Meteoroloogia ühe ilusaima nähtuse selgitamine nõuab väga keerukat lähenemist. Selle uurimine aitab mõista ka pilvede rolli kliimamuutustes.
Kui olete päevalennuga, võtke palun aknakoht. Ja siis võite ehk näha lennuki varju pilvedel. Kuid peate arvestama lennusuunaga päikese suhtes. Kui teil veab, siis antakse teile autasu ja saate jälgida maalilist vaatepilti - mitmevärvilist halo, mis piirneb lennuki varjuga. Seda nimetatakse "gloria". Selle päritolu on tingitud keerukamast efektist kui vikerkaare välimus. See nähtus on kõige muljetavaldavam, kui pilved on lähedal, sest alates sellest ulatub see silmapiirini.
Kui olete mägironija, võite peagi pärast päikesetõusu jälgida gloriat varju ümber, mille pea heidab lähimasse pilve. Esitame siin esimese raporti sellise nähtuse vaatlemisest, mida prantsuse ekspeditsiooni liikmed tegid Pambamarca mäe tippkohtumisele tänapäeva Ecuadori territooriumil, avaldatud kümme aastat pärast tõusu 1748. aastal. “Meid katnud pilv hakkas hajuma ja tõusva päikese kiired läbistasid seda. Ja siis nägi igaüks meist oma pilvi heites varju. Kõige tähelepanuväärsem oli halo või gloria ilmumine, mis koosnes kolmest või neljast väikesest kontsentrilisest erksavärvilisest ringist pea ümber. Kõige üllatavam oli see, et rühma kuuest või seitsmest liikmest vaatasid mõlemad seda nähtust ainult oma pea ümber,Ma pole kunagi midagi sellist näinud oma seltsimeeste varjude ümber."
Paljud teadlased uskusid, et ida- ja läänepoolse ikonograafia jumaluste ja keisrite piltidel olevad halod tähistavad gloria fenomeni kunstilist kinnistamist. (Leiame selle oletuse allegoorilise kinnituse Samuel Taylor Coleridge'i kuulsas luuletuses "truudus ideaalpildile"). XIX sajandi lõpus. Šoti füüsik Charles Thomson Rees Wilson leiutas "pilve" kaamera (vene terminoloogias - Wilsoni koda) ja üritas seda nähtust laboris reprodutseerida.
Ta ebaõnnestus, kuid taipas kiiresti, et kaamerat saab kasutada osakeste registreerimiseks ja selle tulemusel omistati talle Nobeli preemia. Vaatleja või lennuki vari ei mängi gloria kujunemises mingit rolli. Ainus, mis neid ühendab, on see, et vari fikseerib suuna, mis on täpselt Päikese suunaga vastupidine. See tähendab, et gloria on tagasiulatuv mõju, mis kaldub päikesevalgust ligi 180 °. Võite arvata, et sellist tuntud efekti, mis kuulub sellisesse auväärsesse füüsika valdkonda nagu optika, oleks kahtlemata tulnud ammu selgitada. Sellegipoolest on selle selgitamine 1748. aasta aruande autorite sõnul "sama vana kui maailm" esitanud teadlastele sajandeid tõsise väljakutse. Isegi vikerkaar on keerulisem nähtus kui see, kuidas elementaarsed füüsikaõpikud seda kirjeldavad. Pealegi on gloria moodustumise mehhanism veelgi keerulisem.
Põhimõtteliselt on nii gloriat kui ka vikerkaart seletatud tavalise teoreetilise optikaga, mis eksisteeris juba 20. sajandi alguseks. See võimaldas saksa füüsikul Gustav Mie'il saada täpse matemaatilise lahenduse valguse hajutamise protsessile veetilga abil. Kurat on aga detailides. Mie meetod hõlmab terminite, niinimetatud osaliste lainete, lisamist. Summeerimiseks on vaja lõpmatut arvu selliseid termineid ja kuigi nende lõplik arv on praktiliselt oluline, nõuab Mee meetod sadade ja tuhandete väga keerukate avaldiste arvutamist.
Kui sisestate need arvutisse, annab see õige tulemuse, kuid on võimatu aru saada, millised füüsikalised protsessid vastutavad täheldatud mõjude eest. Lahendus Mi-tüüpiline matemaatiline "must kast": sisestage sinna lähteandmed ja see annab tulemuse. Siinkohal on asjakohane meenutada Nobeli preemia laureaadi Eugene Paul Wigneri märkust: “Tore, et arvuti mõistis probleemi. Kuid tahaksin ka temast aru saada. " Pime usk numbrite lihvimisel liialdatud jõuga võib viia valede järeldusteni, nagu allpool näidatakse.
1965. aastal otsustasin välja töötada teadusprogrammi, mis muu hulgas viiks gloria täieliku füüsilise selgitamiseni. Ja see eesmärk, milleni mind aitasid mitmed kaastöötajad, saavutati 2003. aastal. Lahendus põhines laine tunneldamise arvessevõtmisel, mis on üks salapärasematest füüsilistest mõjudest, mida Isaac Newton esmakordselt 1675. aastal täheldas. Laine tunneldamise aluseks üks tüüpi kaasaegseid puuteekraane, mida kasutatakse arvutites ja mobiiltelefonides. Samuti on oluline kaaluda seda kõige raskema ja olulisema probleemi lahendamisel, kuidas atmosfääri aerosoolid, mis hõlmavad pilvi, samuti tolmu ja tahmaosakesi, mõjutavad kliimamuutusi.
Reklaamvideo:
Lained ja osakesed
Teadlased on mitu sajandit pakkunud gloria jaoks erinevaid selgitusi, kuid need kõik osutusid valeks. XIX sajandi alguses. Saksa füüsik Josef von Fraunhofer soovitas päikesevalgust hajutada, s.t. tagasi peegeldudes pilve sügavuses olevate tilkadena, difrakteerub selle pinnakihis olevatel tilkadel. Difraktsioon on nähtus, mis on seotud valguse lainekujundusega ja võimaldab sellel "nurga tagant vaadata", just nagu merelained läheksid ümber takistuse ja leviksid kaugemale, justkui poleks seda üldse olemas.
Fraunhoferi idee oli, et see topelt hajutatud valgus moodustab kuu ümbritsevatel pilvedel värvilisi difraktsioonirõngaid, mis meenutavad korooni. India füüsik Bidhu Bhusan Ray eitas 1923. aastal siiski Fraunhoferi ettepanekut. Kunstpilvedega tehtud katsete tulemusel näitas Ray, et heleduse ja värvide jaotus glorias ja koroonas on erinev ning endine tekib otse pilve väliskihtides veepiiskade ühekordse tagasipööramise tagajärjel.
Ray üritas seda tagasilööki seletada geomeetrilise optikaga, mida on ajalooliselt seostatud valguse korpuskulaarse teooriaga, mille kohaselt valgus liigub sirgete kiirte, mitte lainena. Kui see kohtub erinevate keskkondade, näiteks vee ja õhu, vahelise liidesega, peegeldub valgus osaliselt ja murdub refraktsiooni tõttu osaliselt mõnda teise keskkonda (murdumine näib murduvat pliiatsit, mis on pooleldi vee alla sukeldatud). Tilk vette tunginud valgus peegeldub enne veest väljumist üks või mitu korda selle vastasküljel. Ray vaatas tala edasi, kui see ulatus piki tilga telge ja peegeldus tagasi selle sisenemispunkti poole. Isegi mitme edasi-tagasi peegelduse korral oli efekt gloria seletamiseks liiga nõrk.
Seega peaks gloria efekti teooria ületama geomeetrilise optika piire ja võtma arvesse valguse laine olemust ja eriti sellist lainefekti nagu difraktsioon. Vastupidiselt murdumisele suureneb difraktsioon valguse lainepikkuse suurenemisega. Fakt, et gloria on difraktsiooniefekt, tuleneb asjaolust, et selle sisemine velg on lühema ja pikema lainepikkuse järgi sinine ja välimine punane.
Sfääri, näiteks veetilga difraktsiooni matemaatiline teooria, mida tuntakse Mie hajumisena, hõlmab lõpmatute summade, nn osalainete, arvutamist. Iga osaline laine on tilga suuruse, murdumisnäitaja ja põrkeparameetri keeruline funktsioon, s.o. kaugus kiirest tilga keskpunkti. Ilma kiire arvutita on erineva suurusega tilkadest hajunud Miei arvutused uskumatult keerukad. Alles 1990ndatel, kui ilmusid piisavalt kiired arvutid, saadi usaldusväärseid tulemusi pilvedele iseloomulike piiskade osas. Kuid teadlased vajavad muid uurimisvõimalusi, et mõista, kuidas see tegelikult juhtub.
Hendrik C. Van de Hulst, moodsa raadioastronoomia pioneer, 20. sajandi keskel. andis esimese olulise panuse gloria füüsika mõistmisse. Ta tõi välja, et tilk, mis tungib tilka väga lähedale selle servale, langeb tilga sees Y-kujulisele trajektoorile, peegeldub selle sisepinnalt ja naaseb tagasi peaaegu samas suunas, kuhu ta jõudis. Kuna langus on sümmeetriline kogu paralleelsete päikesekiirte kiirte hulgas, on soodne kokkupõrkeparameeter kogu silindrilise tala korral, mis langeb tilgale samal kaugusel selle keskpunktist. Sel viisil saavutatakse teravustamisefekt, mis korrutab tagasivaate.
Seletus kõlab veenvalt, kuid on üks saak. Teel tilgasse tungimisest kuni väljumiseni on valgusvihk murdunud murdumise (murdumise) tõttu. Vee murdumisnäitaja ei ole aga piisavalt suur, et tala hajub täpselt ühe sisemise peegelduse abil tahapoole. Kõige rohkem, mida tilk vett võib teha, on põrgatada tala algsest umbes 14 ° suunas.
Aastal 1957 tegi van de Hulst ettepaneku, et sellest kõrvalekaldumisest võiks üle saada täiendavate teede kaudu, mida valgus läbib tilgapinnal laine kujul. Sellised pinnalained, mis on seotud kahe meediumi liidesega, tekivad paljudes olukordades. Idee on selles, et tilgal tangentsiaalselt langev kiir läbib selle pinnast teatud vahemaa, tungib tilka ja lööb selle tagumisele sisepinnale. Siin libiseb see jälle mööda sisepinda ja peegeldub tagasi langusse. Ja pinna viimasel raja lõigul peegeldub kiir sellest ja väljub tilgast. Efekti põhiolemus on see, et tala hajub tagasi samas suunas, kuhu ta tuli.
Selle seletuse võimalik nõrkus oli see, et pinnalainete energia kulub tangentsiaalsele teele. Van de Hulst tegi ettepaneku, et seda summutust kompenseerib enam aksiaalse teravustamisega. Ajal, mil ta selle oletuse sõnastas, polnud ühtegi meetodit pinnalainete panuse kvantitatiivseks määramiseks.
Sellegipoolest pidi kogu teave gloria füüsiliste põhjuste kohta, sealhulgas pinnalainete roll, olema selgesõnaliselt hõlmatud Mie osaliste lainete seeriaga.
Põhjus peidab arvuti
Gloria mõistatuse võimalik lahendus ei seisne ainult pinnalainetes. 1987. aastal Warren Wiscombe kosmoselennukeskusest. Goddard NASA-s (Greenbelt, Maryland) ja mina pakkusime välja uue lähenemisviisi difraktsioonile, milles väljaspool sfääri liikuvad valguskiired võivad anda olulise panuse. Esmapilgul tundub see absurdne. Kuidas saab tilk mõjutada valguskiirt, mis seda ei läbi? Lainetel ja eriti kergetel lainetel on ebatavaline võime "tunnelisse" jõuda või tõkkest tungida. Näiteks võib valgusenergia teatud tingimustel välja voolata, kui võiks arvata, et valgus peaks antud keskkonda jääma.
Tavaliselt peegeldub sellises keskkonnas nagu klaas või vesi levitav valgus täielikult madalama murdumisnäitajaga, näiteks õhuga, liidese kaudu, kui valgusvihk tabab seda pinda piisavalt väikese nurga all. Näiteks hoiab see täielik sisemise peegeldusefekt signaali optilise kiu sees. Isegi kui valgus on täielikult peegeldunud, ei kao valguslaine moodustavad elektri- ja magnetväljad kohe liidesest kaugemale. Tegelikult tungivad need väljad lühikese vahemaa tagant (valguse laine lainepikkuse suurusjärgus) piiri niinimetatud "ebaühtlase laine" kujul. Selline laine ei kanna energiat liidesest kaugemale, vaid moodustab selle pinnale võnkevälja, mis sarnaneb kitarrikeelega.
See, mida ma just kirjeldasin, ei sisalda veel tunneliefekti. Kui aga kolmas sööde paigutatakse piirist kaugemale kui ebahomogeense laine pikkus, siis jätkub valgus oma levimist sellesse keskkonda, pumbates sinna energiat. Selle tulemusel nõrgeneb sisemine peegeldus esimeses keskkonnas ja valgus tungib (tunnelitesse) läbi vahekeskkonna, mis oli tõkkeks.
Oluline tunneldamine toimub ainult siis, kui kahe kandja vahe ei ületa märkimisväärselt ühte lainepikkust, s.o. nähtava valguse korral mitte üle poole mikroni. Newton täheldas seda nähtust juba 1675. aastal. Ta uuris häirete mustrit, mida nüüd tuntakse Newtoni rõngastena, mis ilmneb tasapinnalise kumera läätse kandmisel tasapinnalisele klaasplaadile. Rõngaid tuleb jälgida ainult siis, kui valgus läheb läätselt otse plaati. Newton leidis, et ka siis, kui läätse pinda plaadilt eraldas väga väike vahemaa, s.t. kaks pinda ei olnud üksteisega kontaktis, osa valgust, mis oleks pidanud läbima täieliku sisemise peegelduse, tungis selle asemel läbi pilu.
Tunneldamine on selgelt vastupidine. Füüsik Georgy Gamov paljastas selle nähtuse kvantmehaanikas esimesena. 1928. aastal selgitas ta oma abiga, kuidas teatud radioaktiivsed isotoobid võivad alfaosakesi eraldada. Ta näitas, et tuuma sees olevatel alfaosakestel pole piisavalt energiat, et raskest tuumast lahti saada, nii nagu kahurikuul ei jõua põgenemiskiirusele ja murda Maa gravitatsiooniväljalt ära. Ta suutis näidata, et selle laine iseloomu tõttu võib alfaosake ikkagi barjäärist läbi tungida ja tuumast lahkuda.
Vastupidiselt levinud arvamusele pole tunneldamine siiski üksnes puhtalt kvantmõju; seda täheldatakse ka klassikaliste lainete puhul. Veepiisast väljaspool pilves liikuv päikesekiir võib vastupidiselt intuitiivsetele ootustele tungida läbi tunneliefekti ja seega aidata kaasa gloria tekkele.
Meie esialgne töö Wiskombiga oli seotud valguse hajumise uurimisega täielikult peegeldavatel hõbedastel kuulidel. Leidsime, et väljaspool sfääri kulgeva kiirguse osalised lained võivad tunneli selle pinna poole tunnistada ja kui see annab difraktsioonile olulise panuse, kui kaugus tilga pinnast pole liiga suur.
Läbipaistvate kerade, näiteks veepiiskade korral võib valgus pärast nende pinnale tunneldamist tungida sissepoole. Seal lööb see kera sisepinda piisavalt väikese nurga all, et läbi viia täielik sisemine peegeldus, ja jääb seetõttu tilga sisse kinni. Sarnast nähtust täheldatakse helilainete puhul näiteks kuulsas sosistamisgaleriis St. Paul Londonis. Inimest, kes sosistab ühe seina poole vaadates, saab vastasseina ääres kuulda, sest heli läbib ümaratelt seintelt mitu peegeldust.
Valguse korral võib tilka tunnelisse sattunud laine tunneldamise tõttu selle ka jätta. Teatud lainepikkuste korral võimendatakse pärast mitmekordseid sisemisi peegeldusi laine konstruktiivsete häiretega, moodustades nn Mie resonantsi. Seda efekti saab võrrelda tõugetest põhjustatud kiige kiigumisega, mille sagedus langeb kokku nende loomuliku sagedusega. Seoses akustilise analoogiaga nimetatakse neid resonantseid ka sosistavaks galeriiefektiks. Isegi resonantsi purustamiseks piisab isegi väikesest lainepikkuse muutumisest; seetõttu on Mi resonants eriti terav ja suurendab intensiivsust märkimisväärselt.
Kokkuvõtlikult võib öelda, et gloria fenomeni mõjutavad kolm efekti: aksiaalne tagasilöök, mida Ray vaatles vastavalt geomeetrilisele optikale; äärelained, sealhulgas van de Hulsti pinnalained; Tunneldamisel tekkivad Mie resonantsid. Aastal 1977, siis Vijay Khare, siis Rochesteri ülikoolis, hindasin äärekiirte, sealhulgas van de Hulsti lainete panust. Resonantsi vaatas üle 1994. aastal Rio de Janeiro föderaalsest ülikoolist pärit Luiz Gallisa Guimaraes. 2002. aastal teostasin üksikasjaliku analüüsi, milline kolmest mõjust on kõige olulisem. Selgus, et aksiaalse tagasihajumise panus on tühine ja kõige olulisem on äärepoolse tunneldamise tagajärjel tekkivate resonantside mõju. Sellest järeldub vältimatu järeldus:gloria on valguse tunneldamise makroskoopiline toime.
Gloria ja kliima
Lisaks gloriaprobleemile puhta intellektuaalse rahulduse pakkumisele on valguse tunneliefektil ka praktilisi rakendusi. Sosistavat galeriiefekti on kasutatud mikroskoopilistel veepiiskadel, kõvadel mikrokeradel ja mikroskoopilistel ketastel põhinevate laserite loomiseks. Kerget tunneldamist on hiljuti kasutatud puutetundlikel ekraanidel. Ekraanile lähenev sõrm toimib Newtoni objektiivina, võimaldades valgust ekraani sees tunneldada, hajutada vastassuunas ja genereerida signaali. Tunneldamisel tekkivat ebahomogeenset valguslainet kasutatakse sellises olulises tehnoloogias nagu serva lähedane mikroskoopia, mille abil saab lahendada detaile, mis on väiksemad kui valguse lainepikkus, rikkudes sellega niinimetatud difraktsioonipiiri.mis sellise suurusega objektide tavamikroskoopia korral annab häguse pildi.
Veepiiskade valguse hajumise mõistmine on eriti oluline pilvede rolli hindamisel kliimamuutustes. Vesi on spektri nähtavates osades väga läbipaistev, kuid sarnaselt süsinikdioksiidi ja muude kasvuhoonegaasidega neelab see mõnes piirkonnas infrapunakiirgust. Kuna Mie resonantsi seostatakse tavaliselt väga suure hulga sisemise peegeldumisega, suudab väike tilk absorbeerida olulise osa radiatsioonist, eriti kui vesi sisaldab lisandeid. Tekib küsimus: kas pilvekate, kuna selle keskmine tihedus muutub, hoiab Maa jahedas, peegeldades suurema osa päikesevalgusest kosmosesse, või aitab see kaasa selle soojenemisele, toimides täiendava tekina, mis püüab infrapunakiirgust kinni?
Kuni kümme aastat tagasi modelleeriti pilvede poolt hajutatud valguse hajumist Mie resonantside arvutamise teel suhteliselt väikesele tilkade suurusele, mida peeti tüüpiliste pilvede esindajaks. See vähendas superarvuti loendamisaega, kuid tekitas ootamatu lõksu. Nagu ma 2003. aastal näitasin, võivad vikerkaare ja gloria analüüsimiseks omaenda meetodeid kasutades standardse modelleerimise meetodid põhjustada kitsastes spektriribades vigu kuni 30%. Seega on eelnevalt valitud suurusega tilkadelt hajutatuse arvutamisel lihtne jätta tähelepanuta paljude kitsaste resonantside oluline panus, mis on seotud keskmise suurusega tilkadega. Näiteks kui arvutus viidi läbi ühe, kahe, kolme jne läbimõõduga tilkade kohta. mikronit, läbiti väga kitsas resonants 2,4 mikroni juures. Minu ennustus leidis kinnitust 2006. aastal. Uuringutes, milles võeti arvesse tilkade suuruse tegelikku jaotumist atmosfääris, on viimastel aastatel mudeleid täiustatud, võttes arvesse tilkasid, mille suurused on jaotatud palju väiksemateks intervallideks.
Nagu Wigner ennustas, pole isegi täiusliku superarvuti abil saadud tulemused usaldusväärsed, kui need pole füüsilise mõtte poolt valgustatud. Mõelda on midagi, eriti kui järgmine kord on teie iste lennukis akna ääres.
