Vysvětlení jednoho z nejkrásnějších jevů v meteorologii vyžaduje velmi sofistikovaný přístup. Jeho studium také pomáhá pochopit roli mraků ve změně klimatu.
Pokud jste na denním letu, sedněte si prosím do okna. A pak možná budete moci vidět stín letadla na oblacích. Musíte však vzít v úvahu směr letu vzhledem ke slunci. Pokud budete mít štěstí, budete odměněni a budete moci pozorovat malebný pohled - vícebarevný halo, které ohraničuje stín dopravního letadla. Říká se tomu „gloria“. Její původ je složitější než výskyt duhy. Tento jev bude nejpůsobivější, budou-li mraky blízko, od té doby sahá až do samého horizontu.
Jste-li horolezec, můžete pozorovat glorii brzy po východu slunce kolem stínu vrženého hlavou na nejbližší oblak. Předkládáme zde první zprávu o pozorování takového jevu členy francouzské expedice na vrchol hory Pambamarca na území dnešního Ekvádoru, která byla zveřejněna deset let po výstupu, v roce 1748. „Mrak, který nás kryl, se začal rozptýlit a paprsky vycházejícího slunce ho propíchly. A pak každý z nás viděl náš stín vržený v oblaku. Nejpozoruhodnější jsme zjistili vzhled svatozářky nebo glorie, skládající se ze tří nebo čtyř malých soustředných, zářivě zbarvených kruhů kolem hlavy. Nejpřekvapivější bylo, že ze šesti nebo sedmi členů skupiny každý pozoroval tento jev pouze kolem stínu své vlastní hlavy,Nikdy jsem neviděl nic podobného kolem stínů mých soudruhů. “
Mnoho vědců se domnívalo, že halo na obrazech božstev a císařů ve východní a západní ikonografii představuje uměleckou fixaci fenoménu glorie. (Nacházíme alegorické potvrzení tohoto předpokladu ve slavné básni Samuela Taylora Coleridge "Fidelity to Ideal Image"). Na konci XIX. Století. Skotský fyzik Charles Thomson Rees Wilson vynalezl „cloudovou“kameru (v ruské terminologii - Wilsonova komora) a pokusil se tento jev reprodukovat v laboratoři.
Selhal, ale rychle si uvědomil, že fotoaparát lze použít k registraci částic, a v důsledku toho byla udělena Nobelova cena. Stín pozorovatele nebo letounu nehraje při formování glorie žádnou roli. Jedinou věcí, která je spojuje, je to, že stín opraví směr přesně opačný než směr Slunce. To znamená, že glorie je zpětný rozptyl, který odkloní sluneční světlo o téměř 180 °. Možná si myslíte, že takový známý efekt patřící do tak ctihodného pole fyziky, jako je optika, by měl být nepochybně vysvětlen už dávno. Nicméně, vysvětlit toto, podle autorů zprávy 1748, “účinek jak starý jako svět,” představoval vážnou výzvu k vědcům po celá staletí. Dokonce i duha je složitějším fenoménem, než jak to popisují učebnice elementární fyziky. Mechanismus formování glorie je navíc ještě komplikovanější.
V zásadě jsou gloria i duha vysvětlovány pomocí standardní teoretické optiky, která již existovala na počátku 20. století. To umožnilo německému fyzikovi Gustavovi Mieovi získat přesné matematické řešení pro proces rozptylu světla kapkou vody. Ďábel je však v detailech. Metoda Mie zahrnuje přidání termínů, tzv. Parciálních vln. Je třeba shrnout nekonečný počet těchto výrazů, a ačkoli je jejich konečný počet prakticky významný, Meeova metoda vyžaduje výpočet stovek a tisíců velmi složitých výrazů.
Pokud je zadáte do počítače, bude to mít správný výsledek, ale není možné pochopit, které fyzikální procesy jsou zodpovědné za pozorované účinky. Řešení Mi-typické matematické „černé pole“: do něj zadejte počáteční data a výsledkem bude výsledek. Je vhodné si zde připomenout poznámku laureáta Nobelovy ceny Eugena Paula Wignera: „Je skvělé, že počítač problém pochopil. Ale rád bych jí také porozuměl. ““Slepá víra v broušení čísel hrubou silou může vést k nesprávným závěrům, jak bude ukázáno níže.
V roce 1965 jsem se pustil do vývoje výzkumného programu, který by mimo jiné vedl k úplnému fyzickému vysvětlení glorie. A tohoto cíle, na cestě, které mi pomohlo několik spolupracovníků, bylo dosaženo v roce 2003. Řešení bylo založeno na zohlednění vlnového tunelování, jednoho z nejzáhadnějších fyzikálních efektů, které Isaac Newton poprvé pozoroval v roce 1675. Vlnové tunelovací podloží jeden z typů moderních dotykových obrazovek používaných v počítačích a mobilních telefonech. Je také důležité zvážit to při řešení nejobtížnějšího a nejdůležitějšího problému, jak atmosférické aerosoly, které obsahují mraky, jakož i částice prachu a sazí, ovlivňují změnu klimatu.
Propagační video:
Vlny a částice
Vědci již několik století nabízejí různá vysvětlení pro glorii, ale ukázalo se, že jsou všichni nesprávní. Na začátku XIX. Století. Německý fyzik Josef von Fraunhofer navrhl, že sluneční světlo je rozptýleno, tj. odráží se zpět, kapkami v hloubce mraku se rozptyluje na kapky v jeho povrchové vrstvě. Difrakce je jev spojený s vlnovou povahou světla a umožňuje mu "dívat se za roh", stejně jako mořské vlny obcházejí překážku a šířit se dál, jako by vůbec neexistovala.
Fraunhoferova myšlenka byla taková, že toto dvojitě rozptýlené světlo vytváří na oblacích obklopujících Měsíc barevné difrakční kruhy připomínající korónu. V roce 1923 však indický fyzik Bidhu Bhusan Ray odmítl Fraunhoferův návrh. V důsledku experimentů s umělými mraky Ray ukázal, že distribuce jasu a barev v glorii a v koroně je různá, a že první se objevuje přímo ve vnějších vrstvách cloudu v důsledku jediného aktu zpětného rozptylu kapičkami vody.
Ray se pokusil vysvětlit toto zpětné rozptylování z hlediska geometrické optiky, historicky spojené s korpuskulární teorií světla, podle které světlo cestuje spíše v přímých paprscích než jako vlna. Když se setká s rozhraním mezi různými médii, jako je voda a vzduch, světlo se částečně odráží a částečně proniká do jiného média v důsledku lomu (lom je to, co způsobuje, že tužka, napůl ponořená ve vodě, se zdá být rozbitá). Světlo, které proniklo do kapky vody, před jejím opuštěním, se jednou nebo vícekrát odráží na jeho protilehlém vnitřním povrchu. Ray se díval na paprsek, když se šířil podél osy kapičky a odrážel se zpět ke svému vstupnímu bodu. Avšak i při více akcích zpětných a zpětných odrazů byl účinek příliš slabý na to, aby vysvětlil glorii.
Teorie gloriového efektu by tedy měla překračovat meze geometrické optiky a brát v úvahu vlnovou povahu světla a zejména takový vlnový efekt, jako je difrakce. Na rozdíl od lomu se difrakce zvyšuje se zvyšující se vlnovou délkou světla. Skutečnost, že gloria je difrakční účinek, vyplývá ze skutečnosti, že její vnitřní okraj je modrý a vnější je červený, v souladu s kratšími a delšími vlnovými délkami.
Matematická teorie difrakce koulí, jako je kapka vody, známá jako Mieho rozptyl, zahrnuje výpočet nekonečných součtů termínů, tzv. Parciálních vln. Každá částečná vlna je komplexní funkcí velikosti kapiček, indexu lomu a kolizního parametru, tj. vzdálenost od paprsku do středu kapky. Bez vysokorychlostního počítače jsou výpočty rozptylu Mie z kapiček různých velikostí neuvěřitelně složité. Teprve v 90. letech, kdy se objevily dostatečně rychlé počítače, byly získány spolehlivé výsledky pro kapičky v rozsahu velikostí charakteristických pro mraky. Vědci však potřebují jiné způsoby zkoumání, aby pochopili, jak k tomu skutečně dochází.
Hendrik C. Van de Hulst, průkopník moderní radioastronomie, v polovině 20. století. učinil první významný příspěvek k pochopení fyziky glorie. Poukázal na to, že světelný paprsek pronikající do kapky velmi těsně k jejímu okraji, uvnitř kapky prochází podél trajektorie ve tvaru písmene Y, se odráží od jejího vnitřního povrchu a vrací se zpět téměř stejným směrem jako přišel. Protože kapka je symetrická, bude mezi celým paprskem rovnoběžných paprsků paprsku realizován příznivý parametr kolize pro celý svůj válcový paprsek dopadající na kapku ve stejné vzdálenosti od jejího středu. Tímto způsobem je dosaženo zaostřovacího efektu, který znásobuje zpětný rozptyl.
Vysvětlení zní přesvědčivě, ale je tu jeden úlovek. Na cestě od průniku do kapky k výstupu z ní je paprsek odkloněn v důsledku lomu (lomu). Index lomu vody však není dostatečně velký, aby paprsek mohl být rozptýlen přesně dozadu jediným vnitřním odrazem. Nejvhodnější kapkou vody je odrazit paprsek ve směru asi 14 ° od originálu.
V roce 1957 van de Hulst navrhl, že tuto odchylku lze překonat dalšími cestami procházejícími světlem ve formě vlny podél povrchu kapiček. Takové povrchové vlny, vázané na rozhraní mezi dvěma médii, vznikají v mnoha situacích. Myšlenka je taková, že paprsek dopadající tangenciálně na kapku prochází určitou vzdálenost podél jejího povrchu, proniká do kapky a zasahuje její vnitřní zadní povrch. Zde se opět posouvá po vnitřní ploše a odráží se zpět do kapky. A na posledním úseku cesty podél povrchu se paprsek odráží od něj a opouští kapku. Podstatou efektu je, že paprsek je rozptýlen zpět ve stejném směru, v jakém přišel.
Potenciální slabinou tohoto vysvětlení bylo, že energie povrchových vln je utracena na tangenciální cestě. Van de Hulst navrhl, že toto tlumení je více než kompenzováno axiálním zaostřováním. V době, kdy formuloval tuto domněnku, neexistovaly metody kvantifikace přínosu povrchových vln.
Všechny informace o fyzických příčinách glorie, včetně role povrchových vln, však musely být výslovně zahrnuty do řady dílčích Mie vln.
Důvod porazí počítač
Možné řešení gloria puzzle není jen o povrchových vlnách. V roce 1987 Warren Wiscombe z kosmického letového centra. Goddard v NASA (Greenbelt, Maryland) a já jsme navrhli nový přístup k difrakci, ve kterém mohou světelné paprsky procházející mimo sféru významně přispět. Na první pohled se to zdá absurdní. Jak může kapka ovlivnit paprsek světla, který jím neprochází? Vlny a zejména světelné vlny mají neobvyklou schopnost „tunelovat“nebo pronikat bariérou. Například, světelná energie může za určitých okolností prosakovat venku, když bychom věřili, že by světlo mělo zůstat v daném prostředí.
Typicky bude světlo šířící se v médiu, jako je sklo nebo voda, zcela odráženo od rozhraní s médiem s nižším indexem lomu, jako je vzduch, pokud paprsek dopadne na tento povrch v dostatečně malém úhlu. Tento efekt celkového vnitřního odrazu například udržuje signál uvnitř optického vlákna. I když je světlo zcela odrazeno, elektrická a magnetická pole, která tvoří světelnou vlnu, nezmizí okamžitě za rozhraním. Ve skutečnosti tato pole pronikají hranice na krátkou vzdálenost (řádu vlnové délky světelné vlny) ve formě tzv. „Nerovnoměrné vlny“. Taková vlna nese energii mimo rozhraní, ale na jejím povrchu vytváří oscilační pole, podobné jako kytarová struna.
To, co jsem právě popsal, ještě neobsahuje tunelovací efekt. Pokud je však třetí médium umístěno ve vzdálenosti od hranice menší než je délka nehomogenní vlny, pak světlo obnoví své šíření do tohoto média a tam načerpá energii. V důsledku toho vnitřní odraz v prvním médiu oslabuje a světlo proniká (tunely) prostředním prostředím, které sloužilo jako bariéra.
K významnému tunelování dochází pouze v případě, že mezera mezi oběma médii výrazně nepřevyšuje jednu vlnovou délku, tj. ne více než půl mikronu v případě viditelného světla. Newton pozoroval tento jev již v roce 1675. Zkoumal interferenční obrazec, nyní známý jako Newtonovy prsteny, ke kterému dochází, když je na plochou skleněnou desku nanesena plochá konvexní čočka. Prstence by bylo třeba pozorovat pouze tehdy, když světlo prochází přímo z čočky do destičky. Newton zjistil, že i když velmi malá vzdálenost odděluje povrch čočky od desky, tj. oba povrchy nebyly ve vzájemném kontaktu, část světla, které mělo podstoupit úplné vnitřní odrazy, místo toho pronikla mezerou.
Tunelování je jasně kontraintuitivní. Fyzik Georgy Gamov jako první odhalil tento jev v kvantové mechanice. V roce 1928 s pomocí vysvětlil, jak určité radioaktivní izotopy mohou emitovat alfa částice. Ukázal, že částice alfa uvnitř jádra nemají dostatek energie, aby se odtrhly od těžkého jádra, stejně jako kanónový míč nemůže dosáhnout únikové rychlosti a odtrhnout se od gravitačního pole Země. Dokázal ukázat, že díky své vlnové povaze může částice alfa stále pronikat bariérou a opustit jádro.
Na rozdíl od všeobecného přesvědčení však není tunelování pouze čistě kvantovým efektem; to je také pozorováno v případě klasických vln. Sluneční paprsek procházející v oblaku mimo kapku vody může, na rozdíl od intuitivního očekávání, proniknout skrz tunelovací efekt a tak přispět k vytvoření glorie.
Naše počáteční práce s Wiskombem se zabývala studiem rozptylu světla plně odrážejícím stříbrné koule. Zjistili jsme, že částečné vlny paprsku procházejícího mimo kouli mohou, pokud vzdálenost k povrchu kapiček není příliš velká, tunel k jeho povrchu a významně přispět k difrakci.
V případě průhledných koulí, jako jsou kapičky vody, může světlo po tunelu na svůj povrch proniknout dovnitř. Tam udeří na vnitřní povrch koule v úhlu, který je dostatečně malý na to, aby podstoupil úplný vnitřní odraz, a proto zůstává uvnitř kapky uvězněn. Podobný jev je pozorován u zvukových vln, například ve slavné Whispering Gallery pod oblouky St. Paul v Londýně. Osoba, která šeptá, zatímco čelí jedné zdi, může být slyšet v dálce u protější zdi, protože zvuk prochází více odrazy od zaoblených stěn.
V případě světla však vlna, která tunela do kapičky, ji může také opustit kvůli tunelování. U určitých vlnových délek je po více interních odrazech vlna zesílena konstruktivní interference, čímž se vytvoří tzv. Mieova rezonance. Tento efekt lze přirovnat k výkyvům výkyvu v důsledku nárazů, jejichž frekvence se shoduje s jejich přirozenou frekvencí. V souvislosti s akustickou analogií se tyto rezonance nazývají také šeptající galerijní efekt. I nepatrná změna vlnové délky stačí k přerušení rezonance; proto jsou Mi rezonance extrémně ostré a poskytují významné zvýšení intenzity.
Souhrnně lze říci, že k efektu glorie přispívají tři efekty: axiální zpětné rozptylování uvažované Rayem v souladu s geometrickou optikou; okrajové vlny, včetně povrchových vln van de Hulst; Mie rezonance vyplývající z tunelování. V roce 1977 jsme pak Vijay Khare, poté na University of Rochester, vyhodnotili příspěvek okrajových paprsků, včetně van de Hulstových vln. Rezonance byly přezkoumány Luizem Gallisou Guimaraesem z Federální univerzity v Rio de Janeiro v roce 1994. V roce 2002 jsem provedl podrobnou analýzu toho, který z těchto tří účinků je nejdůležitější. Ukázalo se, že příspěvek axiálního zpětného rozptylu je zanedbatelný a nejvýznamnější je účinek rezonancí v důsledku hraničního tunelování. Z toho vyplývá nevyhnutelný závěr:gloria je makroskopický efekt světelného tunelování.
Gloria a klima
Kromě čistého intelektuálního uspokojení problému glorie má tunelovací efekt světla také praktické aplikace. Efekt šeptání galerie byl použit k vytvoření laserů založených na mikroskopických kapičkách vody, tvrdých mikrokuličkách a mikroskopických discích. Světelné tunelování bylo nedávno použito na dotykových obrazovkách. Prst, který se blíží k obrazovce, funguje jako newtonovská čočka, která umožňuje, aby se světlo uvnitř tunelu rozptylovalo, rozptylovalo se v opačném směru a generovalo signál. Nehomogenní světelná vlna vytvářená tunelem se používá v tak důležité technologii, jako je mikroskopie na okraji, která dokáže rozlišit detaily, které jsou menší než vlnová délka světla, čímž se porušuje tzv. Difrakční limit.který v konvenční mikroskopii pro objekty této velikosti dává rozmazaný obraz.
Porozumění rozptylu světla v kapičkách vody je zvláště důležité pro posouzení úlohy mraků ve změně klimatu. Voda je ve viditelné oblasti spektra vysoce průhledná, ale podobně jako oxid uhličitý a další skleníkové plyny absorbuje v některých pásmech infračervené záření. Protože Mie rezonance jsou obvykle spojeny s velmi velkým počtem vnitřních odrazových událostí, malá kapička může absorbovat významnou část záření, zejména pokud voda obsahuje nečistoty. Vyvstává otázka: bude cloudová pokrývka, jak se mění její průměrná hustota, udržovat Zemi chladnou tím, že bude odrážet většinu slunečního světla do vesmíru, nebo bude přispívat k jejímu zahřívání a bude působit jako další přikrývka, která zachycuje infračervené záření?
Před asi deseti lety bylo modelování rozptylu světla pomocí mraků prováděno výpočtem Mie rezonancí pro relativně malou množinu kapiček, které byly považovány za reprezentativní pro typické mraky. To zkrátilo dobu počítání na superpočítači, ale představovalo to neočekávanou past. Jak jsem ukázal v roce 2003, při použití vlastních metod pro analýzu duhy a glorie, standardní metody modelování by mohly vést k chybám až 30% u některých úzkých spektrálních pásem. Při výpočtu rozptylu z kapiček s předem zvolenou velikostí je tedy snadné minout důležitý příspěvek mnoha úzkých rezonancí spojených s kapičkami střední velikosti. Například, pokud byl výpočet proveden pro kapičky o průměru jeden, dva, tři atd. mikronu, prošla velmi úzká rezonance při 2,4 mikronech. Moje předpověď byla potvrzena v roce 2006. Ve studiích, které zohledňovaly skutečné rozložení velikosti kapiček v atmosféře, byly v posledních letech modely vylepšeny zvážením kapiček, jejichž velikosti byly rozděleny do mnohem menších intervalů.
Jak předpovídal Wigner, výsledky získané dokonce s dokonalým superpočítačem, pokud nejsou osvětleny fyzickým myšlením, nejsou věrohodné. Existuje něco, o čem přemýšlet, zejména pokud příště bude vaše sedadlo v letadle u okna.