Wyjaśnienie jednego z najpiękniejszych zjawisk w meteorologii wymaga bardzo wyrafinowanego podejścia. Badanie tego pomaga również zrozumieć rolę chmur w zmianach klimatu.
Jeśli lecisz lotem dziennym, zajmij miejsce przy oknie. A wtedy możesz zobaczyć cień samolotu na chmurach. Ale musisz wziąć pod uwagę kierunek lotu względem słońca. Jeśli dopisze Ci szczęście, zostaniesz nagrodzony i będziesz mógł obserwować malowniczy widok - wielobarwną aureolę graniczącą z cieniem samolotu. Nazywa się „gloria”. Jego pochodzenie wynika z bardziej złożonego efektu niż pojawienie się tęczy. Zjawisko to będzie najbardziej imponujące, gdy chmury będą blisko, bo wtedy sięga po sam horyzont.
Jeśli jesteś alpinistą, będziesz mógł obserwować glorię wkrótce po wschodzie słońca wokół cienia rzucanego przez twoją głowę na najbliższą chmurę. Przedstawiamy tutaj pierwszą relację z obserwacji tego zjawiska przez członków francuskiej wyprawy na szczyt góry Pambamarca na terytorium dzisiejszego Ekwadoru, opublikowaną dziesięć lat po jej wejściu, w 1748 r. „Otulająca nas chmura zaczęła się rozpraszać, a przebijały ją promienie wschodzącego słońca. I wtedy każdy z nas zobaczył nasz cień rzucony na chmurę. To, co było dla nas najbardziej niezwykłe, to pojawienie się aureoli, czyli glorii, składającej się z trzech lub czterech małych koncentrycznych okręgów w jaskrawych kolorach wokół głowy. Najbardziej zaskakujące było to, że z sześciu lub siedmiu członków grupy każdy obserwował to zjawisko tylko w cieniu własnej głowy. Nigdy nie widziałem czegoś takiego w cieniu moich towarzyszy."
Wielu badaczy uważało, że aureole na wizerunkach bóstw i cesarzy w ikonografii wschodniej i zachodniej reprezentują artystyczne utrwalenie fenomenu glorii. (Alegoryczne potwierdzenie tego założenia znajdujemy w słynnym wierszu Samuela Taylora Coleridge'a „Wierność ideałowi obrazu”). Pod koniec XIX wieku. Szkocki fizyk Charles Thomson Rees Wilson wynalazł kamerę „chmurową” (w terminologii rosyjskiej - komora Wilsona) i podjął próbę odtworzenia tego zjawiska w laboratorium.
Nie udało mu się, ale szybko zdał sobie sprawę, że kamera może służyć do rejestracji cząstek, w wyniku czego otrzymał Nagrodę Nobla. Cień obserwatora lub samolotu nie odgrywa żadnej roli w tworzeniu chwały. Łączy je tylko to, że cień ustala kierunek dokładnie odwrotny do kierunku Słońca. Oznacza to, że gloria jest efektem rozpraszania wstecznego, który odbija światło słoneczne o prawie 180 °. Można by pomyśleć, że tak dobrze znany efekt, należący do tak czcigodnej dziedziny fizyki, jak optyka, niewątpliwie powinien był zostać wyjaśniony dawno temu. Niemniej jednak wyjaśnienie tego, według autorów raportu z 1748 r., „Efekt tak stary jak świat”, przez wieki stanowiło dla naukowców poważne wyzwanie. Nawet tęcza jest zjawiskiem bardziej złożonym niż sposób, w jaki opisują ją podręczniki fizyki elementarnej. Co więcej, mechanizm tworzenia glorii jest jeszcze bardziej skomplikowany.
Zasadniczo zarówno gloria, jak i tęcza są wyjaśniane za pomocą standardowej optyki teoretycznej, która istniała już na początku XX wieku. Pozwoliło to niemieckiemu fizykowi Gustavowi Mie uzyskać dokładne matematyczne rozwiązanie procesu rozpraszania światła przez kroplę wody. Jednak diabeł tkwi w szczegółach. Metoda Mie polega na dodaniu terminów, tak zwanych fal cząstkowych. Do podsumowania potrzebna jest nieskończona liczba takich terminów i chociaż skończona ich liczba jest praktycznie znacząca, metoda Mee'ego wymaga obliczenia setek i tysięcy bardzo złożonych wyrażeń.
Jeśli wprowadzisz je do komputera, to da prawidłowy wynik, jednak nie da się zrozumieć, które procesy fizyczne są odpowiedzialne za zaobserwowane efekty. Rozwiązanie Matematyczna „czarna skrzynka” typowa dla Mi: wprowadź do niej początkowe dane, a da wynik. Warto tu przypomnieć uwagę laureata Nagrody Nobla Eugene Paula Wignera: „To świetnie, że komputer zrozumiał problem. Ale chciałbym też ją zrozumieć”. Ślepa wiara w mielenie liczb brutalną siłą może prowadzić do błędnych wniosków, co zostanie pokazane poniżej.
W 1965 roku zacząłem opracowywać program badawczy, który między innymi doprowadziłby do pełnego fizycznego wyjaśnienia glorii. I ten cel, na drodze, w której pomogło mi kilku współpracowników, został osiągnięty w 2003 roku. Rozwiązanie polegało na uwzględnieniu tunelowania fal, jednego z najbardziej tajemniczych efektów fizycznych, jakie Izaak Newton po raz pierwszy zaobserwował w 1675 roku. jeden z typów nowoczesnych ekranów dotykowych stosowanych w komputerach i telefonach komórkowych. Ważne jest również, aby wziąć to pod uwagę przy rozwiązywaniu najtrudniejszego i najważniejszego problemu, jak aerozole atmosferyczne, do których należą chmury, a także cząsteczki kurzu i sadzy, wpływają na zmiany klimatyczne.
Film promocyjny:
Fale i cząsteczki
Przez kilka stuleci naukowcy podawali różne wyjaśnienia glorii, ale wszystkie okazały się błędne. Na początku XIX wieku. Niemiecki fizyk Josef von Fraunhofer zasugerował, że światło słoneczne rozprasza się, tj. odbity z powrotem, przez krople w głębi chmury, ugina się na kroplach w jej powierzchniowej warstwie. Dyfrakcja to zjawisko związane z falową naturą światła i pozwalające mu „patrzeć za róg”, tak jak fale morskie omijają przeszkodę i rozprzestrzeniają się dalej, tak jakby w ogóle jej nie było.
Pomysł Fraunhofera polegał na tym, że to podwójnie rozproszone światło tworzy kolorowe pierścienie dyfrakcyjne, przypominające koronę, na chmurach otaczających księżyc. Jednak w 1923 roku indyjski fizyk Bidhu Bhusan Ray zaprzeczył sugestii Fraunhofera. W wyniku eksperymentów ze sztucznymi chmurami Ray wykazał, że rozkład jasności i kolorów w glorii i koronie jest inny, a pierwsza zachodzi bezpośrednio w zewnętrznych warstwach chmury w wyniku jednorazowego rozproszenia wstecznego przez kropelki wody.
Ray próbował wyjaśnić to rozpraszanie wsteczne za pomocą optyki geometrycznej, historycznie związanej z korpuskularną teorią światła, zgodnie z którą światło porusza się w prostych wiązkach, a nie w falach. Kiedy styka się z granicą między różnymi mediami, takimi jak woda i powietrze, światło jest częściowo odbijane i częściowo przenika do innego ośrodka z powodu załamania (załamanie powoduje, że ołówek do połowy zanurzony w wodzie wydaje się pęknięty) Światło, które wniknęło w kroplę wody, zanim ją opuściło, odbija się raz lub więcej razy na jej przeciwległej powierzchni wewnętrznej. Ray obserwował wiązkę, która rozchodziła się wzdłuż osi kropli i odbijała z powrotem w kierunku punktu wejścia. Jednak nawet przy wielu aktach odbić w przód iw tył efekt był zbyt słaby, aby wyjaśnić gloria.
Zatem teoria efektu gloria powinna wykraczać poza granice optyki geometrycznej i uwzględniać falową naturę światła, aw szczególności taki efekt falowy, jak dyfrakcja. W przeciwieństwie do załamania, dyfrakcja wzrasta wraz ze wzrostem długości fali światła. Fakt, że gloria jest efektem dyfrakcyjnym, wynika z faktu, że jej wewnętrzna krawędź jest niebieska, a zewnętrzna czerwona, zgodnie z krótszymi i dłuższymi długościami fal.
Matematyczna teoria dyfrakcji przez kulę taką jak kropla wody, zwana rozpraszaniem Mie, polega na obliczaniu nieskończonych sum składników, tak zwanych fal cząstkowych. Każda fala częściowa jest złożoną funkcją wielkości kropli, współczynnika załamania światła i parametru zderzenia, tj. odległość od promienia do środka kropli. Bez szybkiego komputera obliczenia rozpraszania Mie z kropelek o różnych rozmiarach są niezwykle złożone. Dopiero w latach 90. XX wieku, kiedy pojawiły się wystarczająco szybkie komputery, uzyskano wiarygodne wyniki dla kropel w zakresie rozmiarów charakterystycznych dla chmur. Jednak naukowcy potrzebują innych sposobów badania, aby zrozumieć, jak to się właściwie dzieje.
Hendrik C. Van de Hulst, pionier nowoczesnej radioastronomii, w połowie XX wieku. wniósł pierwszy znaczący wkład w zrozumienie fizyki glorii. Wskazał, że promień światła wnikający w kroplę bardzo blisko jej krawędzi, wewnątrz kropli, przechodzi po trajektorii w kształcie litery Y, odbija się od jej wewnętrznej powierzchni i powraca prawie w tym samym kierunku, w jakim przyszedł. Ponieważ kropla jest symetryczna, spośród całej wiązki równoległych promieni słonecznych, korzystny parametr zderzenia zostanie zrealizowany dla całej ich cylindrycznej wiązki padającej na kroplę w tej samej odległości od jej środka. W ten sposób uzyskuje się efekt skupienia, który zwielokrotnia rozproszenie wsteczne.
Wyjaśnienie brzmi przekonująco, ale jest jeden haczyk. W drodze od wniknięcia do kropli, aby z niej wyjść, wiązka jest odchylana z powodu załamania (załamania). Jednak współczynnik załamania światła wody nie jest wystarczająco duży, aby wiązka rozproszyła się dokładnie do tyłu w wyniku pojedynczego wewnętrznego odbicia. Jedyne, co może zrobić kropla wody, to odbijać wiązkę w kierunku około 14 ° od oryginału.
W 1957 roku van de Hulst zasugerował, że odchylenie to można przezwyciężyć dodatkowymi ścieżkami, po których przechodzi światło w postaci fali wzdłuż powierzchni kropli. Takie fale powierzchniowe, przywiązane do interfejsu między dwoma mediami, pojawiają się w wielu sytuacjach. Chodzi o to, że promień padający stycznie na kroplę przechodzi przez pewną odległość wzdłuż jej powierzchni, wnika w kroplę i uderza w jej wewnętrzną tylną powierzchnię. Tutaj ponownie ślizga się po wewnętrznej powierzchni i odbija się z powrotem w kropli. A na ostatnim odcinku ścieżki wzdłuż powierzchni promień odbija się od niej i opuszcza kroplę. Istotą tego efektu jest to, że wiązka jest rozpraszana z powrotem w tym samym kierunku, w którym przyszła.
Potencjalną słabością tego wyjaśnienia było to, że energia fal powierzchniowych jest wydawana na ścieżkę styczną. Van de Hulst zasugerował, że tłumienie to jest więcej niż kompensowane przez ogniskowanie osiowe. W czasie, gdy formułował to przypuszczenie, nie było metod ilościowego określenia udziału fal powierzchniowych.
Niemniej jednak wszystkie informacje dotyczące fizycznych przyczyn glorii, w tym roli fal powierzchniowych, musiały zostać wyraźnie włączone do serii częściowych fal Mie.
Rozum pokonuje komputer
Możliwym rozwiązaniem zagadki gloria nie są tylko fale powierzchniowe. W 1987 roku Warren Wiscombe z Centrum Lotów Kosmicznych. Goddard z NASA (Greenbelt, Maryland) i ja zaproponowaliśmy nowe podejście do dyfrakcji, w którym promienie światła przechodzące poza sferę mogą mieć znaczący wkład. Na pierwszy rzut oka wydaje się to absurdalne. Jak kropla może wpłynąć na promień światła, który przez nią nie przechodzi? Fale, aw szczególności fale świetlne, mają niezwykłą zdolność „tunelowania” lub przenikania przez barierę. Na przykład energia świetlna w pewnych okolicznościach może przedostać się na zewnątrz, kiedy można by pomyśleć, że światło powinno pozostać w danym środowisku.
Zwykle światło rozchodzące się w ośrodku, takim jak szkło lub woda, zostanie całkowicie odbite od interfejsu z ośrodkiem o niższym współczynniku załamania, takim jak powietrze, jeśli wiązka uderzy w tę powierzchnię pod dostatecznie małym kątem. Na przykład, ten efekt całkowitego wewnętrznego odbicia zatrzymuje sygnał wewnątrz światłowodu. Nawet jeśli światło jest całkowicie odbite, pola elektryczne i magnetyczne, które tworzą falę świetlną, nie znikają natychmiast poza interfejsem. W rzeczywistości pola te przenikają granicę na niewielką odległość (rzędu długości fali świetlnej) w postaci tak zwanej „fali niejednorodnej”. Taka fala nie przenosi energii poza interfejs, ale tworzy na swojej powierzchni oscylujące pole, podobne do struny gitary.
To, co właśnie opisałem, nie zawiera jeszcze efektu tunelowania. Jeśli jednak trzecie medium zostanie umieszczone w odległości od granicy mniejszej niż długość fali niejednorodnej, wówczas światło wznowi propagację do tego ośrodka, pompując tam energię. W rezultacie wewnętrzne odbicie w pierwszym ośrodku słabnie, a światło przenika (tunele) przez ośrodek pośredni, który służył jako bariera.
Znaczące tunelowanie występuje tylko wtedy, gdy przerwa między dwoma mediami nie przekracza znacząco jednej długości fali, tj. nie więcej niż pół mikrona w przypadku światła widzialnego. Newton obserwował to zjawisko już w 1675 roku. Zbadał wzór interferencji, obecnie znany jako pierścienie Newtona, który występuje, gdy soczewka płasko-wypukła jest nakładana na płaską szklaną płytkę. Pierścienie musiałyby być obserwowane tylko wtedy, gdy światło przechodziło bezpośrednio z soczewki do płytki. Newton stwierdził, że nawet gdy bardzo mała odległość oddziela powierzchnię soczewki od płytki, tj. dwie powierzchnie nie stykały się ze sobą, część światła, które powinno zostać poddane całkowitemu wewnętrznemu odbiciu, zamiast tego przeniknęło przez szczelinę.
Tunelowanie jest oczywiście sprzeczne z intuicją. Fizyk Georgy Gamov jako pierwszy ujawnił to zjawisko w mechanice kwantowej. W 1928 r. Z jego pomocą wyjaśnił, w jaki sposób pewne izotopy promieniotwórcze mogą emitować cząstki alfa. Pokazał, że cząsteczki alfa wewnątrz rdzenia nie mają wystarczającej energii, aby oderwać się od ciężkiego jądra, tak jak kula armatnia nie może osiągnąć prędkości ucieczki i oderwać się od pola grawitacyjnego Ziemi. Udało mu się wykazać, że ze względu na swoją falową naturę cząstka alfa może nadal przenikać przez barierę i opuszczać jądro.
Jednak wbrew powszechnemu przekonaniu tunelowanie to nie tylko efekt czysto kwantowy; jest to również obserwowane w przypadku fal klasycznych. Promień słońca przechodzący w chmurze poza kroplą wody może wbrew intuicyjnym oczekiwaniom przeniknąć ją przez efekt tunelowania i tym samym przyczynić się do powstania chwały.
Nasza początkowa praca z Wiskomb dotyczyła badania rozpraszania światła przez pełne odbijanie srebrnych kulek. Okazało się, że fale cząstkowe promienia przechodzącego na zewnątrz kuli mogą, jeśli odległość od powierzchni kropli nie jest zbyt duża, tunelować do jej powierzchni i mieć istotny udział w dyfrakcji.
W przypadku przezroczystych kul, takich jak kropelki wody, po tunelowaniu na ich powierzchnię światło może przenikać do wewnątrz. Tam uderza w wewnętrzną powierzchnię kuli pod kątem dostatecznie małym, aby ulec całkowitemu odbiciu wewnętrznemu, a zatem pozostaje uwięziony wewnątrz kropli. Podobne zjawisko obserwuje się dla fal dźwiękowych, na przykład w słynnej Galerii Szeptów pod łukami kościoła św. Paul w Londynie. W oddali przy przeciwległej ścianie słychać szept osoby stojącej twarzą do jednej ze ścian, ponieważ dźwięk ulega wielokrotnym odbiciom od zaokrąglonych ścian.
Jednak w przypadku światła fala, która tunelowała w kropelkę, może ją również opuścić z powodu tunelowania. Dla pewnych długości fal, po wielu odbiciach wewnętrznych, fala jest wzmacniana przez konstruktywną interferencję, tworząc tak zwany rezonans Mie. Efekt ten można porównać do kołysania się kołysania spowodowanego wstrząsami, których częstotliwość pokrywa się z ich częstotliwością naturalną. W związku z analogią akustyczną rezonanse te nazywane są również efektem galerii szeptu. Nawet niewielka zmiana długości fali wystarczy, aby przerwać rezonans; dlatego rezonanse Mi są niezwykle ostre i zapewniają znaczny wzrost intensywności.
Podsumowując, możemy powiedzieć, że do zjawiska gloria przyczyniają się trzy efekty: osiowe rozpraszanie wsteczne rozważane przez Raya zgodnie z optyką geometryczną; fale brzegowe, w tym fale powierzchniowe van de Hulsta; Rezonanse Mie powstałe w wyniku tunelowania. W 1977 roku Vijay Khare, wówczas na Uniwersytecie w Rochester, i ja oceniliśmy udział promieni krawędziowych, w tym fal van de Hulsta. Rezonanse zostały przeanalizowane przez Luiza Gallisa Guimaraes z Uniwersytetu Federalnego w Rio de Janeiro w 1994 roku. W 2002 roku dokonałem szczegółowej analizy, który z trzech efektów jest najważniejszy. Okazało się, że udział osiowego rozpraszania wstecznego jest pomijalny, a najbardziej znaczący jest efekt rezonansów spowodowanych tunelowaniem poza krawędzią. Nieunikniony wniosek, jaki z tego wynika, jest następujący:gloria to makroskopowy efekt tunelowania światła.
Gloria i klimat
Oprócz zapewnienia czystej intelektualnej satysfakcji z problemu glorii, efekt tunelowania światła ma również praktyczne zastosowania. Efekt szepczącej galerii został wykorzystany do stworzenia laserów opartych na mikroskopijnych kropelkach wody, twardych mikrosferach i mikroskopijnych dyskach. W wyświetlaczach z ekranem dotykowym ostatnio zastosowano lekkie tunelowanie. Palec zbliżający się do ekranu działa jak soczewka Newtona, pozwalając światłu na tunelowanie wewnątrz ekranu, rozpraszanie w przeciwnym kierunku i generowanie sygnału. Niejednorodna fala świetlna generowana przez tunelowanie jest wykorzystywana w tak ważnej technologii, jak mikroskopia bliskiego zasięgu, która może posłużyć do rozdzielenia detali mniejszych niż długość fali światła, a tym samym przełamanie tzw. Granicy dyfrakcji.co w konwencjonalnej mikroskopii dla obiektów tej wielkości daje nieostry obraz.
Zrozumienie rozpraszania światła w kropelkach wody jest szczególnie ważne dla oceny roli chmur w zmianach klimatu. Woda jest bardzo przezroczysta w widzialnym obszarze widma, jednak podobnie jak dwutlenek węgla i inne gazy cieplarniane absorbuje promieniowanie podczerwone w niektórych pasmach. Ponieważ rezonanse Mie są zwykle związane z bardzo dużą liczbą wewnętrznych odbić, mała kropelka może pochłonąć znaczną część promieniowania, zwłaszcza jeśli woda zawiera zanieczyszczenia. Powstaje pytanie: czy zachmurzenie, wraz ze zmianą średniej gęstości, utrzyma Ziemię w chłodzie, odbijając większość światła słonecznego w kosmos, czy też przyczyni się do jego ogrzewania, działając jako dodatkowy koc zatrzymujący promieniowanie podczerwone?
Jeszcze około dziesięciu lat temu modelowanie rozpraszania światła przez chmury prowadzono, obliczając rezonanse Mie dla stosunkowo niewielkiego zestawu rozmiarów kropel, które uznawano za reprezentatywne dla typowych chmur. Skróciło to czas liczenia na superkomputerze, ale stanowiło nieoczekiwaną pułapkę. Jak pokazałem w 2003 roku, używając własnych metod analizy tęczy i glorii, standardowe metody modelowania mogą prowadzić do błędów do 30% dla niektórych wąskich pasm widmowych. Tak więc przy obliczaniu rozpraszania z kropelek o wstępnie wybranych rozmiarach łatwo przeoczyć ważny udział wielu wąskich rezonansów związanych z kroplami o średnich rozmiarach. Na przykład, jeśli obliczenia wykonano dla kropelek o średnicy jednej, dwóch, trzech itd. mikrona, przepuszczono bardzo wąski rezonans przy 2,4 mikrona. Moje przewidywania potwierdziły się w 2006 roku. W badaniach, w których uwzględniono rzeczywisty rozkład wielkości kropel w atmosferze, w ostatnich latach modele zostały ulepszone poprzez uwzględnienie kropelek, których rozmiary zostały rozbite na znacznie mniejsze przedziały.
Jak przewidział Wigner, wyniki uzyskane nawet z doskonałym superkomputerem, jeśli nie są oświetlone fizycznymi myślami, nie są wiarygodne. Jest o czym pomyśleć, zwłaszcza jeśli następnym razem w samolocie będziesz siedzieć przy oknie.