Paaiškinti vieną gražiausių meteorologijos reiškinių reikalauja labai ramaus požiūrio. Jo studijavimas taip pat padeda suprasti debesų vaidmenį klimato pokyčiuose.
Jei vykdote dienos skrydį, prašome užimti vietą ant lango. Ir tada jūs galite pamatyti lėktuvo šešėlį ant debesų. Bet jūs turite atsižvelgti į skrydžio kryptį saulės atžvilgiu. Jei jums pasisekė, jūs būsite apdovanoti ir galėsite stebėti vaizdingą reginį - įvairiaspalvį halo, besiribojantį su lėktuvo šešėliu. Jis vadinamas „gloria“. Jos kilmė atsiranda dėl sudėtingesnio efekto nei vaivorykštės išvaizda. Šis reiškinys bus įspūdingiausias, jei debesys bus arti, nuo tada jis tęsiasi iki pat horizonto.
- „Salik.biz“
Jei esate alpinistas, galite pastebėti gloriją netrukus po saulėtekio aplink šešėlį, kurį lieja galva ant artimiausio debesies. Pateikiame pirmąjį pranešimą apie Prancūzijos ekspedicijos į Pambamarkos kalno viršūnę dabartinio Ekvadoro teritorijoje stebėjimą tokiu reiškiniu, paskelbtą praėjus dešimčiai metų po pakilimo, 1748 m. Ir tada kiekvienas iš mūsų išvydo ant debesies mestą šešėlį. Įspūdingiausia pasirodė halo ar glorijos išvaizda, susidedanti iš trijų ar keturių mažų koncentrinių ryškiaspalvių apskritimų aplink galvą. Labiausiai nustebino tai, kad iš šešių ar septynių grupės narių kiekvienas stebėjo šį reiškinį tik šešėlyje nuo savo galvos,Niekada nemačiau nieko panašaus aplink savo bendražygių šešėlį “.
Daugelis tyrėjų manė, kad rytų ir vakarų ikonografijos dievybių ir imperatorių atvaizduose esantys halos vaizduoja menišką glorijos fenomeno fiksaciją. (Alegorišką šios prielaidos patvirtinimą randame garsiajame Samuelio Tayloro Coleridžo poemoje „Ištikimybė idealiam įvaizdžiui“). XIX amžiaus pabaigoje. Škotų fizikas Charlesas Thomsonas Reesas Wilsonas išrado „debesies“fotoaparatą (rusų terminijoje - Wilsono kamera) ir bandė atkurti šį reiškinį laboratorijoje.
Jam nepavyko, bet greitai suprato, kad fotoaparatas gali būti naudojamas dalelėms registruoti, todėl jam buvo paskirta Nobelio premija. Stebėtojo ar plokštumos šešėlis neturi jokios įtakos formuojant gloriją. Vienintelis dalykas, kuris juos jungia, yra tas, kad šešėlis nustato kryptį, visiškai priešingą Saulės krypčiai. Tai reiškia, kad glorija yra atgalinis efektas, nukreipiantis saulės spindulius beveik 180 °. Galite pamanyti, kad toks gerai žinomas poveikis, priklausantis tokiai garbingai fizikos sričiai kaip optika, be abejo, turėjo būti paaiškintas jau seniai. Nepaisant to, paaiškindamas tai, pasak 1748 m. Ataskaitos autorių, „toks senas kaip pasaulis“šimtmečius mokslininkams pateikė rimtą iššūkį. Net vaivorykštė yra sudėtingesnis reiškinys nei tai, kaip apibūdina elementarūs fizikos vadovėliai. Be to, glorijos formavimo mechanizmas yra dar sudėtingesnis.
Iš esmės tiek glorija, tiek vaivorykštė yra paaiškinami standartine teorine optika, egzistavusia jau XX amžiaus pradžioje. Tai leido vokiečių fizikui Gustavui Mie gauti tikslų matematinį tirpalą šviesos sklaidant vandens lašą. Tačiau velnias yra detalėse. Mie metodas apima terminų, vadinamųjų dalinių bangų, pridėjimą. Apibendrinant reikia begalinio skaičiaus tokių terminų, ir nors baigtinis jų skaičius yra praktiškai reikšmingas, Mee metodas reikalauja apskaičiuoti šimtus ir tūkstančius labai sudėtingų išraiškų.
Jei įvesite juos į kompiuterį, tada bus gautas teisingas rezultatas, tačiau neįmanoma suprasti, kokie fiziniai procesai yra atsakingi už pastebėtą poveikį. Sprendimas Mi - tipiška matematinė „juodoji dėžutė“: įveskite į ją pradinius duomenis, ir tai duos rezultatą. Čia tikslinga prisiminti Nobelio premijos laureato Eugenijaus Paulo Wignerio pastabą: „Puiku, kad kompiuteris suprato problemą. Bet aš taip pat norėčiau ją suprasti “. Aklus tikėjimas sumažinant skaičius brutalia jėga gali padaryti klaidingas išvadas, kaip bus parodyta žemiau.
1965 m. Aš nusprendžiau sukurti tyrimų programą, kuri, be kita ko, leistų visiškai išaiškinti gloriją. Šis tikslas, kuriuo man padėjo keli bendradarbiai, buvo pasiektas 2003 m. Sprendimas buvo pagrįstas atsižvelgiant į bangų tunelizavimą, kuris yra vienas paslaptingiausių fizinių padarinių, kurį Izaokas Newtonas pirmą kartą pastebėjo 1675 m. viena iš šiuolaikinių jutiklinių ekranų, naudojamų kompiuteriuose ir mobiliuosiuose telefonuose, rūšių. Taip pat svarbu atsižvelgti į tai, kaip išspręsti sunkiausią ir svarbiausią problemą, kaip atmosferos aerozoliai, apimantys debesis, taip pat dulkės ir suodžių dalelės, veikia klimato pokyčius.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Bangos ir dalelės
Keletą amžių mokslininkai siūlė įvairius glorijos paaiškinimus, tačiau visi jie pasirodė neteisingi. XIX amžiaus pradžioje. Vokiečių fizikas Josefas von Fraunhoferis pasiūlė saulės spindulius išsklaidyti, t. atspindimas atgal, lašais debesies gilumoje, difrakcionuoja ant jo paviršiaus sluoksnyje esančių lašų. Difrakcija yra reiškinys, susijęs su šviesos bangos prigimtimi ir leidžiančia jai „pasižvalgyti už kampo“, lygiai taip pat, kaip jūros bangos eina aplink kliūtį ir plinta toliau, tarsi jos visai nebūtų.
Fraunhoferio idėja buvo ta, kad ši dvigubai išsisklaidžiusi šviesa suformuoja spalvotus difrakcijos žiedus, primenančius koroną, ant Mėnulio aplinkinių debesų. Tačiau 1923 m. Indų fizikas Bidhu Bhusanas Ray'as paneigė Fraunhoferio pasiūlymą. Atlikdamas eksperimentus su dirbtiniais debesimis, Ray parodė, kad ryškumas ir spalvos pasiskirstymas glorijoje ir koronoje yra skirtingi, o pirmasis susidaro tiesiai išoriniuose debesies sluoksniuose dėl vienkartinio vandens lašelių atsitraukimo.
Ray bandė paaiškinti šį užkulisį geometrine optika, istoriškai siejamai su korpuskuliarine šviesos teorija, pagal kurią šviesa sklinda tiesiais spinduliais, o ne kaip banga. Kai susitinka su skirtingų terpių, tokių kaip vanduo ir oras, sąsaja, šviesa iš dalies atsispindi ir dėl refrakcijos iš dalies prasiskverbia į kitą terpę (dėl refrakcijos atrodo, kad pieštukas, pusiau panardintas į vandenį, atrodo sulaužytas). Šviesa, prasiskverbusi į vandens lašą, prieš išeidama iš jo, vieną ar kelis kartus atsispindi jos priešingame vidiniame paviršiuje. Ray žiūrėjo į pluoštą, sklindantį išilgai lašelio ašies ir atspindinčio atgal link jo įėjimo taško. Tačiau net ir atlikus kelis atspindžius pirmyn ir atgal, efektas buvo per silpnas glorijai paaiškinti.
Taigi, glorijos efekto teorija turėtų peržengti geometrinės optikos ribas ir atsižvelgti į šviesos bangos pobūdį ir ypač į tokį bangos efektą kaip difrakcija. Priešingai nei refrakcija, difrakcija didėja didėjant šviesos bangos ilgiui. Faktas, kad glorija yra difrakcinis efektas, išplaukia iš to, kad vidinis jo kraštas yra mėlynas, o išorinis - raudonas, atsižvelgiant į trumpesnį ir ilgesnį bangos ilgį.
Matematinė difrakcijos, tokios kaip vandens lašas, difrakcijos teorija, vadinama Mie išsibarstymu, apima begalinių terminų sumų, vadinamųjų dalinių bangų, skaičiavimą. Kiekviena dalinė banga yra sudėtinga lašelio dydžio, lūžio rodiklio ir susidūrimo parametro funkcija, t. atstumas nuo spindulio iki lašo centro. Neturint didelio greičio kompiuterio, „Mie“išsibarstymas iš įvairaus dydžio lašelių yra neįtikėtinai sudėtingas. Tik dešimtajame dešimtmetyje, kai pasirodė gana greiti kompiuteriai, buvo gauti patikimi debesų charakteristikų lašelių patikimi rezultatai. Tačiau tyrinėtojams reikia kitų tyrinėjimo būdų, kad suprastų, kaip tai vyksta.
Hendrik C. Van de Hulst, moderniosios radijo astronomijos pradininkas, XX amžiaus viduryje. padarė pirmą reikšmingą indėlį į glorijos fizikos supratimą. Jis atkreipė dėmesį, kad šviesos lašas, prasiskverbiantis į lašą labai arti jo krašto, lašo viduje eina išilgai Y formos trajektorijos, atsispindi nuo jo vidinio paviršiaus ir grįžta atgal beveik ta pačia kryptimi, kuria buvo. Kadangi kritimas yra simetriškas tarp viso lygiagrečių saulės spindulių pluošto, palankus susidūrimo parametras bus pasiektas visam jų cilindriniam pluoštui, krintančiam ant kritimo tokiu pat atstumu nuo jo centro. Tokiu būdu pasiekiamas fokusavimo efektas, kuris padaugina užpakalinę dalį.
Paaiškinimas skamba įtikinamai, tačiau yra vienas laimikis. Kelyje nuo įsiskverbimo į lašą iki išėjimo iš jo, spindulys yra nukreiptas dėl refrakcijos (refrakcijos). Tačiau vandens lūžio rodiklis nėra pakankamai didelis, kad spindulys būtų išsklaidytas tiksliai atgal, naudojant vieną vidinį atspindį. Labiausiai, ką gali padaryti vandens lašas, yra šviesos atšokimas maždaug 14 ° kryptimi nuo originalo.
1957 m. Van de Hulstas pasiūlė, kad šį nukrypimą būtų galima įveikti papildomais šviesos praėjimo keliais, bangos pavidalu išilgai lašelio paviršiaus. Tokios paviršiaus bangos, susietos su dviejų laikmenų sąsaja, kyla daugelyje situacijų. Idėja yra ta, kad tangenciškai ant lašo esantis spindulys praeina tam tikru atstumu išilgai jo paviršiaus, prasiskverbia į lašą ir trenkia į jo vidinį užpakalinį paviršių. Čia jis vėl slysta vidiniu paviršiumi ir atsispindi atgal į lašą. Ir paskutiniame kelio segmente palei paviršių spindulys atsispindi nuo jo ir išeina iš lašo. Poveikio esmė ta, kad pluoštas yra išsibarstęs atgal ta pačia kryptimi, kuria jis atsirado.
Galimas šio paaiškinimo silpnumas buvo tas, kad paviršiaus bangų energija eikvojama tangentiniu keliu. Van de Hulstas teigė, kad šį slopinimą daugiau nei kompensuoja ašinis fokusavimas. Tuo metu, kai jis suformulavo šį spėjimą, nebuvo metodų, kaip išmatuoti paviršiaus bangų indėlį.
Nepaisant to, visa informacija apie fizines glorijos priežastis, įskaitant paviršiaus bangų vaidmenį, turėjo būti aiškiai įtraukta į dalinių Mie bangų seriją.
Protas nugalėjo kompiuterį
Galimas „gloria“dėlionės sprendimas susijęs ne tik su paviršiaus bangomis. 1987 m. Warrenas Wiscombe'as iš Kosminių skrydžių centro. Goddard'as NASA (Greenbelt, Maryland) ir aš pasiūlėme naują požiūrį į difrakciją, kur reikšmingą indėlį gali suteikti šviesos spinduliai, praeinantys už sferos ribų. Iš pirmo žvilgsnio tai atrodo absurdiška. Kaip lašas gali paveikti pro jį nepraleidžiantį šviesos spindulį? Bangos, ypač šviesos bangos, turi neįprastą savybę „tuneliuoti“ar prasiskverbti pro barjerą. Pavyzdžiui, šviesos energija tam tikromis aplinkybėmis gali prasiskverbti iš išorės, kai būtų galima manyti, kad šviesa turėtų likti tam tikroje aplinkoje.
Paprastai šviesa, sklindanti tokioje terpėje kaip stiklas ar vanduo, bus visiškai atspindėta iš sąsajos su terpe, turinčia mažesnį lūžio rodiklį, pvz., Orą, jei spindulys smogia į šį paviršių pakankamai mažu kampu. Pavyzdžiui, šis bendras vidinio atspindžio efektas išlaiko signalą optinio pluošto viduje. Net jei šviesa visiškai atsispindi, šviesos bangą sudarantys elektriniai ir magnetiniai laukai neišnyksta iškart už sąsajos. Tiesą sakant, šie laukai prasiskverbia per ribą nedideliu atstumu (šviesos bangos ilgio tvarka) vadinamosios nevienalytės bangos pavidalu. Tokia banga nenešioja energijos už sąsajos ribų, bet jos paviršiuje formuoja virpesį, panašų į gitaros stygas.
Tai, ką ką tik aprašiau, dar neturi tunelio efekto. Tačiau jei trečioji terpė dedama per atstumą nuo ribos, mažesnės už nehomogeninės bangos ilgį, tada šviesa vėl pradės sklisti į šią terpę, siurbdama joje energiją. Dėl to vidinis atspindys pirmojoje terpėje susilpnėja, o šviesa prasiskverbia (tuneliuose) per tarpinę terpę, kuri tarnavo kaip kliūtis.
Reikšmingas tuneliavimas vyksta tik tuo atveju, jei tarpas tarp dviejų terpių reikšmingai neviršija vieno bangos ilgio, t. ne daugiau kaip pusę mikrono, jei matoma šviesa. Niutonas šį reiškinį pastebėjo dar 1675 m. Jis ištyrė trukdžių modelį, dabar žinomą kaip Niutono žiedai, atsirandantį, kai plokštuma išgaubtas objektyvas uždedamas ant plokščios stiklo plokštės. Žiedų tektų pastebėti tik tada, kai šviesa tiesiai iš lęšio patenka į plokštelę. Niutonas nustatė, kad net tada, kai lęšio paviršių nuo plokštės atskyrė labai mažas atstumas, t. abu paviršiai nebuvo liečiami vienas su kitu, o dalis šviesos, kuri turėjo patirti bendrą vidinį atspindį, prasiskverbė pro tarpą.
Tunelių kūrimas yra aiškiai prieštaringas. Fizikas Georgijus Gamovas pirmasis atskleidė šį reiškinį kvantinėje mechanikoje. 1928 m., Padedamas jo, jis paaiškino, kaip tam tikri radioaktyvieji izotopai gali išmesti alfa daleles. Jis parodė, kad šerdies viduje esančios alfa dalelės neturi pakankamai energijos atitrūkti nuo sunkiosios šerdies, lyg patrankos sviedinys negali pasiekti pabėgimo greičio ir atitrūkti nuo Žemės gravitacinio lauko. Jis sugebėjo parodyti, kad dėl savo bangos pobūdžio alfa dalelė vis tiek gali prasiskverbti pro barjerą ir palikti branduolį.
Tačiau, priešingai populiarių įsitikinimų, tunelių kūrimas nėra vien tik kvantinis efektas; tai pastebima ir klasikinių bangų atveju. Saulės spindulys, einantis debesyje už vandens lašo, priešingai nei intuityviai tikisi, gali prasiskverbti pro tunelio efektą ir taip prisidėti prie glorijos kūrimo.
Mūsų pradinis darbas su „Wiskomb“buvo susijęs su šviesos išsklaidymo tyrimu, visiškai atspindint sidabro rutulius. Mes nustatėme, kad dalinės spindulio bangos, einančios už sferos ribų, gali tuneliuoti jo paviršių ir reikšmingai prisidėti prie difrakcijos, jei atstumas iki lašelio paviršiaus nėra didelis.
Skaidriose sferose, tokiose kaip vandens lašai, po tuneliu į jų paviršių šviesa gali prasiskverbti į vidų. Ten jis smogia į vidinį rutulio paviršių pakankamai mažu kampu, kad vidinis atspindys būtų visiškai atspindėtas, todėl lieka įstrigęs lašo viduje. Panašus reiškinys stebimas garso bangoms, pavyzdžiui, garsiojoje Šnabždesio galerijoje po arkos Šv. Paulius Londone. Asmuo, šnabždantis žiūrint į vieną sieną, gali būti girdimas tolumoje prie priešingos sienos, nes garsas patiria daugybę atspindžių iš užapvalintų sienų.
Tačiau šviesos atveju banga, tuneliavusi į lašą, taip pat gali palikti ją dėl tuneliavimo. Tam tikruose bangos ilgiuose po daugybinių vidinių atspindžių banga sustiprinama konstrukciniais trukdžiais, formuojant vadinamąjį Mie rezonansą. Šį efektą galima palyginti su sūpuoklės svyravimu dėl sukrėtimų, kurių dažnis sutampa su natūraliu jų dažniu. Ryšium su akustine analogija šie rezonansai dar vadinami šnabždančiu galerijos efektu. Net nedidelio bangos ilgio pokyčio pakanka, kad būtų nutrauktas rezonansas; todėl Mi rezonansai yra ypač staigūs ir žymiai padidina jų intensyvumą.
Apibendrinant galime pasakyti, kad prie glorijos reiškinio prisideda trys efektai: ašinis grįžtamasis ryšys, kurį Ray įvertino pagal geometrinę optiką; kraštinės bangos, įskaitant van de Hulsto paviršiaus bangas; Mie rezonansai, atsirandantys dėl tunelių. 1977 m. Vijay Khare, tada Ročesterio universitete, aš įvertinau kraštinių spindulių, įskaitant van de Hulsto bangas, indėlį. 1994 m. Rezonansą peržiūrėjo Luizas Gallisa Guimaraesas iš Rio de Žaneiro federalinio universiteto. 2002 m. Išsamiai išanalizavau, kuris iš trijų padarinių yra pats svarbiausias. Paaiškėjo, kad ašinio atgalinio susižavėjimo indėlis yra nereikšmingas, o reikšmingiausias yra rezonansų, atsirandančių dėl pakraščio tunelių, poveikis. Iš to darytina neišvengiama išvada:gloria yra makroskopinis šviesos tuneliavimo poveikis.
Glorija ir klimatas
Šviesos tunelinis efektas yra ne tik grynas intelektualinis pasitenkinimas gloria problema, bet ir praktinis pritaikymas. Šnabždesio galerijos efektas buvo panaudotas kuriant lazerius, pagrįstus mikroskopiniais vandens lašeliais, kietomis mikrosferomis ir mikroskopiniais diskais. Neseniai jutikliniuose ekranuose buvo naudojamas lengvas tuneliavimas. Pirštas, artėjantis prie ekrano, veikia kaip Niutono objektyvas, leidžiantis šviesai tuneliuoti ekrano viduje, išsklaidyti priešinga kryptimi ir generuoti signalą. Nehomogeninė tunelio sukelta šviesos banga yra naudojama tokiose svarbiose technologijose kaip artimo krašto mikroskopija, kuri gali būti panaudota detalėms, mažesnėms už šviesos bangos ilgį, išskaidyti, taip sulaužant vadinamąją difrakcijos ribą.kuris įprastoje mikroskopijoje tokio dydžio objektams suteikia neryškų vaizdą.
Norint įvertinti debesų vaidmenį klimato pokyčiuose, ypač svarbu suprasti šviesos sklaidą vandens lašeliuose. Vanduo yra labai skaidrus matomoje spektro srityje, tačiau, kaip anglies dioksidas ir kitos šiltnamio efektą sukeliančios dujos, jis sugeria infraraudonąją spinduliuotę kai kuriose juostose. Kadangi Mie rezonansai paprastai siejami su labai dideliu vidinių atspindžių skaičiumi, mažas lašelis gali absorbuoti didelę dalį radiacijos, ypač jei vandenyje yra priemaišų. Kyla klausimas: ar keičiantis debesies dangai, keičiantis vidutiniam tankiui, Žemė bus vėsta, atspindėdama didžiąją dalį saulės šviesos į kosmosą, ar ji prisidės prie jo įkaitimo, veikdama kaip papildoma antklodė, sulaikanti infraraudonąją spinduliuotę?
Iki maždaug dešimties metų šviesos debesų išsklaidymo modeliavimas buvo atliekamas apskaičiuojant Mie rezonansus santykinai nedideliam lašelių dydžiui, kurie laikomi tipiškais debesimis. Tai sumažino superkompiuterio skaičiavimo laiką, tačiau sukėlė netikėtą spąstus. Kaip parodė 2003 m., Naudojant savo sukurtus vaivorykštės ir glorijos analizės metodus, standartiniai modeliavimo metodai gali sukelti iki 30% paklaidų kai kuriose siaurose spektrinėse juostose. Taigi, apskaičiuojant iš anksto pasirinktų dydžių lašelių išsibarstymą, nesunku praleisti svarbaus indėlio iš daugelio siaurų rezonansų, susijusių su vidutinio dydžio lašeliais. Pavyzdžiui, jei skaičiavimas buvo atliktas lašeliams, kurių skersmuo yra vienas, du, trys ir tt mikronų, buvo praleistas labai siauras rezonansas esant 2,4 mikronui. Mano prognozė buvo patvirtinta 2006 m. Atliekant tyrimus, kuriuose buvo atsižvelgiama į realų lašelių dydžio pasiskirstymą atmosferoje, pastaraisiais metais modeliai buvo tobulinami atsižvelgiant į lašelius, kurių dydžiai buvo suskirstyti į daug mažesnius intervalus.
Kaip prognozavo Wigneris, rezultatai, gauti net ir naudojant nepriekaištingą superkompiuterį, nėra patikimi. Yra apie ką galvoti, ypač jei kitą kartą jūsų vieta lėktuve yra prie lango.