Yhden meteorologian kauneimmista ilmiöistä selittäminen vaatii erittäin hienostunutta lähestymistapaa. Sen opiskelu auttaa ymmärtämään myös pilvien roolia ilmastomuutoksessa.
Jos olet päivälennolla, ota ikkunapaikka. Ja sitten saatat nähdä koneen varjon pilvissä. Mutta sinun on otettava huomioon lentosuunta auringon suhteen. Jos olet onnekas, sinut palkitaan ja voit tarkkailla viehättävää näkymää - moniväristä haloa, joka kehyttää lentokoneen varjon. Sitä kutsutaan "gloria". Sen alkuperä johtuu monimutkaisemmasta vaikutuksesta kuin sateenkaaren ulkonäkö. Tämä ilmiö on vaikuttavin, jos pilvet ovat lähellä, sen jälkeen se ulottuu aivan horisonttiin.
Jos olet vuorikiipeilijä, voit tarkkailla gloriaa pian auringonnousun jälkeen pään heittämän varjon ympärillä lähimmälle pilvelle. Esittelemme täällä ensimmäisen raportin, jonka mukaan ranskalaiset retkikunnan jäsenet havaitsivat tällaista ilmiötä nykyisen Ecuadorin alueella sijaitsevalle Pambamarcan vuoren huippukokoukselle, julkaistiin kymmenen vuotta nousun jälkeen, vuonna 1748.”Meitä peittävä pilvi alkoi hajota ja nousevan auringon säteet lävittivät sitä. Ja sitten jokainen meistä näki varjomme heitettynä pilvelle. Merkittävin oli havaittavissa halo tai gloria, joka koostuu kolmesta tai neljästä pienestä samankeskisestä, värikkästä ympyrästä pään ympärillä. Yllättävintä oli, että ryhmän kuudesta tai seitsemästä jäsenestä jokainen havaitsi tämän ilmiön vain oman pään varjossa,En ole koskaan nähnyt mitään tällaista tovereideni varjojen ympärillä."
Monet tutkijat uskoivat, että itä- ja länsimaisen ikonografian jumaluuksien ja keisarien kuvissa olevat halot edustavat taiteellista kiinnostusta gloria-ilmiöön. (Löydämme tämän olettaman allegoidun vahvistuksen kuuluisasta Samuel Taylor Coleridgen runosta "Uskollisuus ihanteelliseen kuvaan"). XIX luvun lopulla. Skotlantilainen fyysikko Charles Thomson Rees Wilson keksi "pilvikameran" (venäjän terminologiassa - Wilsonin kammio) ja yritti toistaa tämän ilmiön laboratoriossa.
Hän epäonnistui, mutta tajusi nopeasti, että kameraa voidaan käyttää hiukkasten rekisteröintiin, ja siksi se sai Nobel-palkinnon. Tarkkailijan tai lentokoneen varjolla ei ole merkitystä glorian muodostumisessa. Ainoa asia, joka heitä yhdistää, on se, että varjo vahvistaa suunnan, joka on juuri päinvastainen kuin aurinko. Tämä tarkoittaa, että gloria on takaisinottava vaikutus, joka taipuu auringonvaloon lähes 180 °. Saatat ajatella, että tällainen tunnettu vaikutus, joka kuuluu sellaiseen kunnioitettavaan fysiikan kenttään kuin optiikka, olisi epäilemättä pitänyt selittää kauan sitten. Siitä huolimatta tämän selittäminen vuoden 1748 raportin kirjoittajien mukaan "niin vanha vaikutus kuin maailma" on esittänyt tutkijoille vakavan haasteen vuosisatojen ajan. Jopa sateenkaari on monimutkaisempi ilmiö kuin kuinka fysiikan oppikirjat kuvaavat sitä. Lisäksi glorian muodostumismekanismi on vielä monimutkaisempi.
Periaatteessa sekä gloria että sateenkaari selitetään tavallisella teoreettisella optiikalla, joka oli olemassa jo 1900-luvun alussa. Tämän ansiosta saksalainen fyysikko Gustav Mie sai tarkan matemaattisen ratkaisun vesipisaran avulla tapahtuvan valonsironnan prosessiin. Paholainen on kuitenkin yksityiskohdissa. Mie-menetelmä sisältää termien, ns. Osaaaltojen, lisäämisen. Yhteenvetona tarvitaan ääretön määrä tällaisia termejä, ja vaikka äärellinen määrä niistä on käytännössä merkitsevä, Meen menetelmä vaatii satojen ja tuhansien erittäin monimutkaisten lausekkeiden laskemista.
Jos kirjoitat ne tietokoneeseen, se antaa oikean tuloksen, mutta on mahdotonta ymmärtää, mitkä fysikaaliset prosessit ovat vastuussa havaituista vaikutuksista. Ratkaisu Mi-tyypillinen matemaattinen "musta ruutu": kirjoita perustiedot siihen, ja se antaa tuloksen. Tässä yhteydessä on syytä muistaa Nobel-palkinnon saajan Eugene Paul Wignerin huomautus:”On hienoa, että tietokone ymmärsi ongelman. Mutta haluaisin myös ymmärtää häntä. " Sokea usko numeroiden hiomiseen raa'alla voimalla voi johtaa vääriin johtopäätöksiin, kuten alla esitetään.
Aloin vuonna 1965 kehittää tutkimusohjelmaa, joka johtaisi muun muassa glorian täydelliseen fyysiseen selitykseen. Ja tämä tavoite, matkalla johon useat yhteistyökumppanit auttoivat minua, saavutettiin vuonna 2003. Ratkaisu perustui ottamaan huomioon aaltotunnelointi, joka on yksi salaperäisimmistä fyysisistä vaikutuksista, joita Isaac Newton havaitsi ensimmäisen kerran vuonna 1675. Aallotunneloinnin taustalla yksi nykyaikaisista kosketusnäytöistä, joita käytetään tietokoneissa ja matkapuhelimissa. On myös tärkeää ottaa se huomioon vaikeimman ja tärkeimmän ongelman ratkaisemiseksi, miten ilmakehän aerosolit, joihin kuuluvat pilvet sekä pöly- ja nokihiukkaset, vaikuttavat ilmastomuutokseen.
Mainosvideo:
Aallot ja hiukkaset
Useiden vuosisatojen ajan tutkijat ovat tarjonneet erilaisia selityksiä glorialle, mutta ne kaikki osoittautuivat väärin. XIX luvun alussa. Saksalainen fyysikko Josef von Fraunhofer ehdotti, että auringonvalo olisi hajallaan, ts. heijastunut takaisin pilvien syvyydessä olevien tippojen avulla diffraktoituu pintakerroksessa oleviin tippoihin. Diffraktio on ilmiö, joka liittyy valon aallon luonteeseen ja antaa sen "katsoa nurkan takana", aivan kuten meren aallot kiertävät esteen ympäri ja leviävät edelleen, ikään kuin sitä ei olisi ollenkaan.
Fraunhoferin ajatuksena oli, että tämä kaksinkertaisesti hajallaan oleva valo muodostaa kuun ympäröivissä pilvissä koronaa muistuttavat värilliset diffraktiorenkaat. Intialainen fyysikko Bidhu Bhusan Ray kielsi kuitenkin vuonna 1923 Fraunhoferin ehdotuksen. Keinotekoisia pilviä koskevien kokeilujen tuloksena Ray osoitti, että kirkkauden ja värien jakautuminen gloriassa ja koronassa on erilainen ja että ensimmäinen tapahtuu suoraan pilven ulkopinnoissa vesipisaroiden aiheuttaman yhden takaisinsirron seurauksena.
Ray yritti selittää tämän takaisinsirron geometrisella optiikalla, joka on historiallisesti liittynyt valonsisäiseen valoteoriaan, jonka mukaan valo kulkee pikemminkin suorasäteinä kuin aallona. Kun se kohtaa raja-arvon erilaisten väliaineiden, kuten veden ja ilman, välillä, valo heijastuu osittain ja tunkeutuu osittain toiseen väliaineeseen taittumisen takia (taittuminen tekee kynästä, joka on veden alle upotettu, näyttävän olevan rikki). Vesipisaraan tunkeutunut valo heijastuu yhden tai useamman kerran sen vastakkaiselle sisäpinnalle ennen poistumista. Ray katsoi sädettä etenevän pisaran akselia pitkin ja heijastui takaisin kohti lähtöpistettä. Kuitenkin jopa monilla edestakaisin heijastuksilla, vaikutus oli liian heikko selittämään gloriaa.
Siksi gloria-ilmiön teorian tulisi ylittää geometrisen optiikan rajat ja ottaa huomioon valon aalto-luonne ja erityisesti sellainen aalto-vaikutus kuin diffraktio. Vastoin taittumista, diffraktio kasvaa valon aallonpituuden kasvaessa. Se, että gloria on diffraktiivinen vaikutus, johtuu siitä, että sen sisäreuna on sininen ja ulompi on punainen lyhyemmän ja pidemmän aallonpituuden mukaisesti.
Maan matemaattinen teoreettinen diffraktio pallojen, kuten vesipisaran, avulla, joka tunnetaan nimellä Mie sironta, sisältää äärettömien termisummien, ns. Osaaaltojen, laskemisen. Jokainen osa-aalto on pisaroiden koon, taitekertoimen ja törmäysparametrin kompleksinen funktio, ts. etäisyys säteestä pudotuksen keskikohtaan. Ilman nopeaa tietokonetta Mie-arvon laskeminen erikokoisista pisaroista on uskomattoman monimutkaista. Vasta 1990-luvulla, kun riittävän nopeat tietokoneet ilmestyivät, saatiin luotettavia tuloksia pilvien ominaiskokokoisille pisaroille. Mutta tutkijat tarvitsevat muita tapoja tutkia ymmärtääksesi miten tämä todella tapahtuu.
Hendrik C. Van de Hulst, modernin radioastronomian edelläkävijä, 1900-luvun puolivälissä. antoi ensimmäisen merkittävän panoksen glorian fysiikan ymmärtämiseen. Hän huomautti, että tippuun hyvin lähellä sen reunaa oleva pisaraan tunkeutuva valonsäde kulkee Y: n muotoista rataa pitkin, heijastuu sen sisäpinnalta ja palaa takaisin melkein samaan suuntaan kuin tuli. Koska pudotus on symmetrinen koko yhdensuuntaisten auringonsäteiden säteen keskuudessa, toteutetaan suotuisa törmäysparametri koko niiden lieriömäiselle sädelle, joka putoaa pudotukseen samalla etäisyydellä sen keskustasta. Tällä tavalla saavutetaan tarkennusvaikutus, joka moninkertaistaa takaisinsiron.
Selitys kuulostaa vakuuttavalta, mutta siellä on yksi salaisuus. Matkalla pisaran tunkeutumisesta poistumiseen siitä, palkki taipuu taittumisen (taittumisen) takia. Veden taitekerroin ei kuitenkaan ole riittävän suuri, jotta säde voidaan hajottaa tarkalleen taaksepäin yhdellä sisäisellä heijastuksella. Enemmän, mitä tippa vettä voi tehdä, on pomppia palkki suuntaan noin 14 ° alkuperäiseen nähden.
Vuonna 1957 van de Hulst ehdotti, että tämä poikkeama voitettaisiin lisäreiteillä, joita valo kulkee aallon muodossa pisaroiden pintaa pitkin. Tällaisia pinta-aaltoja, jotka on sidottu kahden median väliseen rajapintaan, esiintyy monissa tilanteissa. Ajatuksena on, että tangentiaalisesti pisaralle tuleva säde kulkee jonkin matkan pintaansa pitkin, tunkeutuu pisaraan ja osuu sen sisäpintaan. Täällä se liukuu jälleen sisäpintaa pitkin ja heijastuu takaisin pudotukseen. Ja viimeisellä pinnan segmentillä pintaa pitkin säteily heijastuu siitä ja poistuu pudotuksesta. Vaikutuksen ydin on, että palkki on hajallaan takaisin samaan suuntaan kuin se tuli.
Tämän selityksen mahdollinen heikkous oli se, että pinta-aaltojen energia kuluu tangentiaaliselle polulle. Van de Hulst ehdotti, että tämä vaimennus korvataan enemmän kuin aksiaalinen tarkennus. Ajankohtana, jolloin hän muotoili tämän arvelun, ei ollut menetelmiä pinta-aaltojen vaikutuksen kvantitatiiviseksi määrittämiseksi.
Siitä huolimatta, kaikki tiedot glorian fyysisistä syistä, mukaan lukien pinta-aaltojen rooli, piti sisällyttää nimenomaisesti Mie-osa-aaltojen sarjaan.
Syy tappioi tietokoneen
Mahdollinen ratkaisu gloria-palapeliin ei koske pelkästään pinta-aaltoja. Vuonna 1987 Warren Wiscombe avaruuslentokeskuksesta. Goddard NASAssa (Greenbelt, Maryland) ja minä olemme ehdottaneet uutta lähestymistapaa diffraktioon, jossa pallon ulkopuolella kulkevat valonsäteet voivat antaa merkittävän panoksen. Ensi silmäyksellä tämä vaikuttaa järjetömältä. Kuinka tippa voi vaikuttaa valonsäteeseen, joka ei läpäise sitä? Aalloilla ja erityisesti kevyillä aalloilla on epätavallinen kyky "tunneloida" tai tunkeutua esteeseen. Esimerkiksi valoenergia voi tietyissä olosuhteissa valua ulkopuolelta, kun uskotaan, että valon tulisi pysyä annetussa ympäristössä.
Tyypillisesti väliaineessa, kuten lasissa tai vedessä leviävä valo heijastuu kokonaan rajapinnasta väliaineella, jolla on alhaisempi taitekerroin, kuten ilmalla, jos säde osuu tälle pinnalle riittävän pienessä kulmassa. Esimerkiksi tämä kokonainen sisäinen heijastusvaikutus pitää signaalin optisen kuidun sisällä. Vaikka valo heijastuisi kokonaan, valoaallon muodostavat sähkö- ja magneettikentät eivät katoa heti rajapinnan ulkopuolella. Itse asiassa nämä kentät tunkeutuvat rajaan lyhyen matkan (valoaallon aallonpituuden luokkaa kohti) ns. "Epäyhtenäisen aallon" muodossa. Tällainen aalto ei kuljeta energiaa rajapinnan ulkopuolella, mutta muodostaa sen pinnalle värähtelevän kentän, samanlainen kuin kitaran kieli.
Juuri kuvaamani ei vielä sisällä tunnelointitehostetta. Jos kolmas väliaine sijoitetaan kuitenkin etäisyydelle rajasta vähemmän kuin epähomogeenisen aallon pituus, valo jatkaa etenemistään tähän väliaineeseen pumppaamalla sinne energiaa. Seurauksena ensimmäisen väliaineen sisäinen heijastus heikkenee ja valo tunkeutuu (tunneleihin) väliaineen läpi, joka toimi esteenä.
Merkittävä tunnelointi tapahtuu vain, jos kahden median välinen rako ei ylitä merkittävästi yhtä aallonpituutta, ts. enintään puoli mikronia näkyvän valon tapauksessa. Newton havaitsi tämän ilmiön jo vuonna 1675. Hän tutki häiriökuviota, jota nykyään kutsutaan Newtonin renkaiksi, joka esiintyy, kun tasokumper linssi asetetaan tasaiselle lasilevylle. Renkaat olisi tarkkailtava vain silloin, kun valo kulkee suoraan linssistä levyyn. Newton havaitsi, että silloinkin, kun linssin pinta levystä erotettiin hyvin pienellä etäisyydellä, ts. nämä kaksi pintaa eivät olleet kosketuksissa toisiinsa, osa valosta, jonka piti olla kokenut sisäinen sisäinen heijastus, sen sijaan tunkeutui raon läpi.
Tunnelointi on selvästi vastaintuitiivista. Fyysikko Georgy Gamov paljasti ensimmäisen ilmiön kvanttimekaniikassa. Vuonna 1928 hän selitti hänen avullaan, kuinka tietyt radioaktiiviset isotoopit voivat emittoida alfahiukkasia. Hän osoitti, että ytimen sisällä olevilla alfahiukkasilla ei ole tarpeeksi energiaa irtautua raskasydinnästä, aivan kuin tykkipallo ei pysty saavuttamaan poistumisnopeutta ja murtautumaan maan gravitaatiokentästä. Hän pystyi osoittamaan, että sen aalto-luonteen vuoksi alfahiukkaset voivat silti tunkeutua esteeseen ja poistua ytimestä.
Vastoin yleistä käsitystä tunnelointi ei kuitenkaan ole pelkästään puhtaasti kvanttivaikutusta; sitä havaitaan myös klassisten aaltojen tapauksessa. Pilven alla vesipisaran läpi kulkeva auringonsäde voi päinvastoin kuin intuitiivinen odotus tunkeutua siihen tunnelointivaikutuksen kautta ja siten osaltaan edistää glorian luomista.
Alkuperäinen työmme Wiskombin kanssa koski valon sirontatutkimusta heijastamalla täysin hopeapalloja. Havaitsimme, että pallon ulkopuolella kulkevan säteen osittaiset aallot voivat tunnelin sen pintaan, mikäli etäisyys pisaran pintaan ei ole liian suuri, vaikuttaa merkittävästi diffraktioon.
Läpinäkyvissä palloissa, kuten vesipisaroissa, valo voi tunkeutua pintaansa tunkeutumisen jälkeen. Siellä se iskee pallon sisäpintaan kulmassa, joka on riittävän pieni kuljettamaan sisäinen sisäinen heijastus, ja pysyy sen vuoksi loukussa pudotuksen sisällä. Samanlainen ilmiö havaitaan ääniaalloissa, esimerkiksi kuuluisassa Whispering-galleriassa St. Paul Lontoossa. Yksi seinää kohden kuiskaava henkilö voidaan kuulla etäältä vastakkaiselta seinältä, koska ääni käy läpi useita heijastuksia pyöristetyistä seinistä.
Pimeään tunkeutunut aalto voi kuitenkin valon tapauksessa myös poistua siitä tunneloinnin takia. Tietyillä aallonpituuksilla, monien sisäisten heijastusten jälkeen, aalto vahvistetaan rakentavalla häiriöllä, muodostaen ns Mie-resonanssin. Tätä vaikutusta voidaan verrata vaikeuksista johtuvaan heilahteluun, jonka taajuus vastaa niiden luonnollista taajuutta. Näitä resonansseja kutsutaan akustisen analogian yhteydessä myös kuiskaavaksi galleriaefektiksi. Jopa pieni muutos aallonpituudessa riittää resonanssin rikkoutumiseen; siksi Mi-resonanssit ovat erittäin teräviä ja lisäävät voimakkuutta merkittävästi.
Yhteenvetona voidaan sanoa, että kolme vaikutusta myötävaikuttavat gloria-ilmiöön: aksiaalinen takaisinsironta, jota Ray tarkasteli geometrisen optiikan mukaisesti; reuna-aallot, mukaan lukien van de Hulst -pinta-aallot; Mie tunneloinnista johtuvat resonanssit. Vuonna 1977 Vijay Khare, sitten Rochesterin yliopistossa, arvioin reunasäteiden, mukaan lukien van de Hulst -aaltojen, vaikutuksen. Rio de Janeiron liittovaltion yliopiston Luiz Gallisa Guimaraes arvioi resonanssit vuonna 1994. Vuonna 2002 tein yksityiskohtaisen analyysin, mikä kolmesta vaikutuksesta on tärkein. Kävi ilmi, että aksiaalisen takaisinsirron vaikutus on vähäinen, ja merkittävin on reuna-alueiden tunneloinnista johtuvien resonanssien vaikutus. Tästä seuraa väistämätön johtopäätös:gloria on valotunneloinnin makroskooppinen vaikutus.
Gloria ja ilmasto
Sen lisäksi, että valon tunnelointitehoste tarjoaa puhdasta henkistä tyytyväisyyttä gloria-ongelmaan, sillä on käytännöllisiäkin sovelluksia. Kuiskaavaa galleriavaikutusta on käytetty laserien luomiseen, jotka perustuvat mikroskooppisiin vesipisaroihin, koviin mikropalloihin ja mikroskooppisiin levyihin. Kevyttä tunnelointia on viime aikoina käytetty kosketusnäytöissä. Näyttöä lähestyvä sormi toimii Newtonin linssinä, joka antaa valon tunneloida näytön sisällä, sirotella vastakkaiseen suuntaan ja tuottaa signaalin. Tunneloinnilla tuotettua epähomogeenista valoaaltoa käytetään sellaisessa tärkeässä tekniikassa kuin lähellä reunaa oleva mikroskopia, jota voidaan käyttää valon aallonpituutta pienempiä yksityiskohtien ratkaisemiseen, jolloin rikotaan ns. Diffraktioraja.joka tavanomaisessa mikroskopiassa tämän kokoisille kohteille antaa epäselvän kuvan.
Vesipisaroiden valon siron ymmärtäminen on erityisen tärkeää arvioida pilvien roolia ilmastomuutoksessa. Vesi on erittäin läpinäkyvää spektrin näkyvällä alueella, mutta, kuten hiilidioksidi ja muut kasvihuonekaasut, se absorboi infrapunasäteilyä joissakin kaistoissa. Koska Mie-resonansseihin liittyy yleensä hyvin suuri määrä sisäisiä heijastustapahtumia, pieni pisara voi absorboida merkittävän osan säteilystä, varsinkin jos vesi sisältää epäpuhtauksia. Esiintyy kysymys: pitääkö pilvipeite sen keskimääräisen tiheyden muuttuessa pitämään maapallon viileänä heijastamalla suurimman osan auringonvalosta avaruuteen vai vaikuttaako se sen lämpenemiseen toimimalla lisähuovana, joka vangitsee infrapunasäteilyn?
Noin kymmeneen vuoteen asti pilvien hajonnan mallinnus suoritettiin laskemalla Mie-resonanssit suhteellisen pienelle pisarakokojen joukolle, joita pidettiin tyypillisten pilvien edustavina. Tämä vähensi supertietokoneen laskemisaikaa, mutta aiheutti odottamattoman ansaan. Kuten osoitin vuonna 2003, käyttämällä omia menetelmiäni sateenkaaren ja glorian analysoimiseksi, standardimallinnusmenetelmät voivat johtaa virheisiin jopa 30% joillakin kapeilla spektrikaistoilla. Siten laskettaessa sirontaa pisaroista, joilla on ennalta valitut koot, on helppo hukata tärkeä osuus monista kapeista resonansseista, jotka liittyvät keskikokoisiin pisaroihin. Esimerkiksi, jos laskelma suoritettiin pisaroille, joiden halkaisija on yksi, kaksi, kolme jne. mikronia, erittäin kapea resonanssi siirrettiin 2,4 mikronilla. Ennusteeni vahvistui vuonna 2006. Tutkimuksissa, joissa otettiin huomioon pisarakokojen todellinen jakautuminen ilmakehässä, viime vuosina malleja on parannettu ottamalla huomioon pisarat, joiden koot on jaoteltu huomattavasti pienempiin väliajoihin.
Kuten Wigner on ennustanut, jopa täydellisellä supertietokoneella saadut tulokset, jos niitä ei valaista fyysisen ajattelun avulla, eivät ole uskottavia. On jotain ajateltavaa, varsinkin jos ensi kerralla istuimesi koneessa on ikkunan vieressä.