes i serien med delvise Mie-bølger.
Årsag besejrer computeren
En mulig løsning på gloria-puslespillet handler ikke kun om overfladebølger. I 1987 var Warren Wiscombe fra Space Flight Center. Goddard ved NASA (Greenbelt, Maryland) og jeg har foreslået en ny tilgang til diffraktion, hvor lysstråler, der passerer uden for sfæren, kan yde et væsentligt bidrag. Ved første øjekast virker dette absurd. Hvordan kan en dråbe påvirke en lysstråle, der ikke passerer gennem den? Bølger og især lysbølger har den usædvanlige evne til at "tunnel" eller trænge ind i en barriere. F.eks. Kan lysenergi under nogle omstændigheder sive ud, når man ville tro, at lys skulle forblive i det givne miljø.
Typisk vil lys, der forplantes i et medium, såsom glas eller vand, reflekteres fuldstændigt fra grænsefladen med et medium med et lavere brydningsindeks, såsom luft, hvis bjælken rammer denne overflade i en tilstrækkelig lille vinkel. For eksempel holder denne samlede interne reflektionseffekt signalet inde i den optiske fiber. Selv hvis lyset reflekteres fuldstændigt, forsvinder de elektriske og magnetiske felter, der danner lysbølgen, ikke umiddelbart uden for grænsefladen. Faktisk trænger disse felter ind i grænsen over en kort afstand (af rækkefølgen af bølgelængden af lysbølgen) i form af en såkaldt "ikke-ensartet bølge". En sådan bølge bærer ikke energi ud over grænsefladen, men danner et oscillerende felt på dens overflade, svarende til en guitarstreng.
Hvad jeg lige har beskrevet, indeholder endnu ikke tunneling-effekten. Hvis et tredje medium imidlertid placeres i en afstand fra grænsen mindre end længden af den inhomogene bølge, vil lyset genoptage dens udbredelse i dette medium og pumpe energi der. Som et resultat svækkes den indre reflektion i det første medium, og lys trænger igennem (tunneler) gennem det mellemliggende medium, der tjente som en barriere.
Betydelig tunneling forekommer kun, hvis afstanden mellem de to medier ikke overstiger en bølgelængde væsentligt, dvs. højst en halv mikron i tilfælde af synligt lys. Newton observerede dette fænomen allerede i 1675. Han undersøgte interferensmønsteret, nu kendt som Newtons ringe, som opstår, når en plano-konveks linse påføres en flad glasplade. Ringerne skulle kun observeres, når lys passerer direkte fra linsen ind i pladen. Newton fandt, at selv når en meget lille afstand adskiller linseoverfladen fra pladen, dvs. de to overflader var ikke i kontakt med hinanden, noget af lyset, der skulle have gennemgået total intern reflektion, trængte i stedet igennem mellemrummet.
Tunneling er helt klart intuitiv. Fysiker Georgy Gamov var den første, der afslørede dette fænomen i kvantemekanik. I 1928 forklarede han med hans hjælp, hvordan visse radioaktive isotoper kan udsende alfa-partikler. Han viste, at alfapartikler inde i kernen ikke har nok energi til at bryde væk fra en tung kerne, ligesom en kanonkugle ikke kan nå flugthastighed og bryde væk fra jordens gravitationsfelt. Han var i stand til at vise, at på grund af dens bølgenatur, kan en alfapartikel stadig trænge igennem barrieren og forlade kernen.
I modsætning til hvad man tror, er tunneling imidlertid ikke kun en rent kvanteeffekt; det observeres også i tilfælde af klassiske bølger. En solstråle, der passerer i en sky uden for en dråbe vand, kan i modsætning til den intuitive forventning trænge ind gennem tunneling-effekten og således bidrage til skabelsen af gloria.
Vores oprindelige arbejde med Wiskomb vedrørte studiet af lysspredning ved fuldt ud at reflektere sølvkugler. Vi fandt, at de delvise bølger af en stråle, der passerer uden for sfæren, hvis afstanden til dråbeoverfladen ikke er for stor, kan tunnel til dens overflade og yde et væsentligt bidrag til diffraktion.
I tilfælde af gennemsigtige kugler, såsom vanddråber, kan lys trænge indad efter tunneling til deres overflade. Der rammer den den indre overflade af kuglen i en vinkel, der er lille nok til at gennemgå total intern reflektion, og forbliver derfor fanget inde i dråben. Et lignende fænomen observeres for lydbølger, for eksempel i det berømte hviskesgalleri under buerne af St. Paul i London. En person, der hvisker, mens han vender mod den ene væg, kan høres i det fjerne ved den modsatte væg, fordi lyd gennemgår flere refleksioner fra afrundede vægge.
I tilfælde af lys kan en bølge, der har tunnelet ind i dråben, imidlertid også forlade den på grund af tunneling. For visse bølgelængder forstærkes bølgen efter flere interne reflektioner ved konstruktiv interferens, hvilket danner den såkaldte Mie-resonans. Denne virkning kan sammenlignes med svingning af en sving på grund af stød, hvis hyppighed falder sammen med deres naturlige frekvens. I forbindelse med den akustiske analogi kaldes disse resonanser også den hviskende galleri-effekt. Selv en lille ændring i bølgelængde er nok til at bryde resonansen; derfor er Mi-resonanser ekstremt skarpe og giver en betydelig stigning i intensitet.
Sammenfattende kan vi sige, at tre effekter bidrager til gloria-fænomenet: den aksiale tilbagespredning, som Ray overvejer i overensstemmelse med geometrisk optik; kantbølger, inklusive van de Hulst overfladebølger; Mie-resonanser, der opstår ved tunneling. I 1977 vurderede Vijay Khare, derpå på University of Rochester, og jeg evaluerede bidrag fra kantstråler, inklusive van de Hulst-bølger. Resonanserne blev gennemgået af Luiz Gallisa Guimaraes fra Forbundsuniversitetet i Rio de Janeiro i 1994. I 2002 foretog jeg en detaljeret analyse af, hvilke af de tre effekter der er mest vigtige. Det viste sig, at bidraget med aksial tilbagespredning er ubetydelig, og den mest markante er effekten af resonanser på grund af off-edge tunneling. Den uundgåelige konklusion, der følger heraf, er denne:gloria er en makroskopisk effekt af let tunneling.
Gloria og klimaet
Foruden at give gloria-problemet ren intellektuel tilfredshed, har tunnelens virkning af lys også praktiske anvendelser. Den hviskende gallerieffekt er blevet brugt til at skabe lasere baseret på mikroskopiske vanddråber, hårde mikrosfærer og mikroskopiske diske. Let tunneling er for nylig blevet brugt i berøringsskærmsdisplay. En finger, der nærmer sig skærmen, fungerer som en Newtonsk linse, der giver lyset mulighed for at tunnelere inde i skærmen, sprede i modsat retning og generere et signal. Den inhomogene lysbølge, der genereres ved tunneling, bruges i så vigtig teknologi som nærkanten-mikroskopi, som kan bruges til at løse detaljer, der er mindre end lysets bølgelængde, og derved bryde den såkaldte diffraktionsgrænse.hvilket i konventionel mikroskopi til genstande af denne størrelse giver et sløret billede.
At forstå spredning af lys i vanddråber er især vigtigt for at vurdere skys rolle i klimaforandringer. Vand er meget gennemsigtigt i det synlige område af spektret, men ligesom kuldioxid og andre drivhusgasser absorberer det infrarød stråling i nogle bånd. Da Mie-resonanser normalt er forbundet med et meget stort antal interne reflektionshændelser, kan en lille dråbe absorbere en betydelig del af strålingen, især hvis vandet indeholder urenheder. Spørgsmålet opstår: vil skydækket, når dets gennemsnitlige tæthed ændres, holde jorden kølig, hvilket reflekterer det meste af sollys i rummet, eller vil det bidrage til dets opvarmning, der fungerer som et ekstra tæppe, der fanger infrarød stråling?
Indtil for ca. ti år siden blev modellering af lysspredning med skyer udført ved at beregne Mie-resonanser for et relativt lille sæt dråbestørrelser, der blev betragtet som repræsentative for typiske skyer. Dette reducerede tællingstiden på supercomputeren, men det udgjorde en uventet fælde. Som jeg viste i 2003, ved hjælp af mine egne metoder til analyse af regnbue og gloria, kunne standardmodelleringsmetoder føre til fejl på op til 30% for nogle smalle spektrale bånd. Når man beregner spredningen fra dråber med forudvalgte størrelser, er det let at gå glip af et vigtigt bidrag fra mange smalle resonanser forbundet med dråber med mellemstørrelser. For eksempel, hvis beregningen blev udført for dråber med en diameter på en, to, tre osv. mikron, en meget smal resonans ved 2,4 mikron blev passeret. Min forudsigelse blev bekræftet i 2006. I undersøgelser, der tog højde for den reelle fordeling af dråbestørrelser i atmosfæren, er modellerne i de senere år blevet forbedret ved at overveje dråber, hvis størrelser er blevet opdelt i meget mindre intervaller.
Som Wigner forudsiger, er de opnåede resultater, selv med en perfekt supercomputer, hvis de ikke er belyst af fysisk tanke, ikke troværdige. Der er noget at tænke på, især hvis næste gang dit sæde i flyet er ved vinduet.