Разясняването на едно от най-красивите явления в метеорологията изисква много сложен подход. Изучаването му също помага да се разбере ролята на облаците в климатичните промени.
Ако сте на дневен полет, моля, заемете място на прозореца. И тогава може да успеете да видите сянката на самолета върху облаците. Но трябва да вземете предвид посоката на полета спрямо слънцето. Ако имате късмет, ще бъдете възнаградени и ще можете да наблюдавате живописна гледка - многоцветен ореол, граничещ със сянката на авиолинията. Нарича се „глория“. Произходът му се дължи на по-сложен ефект от появата на дъга. Този феномен ще бъде най-впечатляващ, ако облаците са близо, тъй като тогава той се простира до самия хоризонт.
Ако сте алпинист, можете да наблюдавате глория скоро след изгрев около сянката, хвърлена от главата ви върху най-близкия облак. Представяме тук първия доклад за наблюдението на подобно явление от членове на френската експедиция до върха на планината Памбамарка на територията на днешен Еквадор, публикуван десет години след изкачването през 1748 г. „Облакът, който ни покрива, започна да се разсейва и лъчите на изгряващото слънце го пронизаха. И тогава всеки от нас видя как сянката ни се хвърля върху облака. Това, което намерихме най-забележително, беше появата на ореол или глория, състоящ се от три или четири малки концентрични, ярко оцветени кръгове около главата. Най-изненадващото беше, че от шест или седем членове на групата всеки наблюдава това явление само около сянката от собствената си глава, т.е. Никога не съм виждал нещо подобно около сенките на моите другари “.
Много изследователи смятат, че ореолите върху изображения на божества и императори в източната и западната иконография представляват художествена фиксация на феномена на глория. (Ние намираме алегорично потвърждение на това предположение в известната поема на Самюъл Тейлър Колридж „Вярност на идеалния образ“). В края на XIX век. Шотландският физик Чарлз Томсън Рийс Уилсън измисли „облачна“камера (в руската терминология - камерата на Уилсън) и направи опит да възпроизведе това явление в лабораторията.
Той се провали, но бързо разбра, че камерата може да се използва за регистриране на частици и в резултат на това беше присъдена Нобелова награда. Сянката на наблюдател или самолет не играе роля във формирането на глорията. Единственото, което ги свързва е, че сянката фиксира посоката, точно противоположна на тази на Слънцето. Това означава, че глорията е възвратен разсейващ ефект, който отклонява слънчевата светлина с близо 180 °. Може би си мислите, че такъв добре известен ефект, принадлежащ към такава достойна област на физиката като оптика, несъмнено би трябвало да бъде обяснен отдавна. Въпреки това, обяснявайки това, според авторите на доклада от 1748 г. „ефектът, стар колкото света“, представлява сериозно предизвикателство за учените от векове. Дори дъгата е по-сложно явление от това как я описват елементарни учебници по физика. Освен това механизмът за формиране на глория е още по-сложен.
По принцип и глорията, и дъгата се обясняват по отношение на стандартната теоретична оптика, която съществуваше още в началото на 20 век. Това позволи на немския физик Густав Мие да получи точно математическо решение за процеса на разсейване на светлината чрез капка вода. Дяволът обаче е в детайлите. Методът Ми включва добавянето на термини, така наречените частични вълни. Необходим е безкраен брой такива термини, за да се обобщи, и въпреки че ограничен брой от тях е практически значим, методът на Mee изисква изчисляване на стотици и хиляди много сложни изрази.
Ако ги въведете в компютър, тогава това ще даде правилния резултат, но е невъзможно да се разбере кои физически процеси са отговорни за наблюдаваните ефекти. Решение Mi-типична математическа "черна кутия": въведете първоначалните данни в нея и тя ще даде резултата. Тук е уместно да си припомним забележка на Нобеловия лауреат Евгений Пол Уигнър: „Чудесно е, че компютърът разбра проблема. Но също така бих искал да я разбера “. Сляпата вяра в смилането на числа с груба сила може да доведе до грешни заключения, както ще бъде показано по-долу.
През 1965 г. се заех с разработването на изследователска програма, която, наред с други неща, ще доведе до пълно физическо обяснение на глорията. И тази цел, по пътя, за който бях подпомогнат от няколко сътрудници, беше постигната през 2003 г. Решението се основаваше на отчитане на тунелиране на вълни, едно от най-загадъчните физически ефекти, които Исак Нютон за първи път наблюдава през 1675 г. един от видовете съвременни сензорни екрани, използвани в компютрите и мобилните телефони. Важно е също така да се вземе предвид за решаването на най-трудния и най-важен проблем, как атмосферните аерозоли, които включват облаци, както и частици прах и сажди, влияят върху климатичните промени.
Промоционално видео:
Вълни и частици
В продължение на няколко века учените предлагат различни обяснения за глория, но всички те се оказват неточни. В началото на XIX век. Германският физик Йозеф фон Фраунхофер предполага, че слънчевата светлина се разсейва, т.е. отразено обратно, чрез капки в дълбочината на облака, се разсейва върху капки в повърхностния му слой. Дифракцията е феномен, свързан с вълновата природа на светлината и позволяваща й да "гледа зад ъгъла", точно както морските вълни обикалят препятствие и се разпространяват по-нататък, сякаш изобщо не съществува.
Идеята на Фраунхофер беше, че тази двойно разсеяна светлина образува цветни дифракционни пръстени, наподобяващи корона, върху облаците, заобикалящи Луната. Въпреки това през 1923 г. индийският физик Бидху Бхусан Рей отрече предложението на Фраунхофер. В резултат на експерименти с изкуствени облаци, Рей показа, че разпределението на яркостта и цветовете в глорията и в короната е различно и че първият възниква директно във външните слоеве на облака в резултат на един-единствен акт на обратното разсейване от водни капчици.
Рей се опита да обясни това обратното разсейване по отношение на геометричната оптика, исторически свързана с корпускуларната теория на светлината, според която светлината пътува в прави лъчи, а не като вълна. Когато срещне интерфейса между различни среди, като вода и въздух, светлината се отразява частично и частично прониква в друга среда поради пречупване (пречупването е това, което прави молив, наполовина потопен във вода, изглежда да се счупи). Светлината, която е проникнала в капка вода, преди да я напусне, се отразява един или повече пъти на противоположната й вътрешна повърхност. Рей гледаше лъча, докато се разпространява по оста на капчицата и се отразява обратно към входната си точка. Въпреки това, дори при многобройни действия на отражения назад и напред, ефектът беше твърде слаб, за да обясни глорията.
По този начин теорията за ефекта на глорията трябва да надхвърли границите на геометричната оптика и да вземе предвид вълновата природа на светлината и по-специално такъв вълнов ефект като дифракция. За разлика от пречупването, дифракцията се увеличава с увеличаване на дължината на вълната на светлината. Фактът, че глорията е дифракционен ефект, следва от факта, че вътрешният й ръб е син, а външният - червен, в съответствие с по-късите и по-дългите дължини на вълната.
Математическата теория на дифракцията чрез сфера като капка вода, известна като разсейване на Ми, включва изчисляването на безкрайните суми от термини, така наречените частични вълни. Всяка частична вълна е сложна функция от размера на капчиците, показателя на пречупване и параметъра на сблъсък, т.е. разстояние от лъча до центъра на капката. Без високоскоростен компютър, изчисленията на разсейването на Мие от капчици с различни размери са невероятно сложни. Едва през 90-те години, когато се появиха достатъчно бързи компютри, бяха получени надеждни резултати за капчици в обхвата на размерите, характерни за облаците. Но изследователите се нуждаят от други начини за проучване, за да разберат как това всъщност се случва.
Хендрик К. Ван де Хълст, пионер на съвременната радиоастрономия, в средата на 20 век. направи първия значителен принос за разбирането на физиката на глория. Той посочи, че светлинен лъч, проникващ в капка много близо до ръба му, вътре в капката преминава по Y-образна траектория, се отразява от вътрешната й повърхност и се връща обратно в почти същата посока, в която е дошъл. Тъй като падането е симетрично, сред целия лъч от паралелни слънчеви лъчи ще бъде реализиран благоприятен параметър за сблъсък за целия им цилиндричен лъч, падащ върху капката на същото разстояние от центъра му. По този начин се постига фокусиращ ефект, който умножава обратната скала.
Обяснението звучи убедително, но има една уловка. По пътя от проникването в капката до изхода от нея лъчът се отклонява поради пречупване (пречупване). Индексът на пречупване на водата обаче не е достатъчно голям, за да може лъчът да бъде разпръснат точно назад от едно вътрешно отражение. Най-много, което може да направи капка вода, е да отскочи лъча в посока около 14 ° от оригинала.
През 1957 г. ван де Хълст предположи, че това отклонение може да бъде преодоляно чрез допълнителни пътеки, преминавани от светлина под формата на вълна по повърхността на капчиците. Подобни повърхностни вълни, вързани към интерфейса между две среди, възникват в много ситуации. Идеята е, че лъч, падащ допирателно на капка, минава известно разстояние по повърхността му, прониква в капката и удря вътрешната си задна повърхност. Тук отново се плъзга по вътрешната повърхност и се отразява обратно в капката. И на последния сегмент от пътеката по повърхността лъчът се отразява от него и излиза от капката. Същността на ефекта е, че лъчът се разпръсква обратно в същата посока, в която е дошъл.
Потенциална слабост на това обяснение беше, че енергията на повърхностните вълни се изразходва по тангенциален път. Ван де Хълст предположи, че това затихване е повече от компенсирано от аксиално фокусиране. По времето, когато формулира това предположение, няма методи за количествено определяне на приноса на повърхностните вълни.
Въпреки това цялата информация за физическите причини за глория, включително ролята на повърхностните вълни, трябваше да бъде изрично включена в поредицата от частични вълни на Мие.
Причината побеждава компютъра
Евентуално решение на пъзела глория не е само за повърхностните вълни. През 1987 г. Уорън Уискомб от Центъра за космически полети. Годдард от НАСА (Грийнбелт, Мериленд) и аз предложихме нов подход към дифракцията, при който светлинните лъчи, минаващи извън сферата, могат да дадат значителен принос. На пръв поглед това изглежда абсурдно. Как една капка може да повлияе на лъч светлина, който не преминава през нея? Вълните и по-специално леките вълни имат необичайната способност да „тунелират“или да проникват през бариера. Например светлинната енергия при някои обстоятелства може да проникне навън, когато човек би повярвал, че светлината трябва да остане в дадената среда.
Обикновено светлината, разпространяваща се в среда като стъкло или вода, ще бъде напълно отразена от интерфейса със среда с по-нисък коефициент на пречупване, като въздух, ако лъчът удари тази повърхност под достатъчно малък ъгъл. Например, този общ ефект на вътрешното отражение задържа сигнала вътре в оптичното влакно. Дори ако светлината е напълно отразена, електрическите и магнитните полета, които образуват светлинната вълна, не изчезват веднага извън интерфейса. Всъщност тези полета проникват през границата на кратко разстояние (от порядъка на дължината на вълната на светлинната вълна) под формата на така наречената "нееднородна вълна". Такава вълна не носи енергия отвъд интерфейса, но образува осцилиращо поле на нейната повърхност, подобно на китарна струна.
Това, което току-що описах, все още не съдържа тунелния ефект. Ако обаче се постави трета среда на разстояние от границата, по-малка от дължината на нехомогенната вълна, тогава светлината ще възобнови разпространението си в тази среда, изпомпвайки енергия там. В резултат на това вътрешното отражение в първата среда отслабва и светлината прониква (тунели) през междинната среда, която служи като бариера.
Значително тунелиране възниква само ако пропастта между двете среди не надвишава значително една дължина на вълната, т.е. не повече от половин микрона в случай на видима светлина. Нютон наблюдава това явление още през 1675 г. Той изследва схемата на интерференция, сега известна като пръстените на Нютон, която възниква, когато върху плоска стъклена плоча се нанесе плано-изпъкнала леща. Пръстените ще трябва да се наблюдават само когато светлината преминава директно от лещата в плочата. Нютон откри, че дори когато много малко разстояние отделя повърхността на лещата от плочата, т.е. двете повърхности не са били в контакт една с друга, част от светлината, която би трябвало да претърпи цялостно вътрешно отражение, вместо това прониква през празнината.
Тунелирането е ясно противоположно. Физикът Георги Гъмов е първият, който разкри това явление в квантовата механика. През 1928 г. с негова помощ той обяснява как определени радиоактивни изотопи могат да отделят алфа-частици. Той показа, че алфа частиците вътре в ядрото нямат достатъчно енергия, за да се откъснат от тежкото ядро, точно както оръдието не може да достигне скорост на бягство и да се откъсне от гравитационното поле на Земята. Той успя да покаже, че поради вълновата си природа алфа частица все още може да проникне през бариерата и да напусне ядрото.
Противно на общоприетото мнение обаче тунелирането не е само чисто квантов ефект; то се наблюдава и в случай на класически вълни. Слънчев лъч, преминаващ в облак извън капка вода, може противно на интуитивното очакване да проникне през него чрез тунелния ефект и по този начин да допринесе за създаването на глория.
Първоначалната ни работа с Wiskomb беше свързана с изучаването на разсейването на светлината чрез пълно отразяване на сребърни топки. Установихме, че частичните вълни на лъч, минаващ извън сферата, могат, ако разстоянието до повърхността на капчицата не е твърде голямо, да се тунелират до повърхността й и да допринесат значително за дифракцията.
В случай на прозрачни сфери като водни капчици, след тунелиране на повърхността им светлината може да проникне навътре. Там той удря вътрешната повърхност на сферата под ъгъл, достатъчно малък, за да претърпи цялостно вътрешно отражение и следователно остава хванат в капката. Подобно явление се наблюдава при звуковите вълни, например в известната галерия на шепота под арките на Св. Павел в Лондон. Човек, който шепне, докато е обърнат към една стена, може да се чуе в далечината на противоположната стена, защото звукът претърпява множество отражения от заоблените стени.
В случай на светлина обаче вълна, която е тунелирана в капчицата, също може да я остави поради тунелиране. За определени дължини на вълната, след множество вътрешни отражения, вълната се усилва чрез конструктивна интерференция, образувайки така наречения Mie резонанс. Този ефект може да се сравни с размахането на люлка поради трептения, чиято честота съвпада с естествената им честота. Във връзка с акустичната аналогия тези резонанси се наричат още шепнещ ефект на галерията. Дори лека промяна в дължината на вълната е достатъчна, за да се прекъсне резонансът; следователно, Mi резонансите са изключително остри и осигуряват значително увеличаване на интензивността.
В обобщение можем да кажем, че три ефекта допринасят за феномена глория: аксиалното обратно разсейване, разгледано от Рей в съответствие с геометричната оптика; крайни вълни, включително повърхностни вълни van de Hulst; Ми резонанси, произтичащи от тунелиране. През 1977 г. Виджай Харе, тогава в Университета в Рочестър, и аз оцених приноса на крайните лъчи, включително вълните на ван де Хълст. Резонансите бяха прегледани от Luiz Gallisa Guimaraes от Федералния университет в Рио де Жанейро през 1994 г. През 2002 г. направих подробен анализ кой от трите ефекта е най-важен. Оказа се, че приносът на аксиалното обратно разсейване е пренебрежимо малък, а най-значимият е ефектът на резонансите, дължащи се на извън тунела. От това следва неизбежното заключение:gloria е макроскопичен ефект от леки тунели.
Глория и климатът
Освен че осигурява чисто интелектуално удовлетворение на проблема с gloria, ефектът от тунелиране на светлината има и практически приложения. Ефектът на шепнещата галерия е използван за създаване на лазери на базата на микроскопични водни капчици, твърди микросфери и микроскопични дискове. Напоследък светлинното тунелиране се използва в сензорен екран. Пръстът, приближаващ се към екрана, действа като нютонов обектив, което позволява на светлината да тунелира вътре в екрана, да се разпръсне в обратна посока и да генерира сигнал. Нехомогенната светлинна вълна, генерирана от тунелиране, се използва в такава важна технология като микроскопия в близост до края, която може да се използва за разрешаване на детайли, които са по-малки от дължината на вълната на светлината, като по този начин се нарушава т. Нар. Дифракционна граница.което при конвенционалната микроскопия за обекти с такъв размер дава размазано изображение.
Разбирането на разсейването на светлината във водни капчици е особено важно за оценка на ролята на облаците в климатичните промени. Водата е силно прозрачна във видимата област на спектъра, но подобно на въглеродния диоксид и други парникови газове, тя абсорбира инфрачервено лъчение в някои ленти. Тъй като Ми резонансите обикновено се свързват с много голям брой събития на вътрешно отражение, малка капчица може да абсорбира значителна част от радиацията, особено ако водата съдържа примеси. Възниква въпросът: дали облачният покрив, тъй като средната му плътност се променя, ще запази Земята хладна, като отразява по-голямата част от слънчевата светлина в космоса, или ще допринесе за нейното нагряване, действайки като допълнително одеяло, което улавя инфрачервеното лъчение?
До преди около десет години моделирането на разсейване на светлината от облаци се извършваше чрез изчисляване на Mie резонансите за сравнително малък набор от размери на капчиците, които се считаха за представителни за типичните облаци. Това намали времето за броене на суперкомпютъра, но постави неочакван капан. Както показах през 2003 г., използвайки собствени методи за анализ на дъгата и глорията, стандартните методи за моделиране могат да доведат до грешки до 30% за някои тесни спектрални ленти. Така при изчисляване на разсейването от капчици с предварително избрани размери е лесно да се пропусне важен принос от много тесни резонанси, свързани с капки с междинни размери. Например, ако изчислението е извършено за капчици с диаметър една, две, три и т.н. микрона, беше предаден много тесен резонанс при 2,4 микрона. Прогнозата ми беше потвърдена през 2006 г. В проучвания, които взеха предвид реалното разпределение на размерите на капчиците в атмосферата, през последните години моделите бяха подобрени, като се вземат предвид капчици, чиито размери бяха разбити на много по-малки интервали.
Както прогнозира Уигнър, резултатите, получени дори при перфектен суперкомпютър, ако не са осветени от физическа мисъл, не са достоверни. Има какво да помислите, особено ако следващия път мястото ви в самолета е до прозореца.