Explicarea unuia dintre cele mai frumoase fenomene din meteorologie necesită o abordare foarte sofisticată. Studierea acestuia contribuie, de asemenea, la înțelegerea rolului norilor în schimbările climatice.
Dacă sunteți într-un zbor de o zi, vă rugăm să luați un scaun la fereastră. Și atunci poate veți putea vedea umbra avionului pe nori. Dar trebuie să țineți cont de direcția de zbor în raport cu soarele. Dacă aveți noroc, veți fi recompensat și veți putea observa o priveliște pitorească - un halou multicolor, care se învecinează cu umbra avionului. Se numește „glorie”. Originea sa se datorează unui efect mai complex decât apariția unui curcubeu. Acest fenomen va fi cel mai impresionant dacă norii sunt apropiați, de atunci se extinde chiar la orizont.
Dacă sunteți alpinist, puteți observa gloria la scurt timp după răsărit în jurul umbrei aruncate de capul dvs. pe cel mai apropiat nor. Prezentăm aici primul raport privind observarea unui astfel de fenomen de către membrii expediției franceze pe vârful Muntelui Pambamarca pe teritoriul actualei Ecuador, publicat la zece ani de la ascensiune, în 1748. „Norul care ne acoperea a început să se disipeze, iar razele soarelui răsărit au străpuns-o. Și atunci fiecare dintre noi a văzut umbra noastră aruncată pe nor. Ceea ce am găsit cel mai remarcabil a fost apariția unei halo sau glorii, formată din trei sau patru mici cercuri concentrice, viu colorate în jurul capului. Cel mai surprinzător a fost faptul că din șase sau șapte membri ai grupului, fiecare a observat acest fenomen doar în jurul umbrei din propriul său cap,Nu am văzut niciodată așa ceva în jurul umbrelor tovarășilor mei."
Mulți cercetători au crezut că halourile de pe imaginile zeităților și împăraților din iconografia estică și occidentală reprezintă o fixare artistică a fenomenului gloriei. (Găsim o confirmare alegorică a acestei presupuneri în celebrul poem de Samuel Taylor Coleridge „Fidelitatea la imaginea ideală”). La sfârșitul secolului XIX. Fizicianul scoțian Charles Thomson Rees Wilson a inventat o cameră „cloud” (în terminologia rusă - camera lui Wilson) și a încercat să reproducă acest fenomen în laborator.
El a eșuat, dar și-a dat seama rapid că camera poate fi folosită pentru a înregistra particule și, în consecință, a primit premiul Nobel. Umbra unui observator sau a unui avion nu joacă niciun rol în formarea gloriei. Singurul lucru care le leagă este faptul că umbra fixează direcția exact opusă celei Soarelui. Aceasta înseamnă că gloria este un efect retrospectiv care deviază lumina soarelui cu aproape 180 °. S-ar putea crede că un efect atât de cunoscut, aparținând unui domeniu atât de venerabil de fizică precum optica, ar fi fost, fără îndoială, explicat cu mult timp în urmă. Cu toate acestea, explicând acest lucru, potrivit autorilor raportului din 1748, „efectul la fel de vechi ca lumea”, a prezentat o provocare serioasă oamenilor de știință timp de secole. Chiar și un curcubeu este un fenomen mai complex decât modul în care manualele fizice elementare îl descriu. Mai mult, mecanismul de formare a gloriei este și mai complicat.
În principiu, atât gloria, cât și curcubeul sunt explicate în termeni de optică teoretică standard, care exista deja la începutul secolului XX. Acest lucru i-a permis fizicianului german Gustav Mie să obțină o soluție matematică precisă pentru procesul de împrăștiere a luminii printr-o picătură de apă. Cu toate acestea, diavolul este în detalii. Metoda Mie implică adăugarea de termeni, așa-numitele unde parțiale. Este necesar să se rezume la un număr infinit de astfel de termeni și, deși un număr finit dintre ei este practic semnificativ, metoda lui Mee necesită calcularea a sute și mii de expresii foarte complexe.
Dacă le introduceți într-un computer, atunci va da rezultatul corect, dar este imposibil să înțelegeți care sunt procesele fizice responsabile pentru efectele observate. Soluție Mi-tipică „cutie neagră” matematică: introduceți datele inițiale în ea și vor da rezultatul. Este pertinent să amintim aici o remarcă a laureatului Nobel Eugene Paul Wigner: „Este minunat că computerul a înțeles problema. Dar aș dori și eu să o înțeleg. Credința orbă în cifrele de măcinare cu forța brută poate duce la concluzii greșite, așa cum se arată mai jos.
În 1965, m-am gândit să dezvolt un program de cercetare care să conducă, printre altele, la o explicație fizică completă a gloriei. Și acest obiectiv, pe calea căruia am fost ajutat de mai mulți colaboratori, a fost atins în 2003. Soluția s-a bazat pe luarea în considerare a tunelării valurilor, unul dintre cele mai misterioase efecte fizice pe care Isaac Newton le-a observat pentru prima dată în 1675. Wavel tunneling subside unul dintre tipurile de ecrane tactile moderne utilizate în calculatoare și telefoane mobile. De asemenea, este important să o luăm în considerare pentru rezolvarea celei mai dificile și mai importante probleme, modul în care aerosolii atmosferici, care includ norii, precum și praful și particulele de funingine, afectează schimbările climatice.
Video promotional:
Undele și particulele
Timp de câteva secole, oamenii de știință au oferit diverse explicații pentru glorie, dar toate s-au dovedit incorecte. La începutul secolului XIX. Fizicianul german Josef von Fraunhofer a sugerat ca lumina soarelui să se împrăștie, adică. reflectat înapoi, prin picături în adâncimea norului, difractează pe picături în stratul său de suprafață. Difracția este un fenomen asociat cu natura valurilor luminii și care îi permite să „privească după colț”, la fel cum valurile mării merg în jurul unui obstacol și se răspândesc mai departe, ca și cum nu ar exista deloc.
Ideea lui Fraunhofer a fost că această lumină dublu împrăștiată formează inele de difracție colorate, asemănătoare cu o coronă, pe norii care înconjoară luna. Cu toate acestea, în 1923, fizicianul indian Bidhu Bhusan Ray a negat sugestia lui Fraunhofer. Ca urmare a experimentelor cu nori artificiali, Ray a arătat că distribuția luminozității și a culorilor în glorie și în coronă sunt diferite și că prima apare direct în straturile exterioare ale norului, ca urmare a unui singur act de retragere prin picăturile de apă.
Ray a încercat să explice această retrospectivă în termeni de optică geometrică, asociată istoric cu teoria corpusculară a luminii, conform căreia lumina călătorește în razele drepte, mai degrabă decât ca o undă. Când întâlnește interfața dintre diferite medii, cum ar fi apa și aerul, lumina este parțial reflectată și parțial pătrunde într-un alt mediu datorită refracției (refracția este ceea ce face ca un creion, jumătate scufundat în apă, să pară rupt). Lumina care a pătruns într-o picătură de apă, înainte de a o părăsi, este reflectată de una sau de mai multe ori pe suprafața sa interioară opusă. Ray a privit fasciculul în timp ce s-a propagat de-a lungul axei picăturii și s-a reflectat înapoi spre punctul său de intrare. Cu toate acestea, chiar și cu multiple acte de reflexe înapoi și înapoi, efectul a fost prea slab pentru a explica gloria.
Astfel, teoria efectului gloriei ar trebui să depășească limitele opticii geometrice și să țină seama de natura ondulată a luminii și, în special, de un efect de undă precum difracția. Spre deosebire de refracție, difracția crește odată cu creșterea lungimii de undă a luminii. Faptul că gloria este un efect difractiv rezultă din faptul că marginea sa interioară este albastră, iar cea exterioară este roșie, în conformitate cu lungimile de undă mai scurte și mai lungi.
Teoria matematică a difracției de către o sferă precum o picătură de apă, cunoscută sub numele de Mie scattering, implică calculul sumelor infinite de termeni, așa-numitele unde parțiale. Fiecare undă parțială este o funcție complexă a dimensiunii picăturii, a indicelui de refracție și a parametrului de coliziune, adică. distanța de la rază la centrul picăturii. Fără un computer de mare viteză, calculele Mie împrăștiate din picături de diferite dimensiuni sunt incredibil de complexe. Abia în anii 90, când au apărut calculatoare suficient de rapide, s-au obținut rezultate fiabile pentru picăturile din gama de mărimi caracteristice norilor. Dar cercetătorii au nevoie de alte modalități de explorare pentru a înțelege cum se întâmplă acest lucru.
Hendrik C. Van de Hulst, pionier al astronomiei radio moderne, la mijlocul secolului XX. a adus prima contribuție semnificativă la înțelegerea fizicii gloriei. El a subliniat că o rază de lumină care pătrunde într-o picătură foarte aproape de marginea sa, în interiorul picăturii trece de-a lungul unei traiectorii în formă de Y, se reflectă de pe suprafața sa interioară și se întoarce înapoi aproape în aceeași direcție în care a venit. Deoarece căderea este simetrică, între întregul fascicul de raze solare paralele, un parametru de coliziune favorabil va fi realizat pentru întregul fascicul cilindric care se încadrează pe cădere la aceeași distanță de centrul său. În acest fel, se obține un efect de focalizare, care înmulțește retractorul.
Explicația sună convingător, dar există o singură captură. Pe drumul de la penetrare în picătură pentru a ieși din ea, fasciculul este deviat datorită refracției (refracției). Cu toate acestea, indicele de refracție al apei nu este suficient de mare pentru ca fasciculul să fie împrăștiat exact înapoi printr-o singură reflectare internă. Cel mai mult pe care îl poate face o picătură de apă este să sari fasciculul într-o direcție de aproximativ 14 ° față de original.
În 1957, van de Hulst a sugerat că această abatere ar putea fi depășită prin căi suplimentare traversate de lumină sub formă de undă de-a lungul suprafeței picăturii. Astfel de unde de suprafață, legate de interfața dintre două medii, apar în multe situații. Ideea este că un incident de raze tangențial pe o picătură trece o anumită distanță de-a lungul suprafeței sale, pătrunde în picătură și lovește suprafața interioară din spate. Aici alunecă din nou de-a lungul suprafeței interioare și este reflectată din nou în picătură. Și pe ultimul segment al căii de-a lungul suprafeței, raza se reflectă din ea și iese din picătură. Esența efectului este că fasciculul este împrăștiat în aceeași direcție în care a venit.
O potențială slăbiciune a acestei explicații a fost aceea că energia undelor de suprafață este cheltuită pe o cale tangențială. Van de Hulst a sugerat că această amortizare este mai mult decât compensată prin focalizare axială. În momentul în care a formulat această conjectură, nu existau metode de cuantificare a contribuției din undele de suprafață.
Cu toate acestea, toate informațiile despre cauzele fizice ale gloriei, inclusiv rolul undelor de suprafață, trebuiau incluse în mod explicit în seria undelor parțiale Mie.
Rațiunea învinge computerul
O posibilă soluție pentru gloria puzzle nu se rezumă doar la valurile de suprafață. În 1987, Warren Wiscombe a Centrului de zbor spațial. Goddard la NASA (Greenbelt, Maryland) și am propus o nouă abordare a difracției în care razele de lumină care trec în afara sferei pot contribui semnificativ. La prima vedere, acest lucru pare absurd. Cum poate o picătură să afecteze o rază de lumină care nu trece prin ea? Undele și, în special, undele de lumină au capacitatea neobișnuită de a „tunela” sau de a pătrunde într-o barieră. De exemplu, în unele circumstanțe, energia luminii se poate scurge afară, când cineva ar crede că lumina trebuie să rămână în mediul dat.
În mod obișnuit, lumina care se propagă într-un mediu, cum ar fi sticla sau apa, se va reflecta complet din interfața cu un mediu cu un indice de refracție mai mic, cum ar fi aerul, dacă fasciculul atinge această suprafață într-un unghi suficient de mic. De exemplu, acest efect intern de reflectare total păstrează semnalul în fibra optică. Chiar dacă lumina este complet reflectată, câmpurile electrice și magnetice care formează unda luminii nu dispar imediat dincolo de interfață. De fapt, aceste câmpuri pătrund la graniță pe o distanță scurtă (de ordinul lungimii de undă a undei de lumină) sub forma unui așa-numit „val neuniform”. Un astfel de val nu transportă energie dincolo de interfață, ci formează un câmp oscilant pe suprafața sa, similar cu o coardă de chitară.
Ceea ce tocmai am descris nu conține încă efectul de tunelare. Cu toate acestea, dacă un al treilea mediu este plasat la o distanță de graniță mai mică decât lungimea undei neomogene, atunci lumina își va relua propagarea în acest mediu, pompând energia acolo. Drept urmare, reflexia internă în primul mediu slăbește, iar lumina pătrunde (tuneluri) prin mediul intermediar, care a servit ca barieră.
Tunelarea semnificativă are loc numai dacă decalajul dintre cele două medii nu depășește în mod semnificativ o lungime de undă, adică. nu mai mult de jumătate de micron în cazul luminii vizibile. Newton a observat acest fenomen încă din 1675. A investigat modelul de interferență, acum cunoscut sub numele de inele lui Newton, care apare atunci când o lentilă plan-convexă este aplicată pe o placă de sticlă plată. Inelele ar trebui să fie observate doar atunci când lumina trece direct din obiectiv în placă. Newton a descoperit că chiar și când o distanță foarte mică separa suprafața lentilei de placă, adică. cele două suprafețe nu erau în contact una cu cealaltă, o parte din lumina care ar fi trebuit să sufere o reflecție internă totală, în schimb a pătruns prin gol.
Tunelul este clar contraincetiv. Fizicianul Georgy Gamov a fost primul care a dezvăluit acest fenomen în mecanica cuantică. În 1928, cu ajutorul său, el a explicat cum anumiți izotopi radioactivi pot emite particule alfa. El a arătat că particulele alfa din interiorul miezului nu au suficientă energie pentru a se desprinde de un miez greu, la fel cum o minge de tun nu poate atinge viteza de evadare și se poate despărți de câmpul gravitațional al Pământului. El a fost capabil să arate că, datorită naturii sale de undă, o particulă alfa poate încă să pătrundă bariera și să părăsească nucleul.
Contrar credinței populare, însă, tunelarea nu este doar un efect pur cuantic; se observă și în cazul undelor clasice. O rază de soare care trece într-un nor în afara unei picături de apă poate, contrar așteptării intuitive, să o pătrundă prin efectul de tunelare și să contribuie astfel la crearea de glorie.
Lucrarea noastră inițială cu Wiskomb a fost preocupată de studiul împrăștierii luminii prin reflectarea completă a bilelor de argint. Am descoperit că undele parțiale ale unei raze care trece în afara sferei pot, dacă distanța până la suprafața picăturii nu este prea mare, să se tuneleze până la suprafața sa și să contribuie semnificativ la difracție.
În cazul sferelor transparente, cum ar fi picăturile de apă, după tunelarea la suprafața lor, lumina poate pătrunde în interior. Acolo lovește suprafața interioară a sferei într-un unghi suficient de mic pentru a suferi o reflectare internă totală și, prin urmare, rămâne prins în interiorul picăturii. Un fenomen similar este observat pentru undele sonore, de exemplu, în faimoasa galerie Whispering de sub arcadele St. Paul la Londra. O persoană care șoptește în fața unui perete poate fi auzită la distanță la peretele opus, deoarece sunetul suferă multiple reflexe din pereții rotunjiți.
În cazul luminii, însă, un val care a tunelat în picătură îl poate lăsa și din cauza tunelării. Pentru anumite lungimi de undă, după multiple reflexe interne, unda este amplificată prin interferențe constructive, formând așa-numita rezonanță Mie. Acest efect poate fi comparat cu balansarea unui leagăn datorită zdruncinăturilor, a căror frecvență coincide cu frecvența lor naturală. În legătură cu analogia acustică, aceste rezonanțe sunt denumite și efectul galeriei șoptite. Chiar și o ușoară modificare a lungimii de undă este suficientă pentru a rupe rezonanța; prin urmare, rezonanțele Mi sunt extrem de ascuțite și oferă o creștere semnificativă a intensității.
În rezumat, putem spune că trei efecte contribuie la fenomenul gloria: retrospectiva axială considerată de Ray în conformitate cu optica geometrică; valuri de margine, inclusiv valuri de suprafață van de Hulst; Rezonanțele Mie care decurg din tunel. În 1977, Vijay Khare, apoi la Universitatea din Rochester, am evaluat contribuția razelor de margine, inclusiv valurile van de Hulst. Rezonanțele au fost examinate de Luiz Gallisa Guimaraes de la Universitatea Federală din Rio de Janeiro în 1994. În 2002, am făcut o analiză detaliată a celor trei efecte care sunt cele mai importante. S-a dovedit că contribuția retroactivării axiale este neglijabilă, iar cel mai semnificativ este efectul rezonanțelor datorate tunelării off-edge. Concluzia inevitabilă care rezultă din aceasta este următoarea:gloria este un efect macroscopic al tunelului ușor.
Gloria și clima
Pe lângă faptul că oferă o satisfacție intelectuală pură asupra problemei gloriei, efectul de tunel al luminii are și aplicații practice. Efectul galeriei șoptite a fost utilizat pentru a crea lasere bazate pe picături de apă microscopice, microsfere dure și discuri microscopice. Tunelul ușor a fost utilizat recent în ecranele cu ecran tactil. Un deget care se apropie de ecran acționează ca un obiectiv newtonian, permițând luminii să se tuneleze în interiorul ecranului, să se împrăștie în direcția opusă și să genereze un semnal. Unda de lumină neomogenă generată de tunelare este utilizată într-o tehnologie atât de importantă precum microscopia aproape de margine, care poate fi folosită pentru a rezolva detalii mai mici decât lungimea de undă a luminii, încălcând astfel așa-numita limită de difracție.care în microscopie convențională pentru obiecte de această dimensiune dă o imagine încețoșată.
Înțelegerea împrăștierii luminii în picăturile de apă este deosebit de importantă pentru a evalua rolul norilor în schimbările climatice. Apa este foarte transparentă în regiunea vizibilă a spectrului, cu toate acestea, la fel ca dioxidul de carbon și alte gaze cu efect de seră, absoarbe radiații infraroșii în unele benzi. Deoarece rezonanțele Mie sunt de obicei asociate cu un număr foarte mare de evenimente de reflecție internă, o picătură mică poate absorbi o fracțiune semnificativă a radiațiilor, mai ales dacă apa conține impurități. Se pune întrebarea: va acoperi norul, pe măsură ce densitatea medie se schimbă, va menține Pământul rece, reflectând cea mai mare parte a luminii solare în spațiu sau va contribui la încălzirea sa, acționând ca o pătură suplimentară care captează radiațiile infraroșii?
Până acum aproximativ zece ani, modelarea împrăștierii luminii pe nori a fost efectuată prin calcularea rezonanțelor Mie pentru un set relativ mic de dimensiuni de picături care erau considerate reprezentative pentru nori tipici. Acest lucru a redus timpul de numărare pe supercomputer, dar a reprezentat o capcană neașteptată. Așa cum am arătat în 2003, folosind metodele proprii pentru analiza curcubeului și gloriei, metodele de modelare standard ar putea duce la erori de până la 30% pentru unele benzi spectrale înguste. Astfel, atunci când se calculează împrăștierea din picături cu dimensiuni preselectate, este ușor de ratat o contribuție importantă din multe rezonanțe înguste asociate cu picăturile de mărimi intermediare. De exemplu, dacă calculul a fost efectuat pentru picături cu un diametru de unu, doi, trei etc. micron, o rezonanță foarte restrânsă la 2,4 microni a fost trecută. Predicția mea a fost confirmată în 2006. În studiile care au luat în considerare distribuția reală a dimensiunilor picăturilor în atmosferă, în ultimii ani modelele au fost îmbunătățite, luând în considerare picăturile, ale căror dimensiuni au fost defalcate în intervale mult mai mici.
După cum a prezis Wigner, rezultatele obținute chiar și cu un supercomputer perfect, dacă nu sunt iluminate de gândirea fizică, nu sunt credibile. Există ceva de gândit, mai ales dacă data viitoare scaunul dvs. în avion este lângă fereastră.
