Objašnjenje jedne od najljepših pojava u meteorologiji zahtijeva vrlo sofisticiran pristup. Njegovo proučavanje također pomaže razumjeti ulogu oblaka u klimatskim promjenama.
Ako ste na dnevnom letu, sjednite na prozoru. A onda ćete možda moći vidjeti sjenu aviona na oblacima. Ali morate uzeti u obzir smjer leta u odnosu na sunce. Ako budete imali sreće, bit ćete nagrađeni i moći ćete promatrati slikoviti prizor - višebojni oreol, koji graniči s sjenom aviona. Zove se "gloria". Njegovo podrijetlo je zbog složenijeg učinka od pojave duge. Ovaj će fenomen biti najimpresivniji ako su oblaci blizu, jer se od tada širi do samog horizonta.
Ako ste planinar, gloriju možete promatrati ubrzo nakon izlaska sunca oko sjene koju je glava bacila na najbliži oblak. Ovdje predstavljamo prvo izvješće o opažanju takvog fenomena od strane pripadnika francuske ekspedicije na vrh planine Pambamarca na teritoriju današnjeg Ekvadora, objavljeno deset godina nakon uspona 1748. "Oblak koji nas je pokrivao počeo je raspadati, a zrake sunca izlazećeg sunca su ga prodirale. A onda je svatko od nas vidio kako se naša sjena baca na oblak. Ono što smo otkrili najistaknutijim je pojava hale ili glorije koja se sastojala od tri ili četiri mala koncentrična, jarko obojena kruga oko glave. Najčudnije je bilo to što je od šest ili sedam članova grupe svaki od njih ovaj fenomen promatrao samo u sjeni iz vlastite glave,Nikad nisam vidio ništa slično oko sjenki svojih drugova."
Mnogi su istraživači vjerovali da haloi na slikama božanstava i careva u istočnoj i zapadnoj ikonografiji predstavljaju umjetničku fiksaciju fenomena glorije. (Alegorijsku potvrdu ove pretpostavke nalazimo u poznatoj pjesmi Samuela Taylora Coleridgea "Vjernost idealnoj slici"). Krajem XIX stoljeća. Škotski fizičar Charles Thomson Rees Wilson izumio je "oblačnu" kameru (u ruskoj terminologiji - Wilsonova komora) i pokušao je taj fenomen reproducirati u laboratoriju.
Nije uspio, ali brzo je shvatio da se kamera može koristiti za registraciju čestica, pa je kao rezultat toga dobio Nobelovu nagradu. Sjena promatrača ili aviona ne igra nikakvu ulogu u stvaranju glorije. Jedino što ih povezuje je da sjena fiksira smjer točno suprotan smjeru Sunca. To znači da je gloria efekt povratnog zračenja koji odbija sunčevu svjetlost za gotovo 180 °. Mogli biste pomisliti da bi tako dobro poznat učinak, koji pripada tako časnom polju fizike kao što je optika, nesumnjivo trebao objasniti već odavno. Unatoč tome, objašnjavanje toga, prema autorima izvješća iz 1748., „učinak star koliko i svijet“stoljećima je predstavljao ozbiljan izazov za znanstvenike. Čak je i duga duga složeniji fenomen od onoga kako je opisuju osnovni udžbenici fizike. Štoviše, mehanizam formiranja glorije još je složeniji.
U principu, i glorija i duga su objašnjeni standardnom teorijskom optikom koja je postojala do početka 20. stoljeća. To je omogućilo njemačkom fizičaru Gustavu Mieu da dobije precizno matematičko rješenje za proces raspršivanja svjetlosti kapanjem vode. Međutim, vrag je u detaljima. Mie metoda uključuje dodavanje pojmova, takozvane djelomične valove. Neograničen broj takvih izraza potreban je da se zbroji, a iako je konačan broj njih praktično značajan, Meeova metoda zahtijeva proračun stotina i tisuća vrlo složenih izraza.
Ako ih unesete u računalo, tada će se dobiti točan rezultat, međutim, nemoguće je razumjeti koji su fizički procesi odgovorni za promatrane učinke. Rješenje Mi-tipična matematička "crna kutija": u nju unesite početne podatke, i ona će dati rezultat. Ovdje je primjereno podsjetiti se primjedbe nobelovca Eugenea Paul Wignera: „Super je što je računalo razumjelo problem. Ali volio bih je i razumjeti. " Slijepa vjera u mljevenje brojeva grubom silom može dovesti do pogrešnih zaključaka, kao što će biti prikazano u nastavku.
1965. godine započeo sam s razvojem istraživačkog programa koji bi, između ostalog, doveo do potpunog fizičkog objašnjenja glorije. I taj cilj, na putu na kojem su mi pomogli nekoliko suradnika, postignut je 2003. Rješenje se temeljilo na uzimanju u obzir tunela valova, jednog od najmisterioznijih fizičkih učinaka koji je Isaac Newton prvi put primijetio 1675.. jedna od vrsta modernih zaslona osjetljivih na dodir koji se koriste u računalima i mobitelima. Važno ga je uzeti u obzir i za rješavanje najtežeg i najvažnijeg problema, kako atmosferski aerosoli, koji uključuju oblake, kao i čestice prašine i čađe, utječu na klimatske promjene.
Promotivni video:
Valovi i čestice
Već nekoliko stoljeća, znanstvenici su nudili različita objašnjenja za gloriju, ali sve se pokazalo netočnim. Početkom XIX stoljeća. Njemački fizičar Josef von Fraunhofer sugerirao je da se sunčeva svjetlost raspršila, tj. odbojna leđa, kapljicama u dubini oblaka, difriraju na kapljice u njenom površinskom sloju. Difrakcija je fenomen povezan s valnom prirodom svjetlosti i omogućuje joj da "gleda iza ugla", baš kao što morski valovi obilaze prepreku i šire se dalje, kao da uopće ne postoje.
Fraunhoferova ideja bila je da ta dvostruko raspršena svjetlost oblikuje obojene difrakcijske prstenove nalik na koronu na oblacima koji okružuju mjesec. Međutim, 1923. indijski fizičar Bidhu Bhusan Ray negirao je Fraunhoferovu sugestiju. Kao rezultat pokusa sa umjetnim oblacima, Ray je pokazao da su raspodjele svjetline i boja u gloriji i u koroni različite, a da se prvi događa izravno u vanjskim slojevima oblaka kao rezultat jednog čina povratnog raspršivanja kapljicama vode.
Ray je pokušao objasniti to povratno raspršivanje u smislu geometrijske optike, povijesno povezane s korpuskularnom teorijom svjetlosti, prema kojoj svjetlost putuje ravno zrakom, a ne kao val. Kad se susretne s sučeljem između različitih medija, poput vode i zraka, svjetlost se djelomično reflektira, a djelomično prodire u drugi medij zbog refrakcije (refrakcija je ono što čini da se olovka, napola potopljena u vodu, čini slomljenom). Svjetlost koja je prodrla u kap vode prije nego što je napusti, odražava se jedan ili više puta na njenoj suprotnoj unutarnjoj površini. Ray je promatrao gredu kako se širi duž osi kapaljke i odbio se prema natrag na njezinu ulaznu točku. Međutim, čak i uz višestruka odraza pomicanja unazad i nazad, učinak je bio preslab da bi objasnio gloriju.
Stoga bi teorija o efektu glorije trebala prijeći granice geometrijske optike i uzeti u obzir valnu prirodu svjetlosti, a posebno takav valni efekt kao difrakcija. Za razliku od loma, difrakcija se povećava s povećavanjem valne duljine svjetlosti. Činjenica da je gloria difraktivni učinak proizlazi iz činjenice da je njezin unutarnji obruč plave boje, a vanjski crveni, u skladu s kraćim i dužim valnim duljinama.
Matematička teorija difrakcije u sferi kao što je kap vode, poznata kao rasipanje Mie, uključuje izračun beskonačnih zbroja pojmova, takozvanih djelomičnih valova. Svaki parcijalni val složeno je funkcioniranje veličine kapljica, indeksa loma i parametra sudara, tj. udaljenost od zrake do središta kapi. Bez računala velike brzine, proračuni Mie raspršivanja kapljica različitih veličina nevjerojatno su složeni. Tek devedesetih godina prošlog stoljeća, kada su se pojavila dovoljno brza računala, dobiveni su pouzdani rezultati za kapljice u rasponu veličina karakterističnih za oblake. No, istraživačima su potrebni drugi načini istraživanja kako bi razumjeli kako se to zapravo događa.
Hendrik C. Van de Hulst, pionir moderne radio astronomije, sredinom 20. stoljeća. dao prvi značajan doprinos razumijevanju fizike glorije. Istaknuo je da se svjetlosna zraka koja prodire u kap vrlo blizu njenog ruba, unutar kapi prolazi duž putanje u obliku slova Y, reflektira od njegove unutarnje površine i vraća se natrag gotovo u istom smjeru kao što je i došla. Budući da je kap simetričan, među cijelom snopom paralelnih sunčevih zraka ostvarit će se povoljan parametar sudara za njihovu cjelokupnu cilindričnu gredu koja pada na kap u istoj udaljenosti od njegovog središta. Na taj se način postiže efekt fokusiranja, koji umnožava povratnu energiju.
Objašnjenje zvuči uvjerljivo, ali postoji jedan ulov. Na putu od prodora u kap do izlaza iz njega, snop se odbija zbog refrakcije (refrakcije). Međutim, indeks loma vode nije dovoljno velik da se snop može raspršiti točno unatrag jednim unutarnjim odrazom. Najviše što kap vode može učiniti je odbiti gredu u smjeru oko 14 ° od izvornika.
Godine 1957. van de Hulst sugerirao je da se ovo odstupanje može prevladati dodatnim stazama kojima je svjetlost prolazila u obliku vala duž površine kapljica. Takvi površinski valovi, vezani za sučelje dvaju medija, nastaju u mnogim situacijama. Ideja je da zraka koja padne tangencijalno na kap prelazi neko razmak duž njene površine, prodre u kap i udari u njegovu unutarnju stražnju površinu. Ovdje se ponovno klizi po unutarnjoj površini i odražava se natrag u kap. I na posljednjem segmentu staze duž površine, zraka se odbija od nje i izlazi iz kaplje. Suština učinka je da se snop rasipa natrag u istom smjeru u kojem je i došao.
Potencijalna slabost ovog objašnjenja bila je u tome što se energija površinskih valova troši na tangencijalni put. Van de Hulst je sugerirao da se ovo prigušenje više nego nadoknađuje aksijalnim fokusiranjem. U vrijeme kad je formulirao ovu pretpostavku, nije bilo metoda za kvantificiranje doprinosa površinskih valova.
Ipak, sve informacije o fizičkim uzrocima glorije, uključujući ulogu površinskih valova, morale su biti izričito uključene u niz djelomičnih Mie valova.
Razlog pobjeđuje računalo
Moguće rješenje zagonetke gloria nije samo u površinskim valovima. Godine 1987. Warren Wiscombe iz Centra za svemirske letove. Goddard iz NASA-e (Greenbelt, Maryland) i ja predložili smo novi pristup difrakciji u kojem svjetlosne zrake koje prolaze izvan sfere mogu dati značajan doprinos. To se na prvi pogled čini apsurdno. Kako kap može utjecati na zraku svjetlosti koja ne prolazi kroz nju? Valovi, a posebno lagani valovi, imaju neobičnu sposobnost "tunela" ili prodiranja kroz neku prepreku. Na primjer, svjetlosna energija može procuriti vani, kada bi čovjek vjerovao da svjetlost treba ostati unutar danog okoliša.
Tipično se svjetlost koja se širi u mediju kao što je čaša ili voda u potpunosti odraziti od sučelja sa medijem s nižim indeksom loma, poput zraka, ako snop pogodi ovu površinu pod dovoljno malim kutom. Na primjer, ovaj ukupni unutarnji odraz zadržava signal unutar optičkog vlakana. Čak i ako se svjetlost potpuno odražava, električna i magnetska polja koja tvore svjetlosni val ne nestaju odmah izvan sučelja. Zapravo, ta polja prodiru preko granice na kratkoj udaljenosti (redoslijeda valne duljine svjetlosnog vala) u obliku takozvanog "jednoličnog vala". Takav val ne nosi energiju izvan sučelja, već formira oscilirajuće polje na svojoj površini, slično gitarskoj žici.
Ono što sam upravo opisao još ne sadrži efekt tuneliranja. Međutim, ako se treći medij postavi na udaljenosti od granice manjoj od duljine nehomogenog vala, tada će svjetlost nastaviti svoje širenje u taj medij, pumpajući tamo energiju. Kao rezultat toga, unutarnja refleksija u prvom mediju slabi, a svjetlost prodire (u tunele) kroz međupredmetni medij, koji je služio kao prepreka.
Do značajnog tuneliranja dolazi samo ako jaz između dva medija ne prelazi značajno jednu valnu duljinu, tj. ne više od pola mikrona u slučaju vidljive svjetlosti. Newton je primijetio ovaj fenomen već 1675. Istražio je obrazac interferencije, danas poznat kao Newtonovi prstenovi, koji nastaju kada se na ravnu staklenu ploču nanese plano-konveksna leća. Prstenove bi trebalo primijetiti samo kada svjetlost prolazi izravno s leće u ploču. Newton je otkrio da je čak i kad je vrlo mala udaljenost odvojila površinu leće od ploče, tj. dvije površine nisu bile u dodiru jedna s drugom, dio svjetla koji je trebao proći kroz potpuno unutarnje refleksije, umjesto da prodre kroz jaz.
Tunelacija je očito kontratuktivna. Fizičar Georgy Gamov bio je prvi koji je otkrio ovaj fenomen u kvantnoj mehanici. 1928. uz njegovu pomoć objasnio je kako određeni radioaktivni izotopi mogu emitirati alfa čestice. Pokazao je da alfa čestice unutar jezgre nemaju dovoljno energije da se odvoje od teške jezgre, baš kao što topovska kugla ne može postići brzinu bijega i odvojiti se od Zemljinog gravitacijskog polja. Mogao je pokazati da zbog svoje valne prirode alfa čestica još uvijek može prodrijeti kroz barijeru i napustiti jezgru.
Suprotno uvriježenom mišljenju, tuneliranje nije samo čisto kvantni učinak; uočava se i kod klasičnih valova. Sunčeva zraka koja prolazi u oblaku izvan kapljice vode može, suprotno intuitivnom očekivanju, prodrijeti kroz efekt tuneliranja i tako pridonijeti stvaranju glorije.
Naš početni rad s Wiskombom odnosio se na proučavanje raspršivanja svjetlosti potpuno odražavajući srebrne kuglice. Otkrili smo da djelomični valovi zraka koji prolaze izvan sfere mogu, ako udaljenost do površine kapljica nije prevelika, tunelirati na njenu površinu i značajno pridonijeti difrakciji.
U slučaju prozirnih sfera, poput kapljica vode, svjetlost može prodirati prema unutra. Tamo udara unutarnju površinu sfere pod kutom koji je dovoljno mali da podvrgne potpunu unutarnju refleksiju i zato ostaje zarobljen unutar kapljice. Sličan fenomen primjećuje se i kod zvučnih valova, na primjer, u čuvenoj galeriji šaptača pod lukovima sv. Pavla u Londonu. Osoba koja šapuće okrenuta prema jednom zidu može se čuti u daljini na suprotnom zidu, jer zvuk je podvrgnut višestrukim refleksijama zaobljenih zidova.
Međutim, u slučaju svjetlosti, val koji se utapao u kapljicu također ga može napustiti zbog tuneliranja. Za određene valne duljine val se nakon višestrukih unutarnjih refleksija pojačava konstruktivnim interferencijama, tvoreći takozvanu Mie rezonancu. Ovaj se učinak može usporediti s naletom zamaha zbog udara, čija se učestalost podudara s njihovom prirodnom frekvencijom. U vezi s akustičkom analogijom, te se rezonancije nazivaju i šapatnim efektom galerije. Već je i mala promjena valne duljine dovoljna da razbije rezonancu; stoga su Mi rezonancije izrazito oštre i omogućuju značajno povećanje intenziteta.
Ukratko, možemo reći da tri efekta doprinose fenomenu glorije: aksijalno povratno raspršivanje koje Ray razmatra u skladu s geometrijskom optikom; rubni valovi, uključujući van de Hulst površinske valove; Mie rezoni koji proizlaze iz tuneliranja. 1977. godine Vijay Khare, tada na Sveučilištu u Rochesteru, i ja sam procijenio doprinos rubnih zraka, uključujući van de Hulst valove. Rezonancu je pregledao Luiz Gallisa Guimaraes sa Federalnog sveučilišta u Rio de Janeiru 1994. godine. 2002. godine obavio sam detaljnu analizu koja su od tri učinka najvažnija. Pokazalo se da je doprinos aksijalnog povratnog raspršivanja zanemariv, a najznačajniji je učinak rezonancija zbog nenadanog tuneliranja. Iz ovoga proizlazi neizbježni zaključak:gloria je makroskopski učinak lakog tuneliranja.
Glorija i klima
Osim što pruža čisto intelektualno zadovoljstvo problemom glorije, efekt tuneliranja svjetlosti ima i praktičnu primjenu. Učinak galerije šaputanja korišten je za stvaranje lasera na temelju mikroskopskih kapljica vode, tvrdih mikrosfera i mikroskopskih diskova. Lagano tuneliranje u posljednje vrijeme se koristi u zaslonima osjetljivim na dodir. Prst koji se približava zaslonu djeluje kao Newtonovo leće, omogućavajući svjetlu da se tuneli unutar zaslona, rasprši se u suprotnom smjeru i generira signal. Nehomogeni svjetlosni val generiran tuneliranjem koristi se u tako važnoj tehnologiji kao što je mikroskopija na rubu, koja se može koristiti za rješavanje detalja manjih od valne duljine svjetlosti, čime se probija takozvana difrakcijska granica.što u konvencionalnoj mikroskopiji za objekte ove veličine daje mutnu sliku.
Razumijevanje raspršivanja svjetlosti u kapljicama vode posebno je važno za procjenu uloge oblaka u klimatskim promjenama. Voda je visoko vidljiva u vidljivom području spektra, međutim, poput ugljičnog dioksida i drugih stakleničkih plinova, apsorbira infracrveno zračenje u nekim opsezima. Budući da su Mie rezonancije obično povezane s vrlo velikim brojem unutarnjih refleksija, mala kapljica može apsorbirati značajan dio zračenja, posebno ako voda sadrži nečistoće. Postavlja se pitanje: hoće li oblačni pokrivač, kako se mijenja prosječna gustoća, držati Zemlju hladnom, odražavajući većinu sunčeve svjetlosti u svemir, ili će doprinijeti njezinu grijanju, djelujući kao dodatna pokrivačica koja hvata infracrveno zračenje?
Do prije desetak godina modeliranje rasipanja svjetlosti oblacima obavljalo se izračunavanjem Mie rezonancije za relativno mali skup veličina kapljica koje su se smatrale reprezentativnim za tipične oblake. To je smanjilo vrijeme brojanja superračunala, ali postavilo je neočekivanu zamku. Kao što sam pokazao 2003. godine, koristeći vlastite metode za analizu duge i glorije, standardne metode modeliranja mogu dovesti do pogreške do 30% za neke uske spektralne pojaseve. Stoga je prilikom izračunavanja rasipanja iz kapljica s unaprijed odabranim veličinama lako propustiti važan doprinos mnogih uskih rezonancija povezanih s kapljicama srednje veličine. Na primjer, ako je proračun izvršen za kapljice promjera jedan, dva, tri, itd. mikrona, propuštena je vrlo uska rezonanca na 2,4 mikrona. Moje predviđanje potvrđeno je 2006. godine. U istraživanjima koja su uzela u obzir stvarnu raspodjelu veličina kapljica u atmosferi, posljednjih godina modeli su poboljšani razmatranjem kapljica, čije su veličine raščlanjene u mnogo manje razmake.
Kao što je predvidio Wigner, rezultati dobiveni čak i sa savršenim superračunalom, ako nisu rasvijetljeni fizičkom mišlju, nisu vjerodostojni. Treba razmisliti, pogotovo ako će vam sljedeći put u avionu biti kraj prozora.