Lai izskaidrotu vienu no skaistākajām parādībām meteoroloģijā, ir nepieciešama ļoti sarežģīta pieeja. Tā izpēte arī palīdz saprast mākoņu lomu klimata izmaiņās.
Ja dodaties dienas lidojumā, lūdzu, ieņemiet loga sēdekli. Un tad jūs, iespējams, varēsit redzēt lidmašīnas ēnu uz mākoņiem. Bet jums jāņem vērā lidojuma virziens attiecībā pret sauli. Ja jums veicas, jūs saņemsiet atlīdzību un varēsit novērot gleznainu skatu - daudzkrāsainu halo, kas robežojas ar lidmašīnas ēnu. To sauc par "gloria". Tās izcelsme ir saistīta ar sarežģītāku efektu nekā varavīksnes parādīšanās. Šī parādība būs visiespaidīgākā, ja mākoņi būs tuvu, kopš tā laika tas sniedzas līdz pat horizontam.
Ja esat kalnu alpīnists, jūs varat novērot gloriju drīz pēc saullēkta ap ēnu, kuru jūsu galva met uz tuvākā mākoņa. Mēs šeit piedāvājam pirmo ziņojumu par šādas parādības novērošanu, ko veikuši Francijas ekspedīcijas dalībnieki uz Pambamarkas kalna virsotni mūsdienu Ekvadoras teritorijā, kas publicēta desmit gadus pēc pacelšanās - 1748. gadā. “Mākoņš, kas mūs klāja, sāka izklīst, un uzlecošās saules stari to caurdurta. Un tad katrs no mums ieraudzīja savu ēnu, kas mesta uz mākoņa. Visspilgtākais bija halo vai glorijas izskats, kas sastāv no trim vai četriem maziem koncentriskiem, spilgti krāsainiem apļiem ap galvu. Pārsteidzošākais bija tas, ka no sešiem vai septiņiem grupas dalībniekiem katrs novēroja šo parādību tikai ap ēnu no savas galvas,Nekad līdzīgu es nekad neesmu redzējis ap savu biedru ēnām."
Daudzi pētnieki uzskatīja, ka halos uz dievību un imperatoru attēliem austrumu un rietumu ikonogrāfijā atspoguļo glorijas fenomena māksliniecisku fiksāciju. (Mēs atrodam alegorisku šī pieņēmuma apstiprinājumu slavenajā Samuela Teilora Coleridža dzejolī "Fidelity to Ideal Image". XIX gadsimta beigās. Skotu fiziķis Čārlzs Thomsons Rīss Vilsons izgudroja "mākoņa" kameru (krievu terminoloģijā - Vilsona kamera) un mēģināja reproducēt šo parādību laboratorijā.
Viņam neizdevās, taču ātri saprata, ka kameru var izmantot daļiņu reģistrēšanai, un tā rezultātā tika piešķirta Nobela prēmija. Novērotāja vai lidmašīnas ēnai nav nekādas nozīmes glorijas veidošanā. Vienīgais, kas viņus saista, ir tas, ka ēna nosaka virzienu, kas ir tieši pretējs Saules virzienam. Tas nozīmē, ka glorija ir aizkustinošs efekts, kas novirza saules gaismu gandrīz par 180 °. Jūs varētu domāt, ka tik plaši pazīstamais efekts, kas pieder pie tik cienījama fizikas lauka kā optika, bez šaubām, bija jāpaskaidro jau sen. Tomēr, izskaidrojot to, saskaņā ar 1748. gada ziņojuma autoriem “tikpat sena kā pasaule” gadsimtiem ilgi zinātniekiem ir bijis nopietns izaicinājums. Pat varavīksne ir sarežģītāka parādība nekā tas, kā to raksturo fizikas mācību grāmatas. Turklāt gloria veidošanās mehānisms ir vēl sarežģītāks.
Principā gan glorija, gan varavīksne tiek skaidrota ar standarta teorētisko optiku, kas pastāvēja jau līdz 20. gadsimta sākumam. Tas ļāva vācu fiziķim Gustavam Mie iegūt precīzu matemātisku risinājumu gaismas izkliedes procesam ar ūdens pilienu. Tomēr velns ir detaļās. Mie metode ietver terminu, tā saukto daļējo viļņu, pievienošanu. Apkopojot ir nepieciešams bezgalīgs skaits šādu terminu, un, lai arī ierobežots to skaits ir praktiski nozīmīgs, Mee metodei ir nepieciešams aprēķināt simtiem un tūkstošiem ļoti sarežģītu izteiksmju.
Ja ievadīsit tos datorā, tas dos pareizu rezultātu, taču nav iespējams saprast, kuri fizikālie procesi ir atbildīgi par novērotajām sekām. Risinājums Mi tipiska matemātiska "melnā kaste": ievadiet tajā sākotnējos datus, un tas parādīs rezultātu. Šeit ir lietderīgi atgādināt Nobela prēmijas laureāta Jevgeņija Pola Vīgnera piezīmi: “Ir lieliski, ka dators saprata problēmu. Bet es arī gribētu viņu saprast. " Neredzīga ticība skaitļu slīpēšanai ar brutālu spēku var novest pie nepareiziem secinājumiem, kā tiks parādīts turpmāk.
1965. gadā es sāku izstrādāt pētījumu programmu, kas cita starpā novestu pie pilnīga glorijas fiziska izskaidrojuma. Un šis mērķis, pa ceļam uz kuru man palīdzēja vairāki līdzstrādnieki, tika sasniegts 2003. gadā. Risinājuma pamatā bija viļņu tunelēšanas ņemšana vērā - tas ir viens no visnoslēpumainākajiem fiziskajiem efektiem, ko Īzaks Ņūtons pirmo reizi novēroja 1675. gadā. Viļņu tunelēšana ir centrā. viens no mūsdienu skārienekrānu veidiem, ko izmanto datoros un mobilajos tālruņos. Svarīgi to ņemt vērā arī vissarežģītākās un vissvarīgākās problēmas risināšanā, kā atmosfēras aerosoli, kas ietver mākoņus, kā arī putekļus un kvēpu daļiņas, ietekmē klimata izmaiņas.
Reklāmas video:
Viļņi un daļiņas
Vairākus gadsimtus zinātnieki ir piedāvājuši dažādus glorijas skaidrojumus, taču tie visi izrādījās nepareizi. XIX gadsimta sākumā. Vācu fiziķis Josfs fon Fraunhofers ieteica saules gaismu izkliedēt, t.i. Atpakaļ atspoguļots ar pilieniem mākoņa dziļumā, difrakcionējot uz pilieniem tā virsmas slānī. Difrakcija ir parādība, kas saistīta ar gaismas viļņu raksturu un ļauj tai "paskatīties ap stūri", tāpat kā jūras viļņi iet ap šķērsli un izplatās tālāk, it kā tā nemaz nebūtu.
Fraunhofera ideja bija tāda, ka šī dubultā izkliedētā gaisma uz mākoņiem, kas ieskauj mēnesi, veido krāsainus difrakcijas gredzenus, kas atgādina koronu. Tomēr 1923. gadā indiešu fiziķis Bidhu Bhusan Ray noraidīja Fraunhofera ierosinājumu. Eksperimentu ar mākslīgiem mākoņiem rezultātā Rejs parādīja, ka spilgtuma un krāsu sadalījums glorijā un koronā ir atšķirīgs un ka pirmais notiek tieši mākoņa ārējos slāņos, pateicoties vienam ūdens recekļu atpakaļpieņemšanas aktam.
Ray mēģināja izskaidrot šo aizraušanos ar ģeometrisko optiku, kas vēsturiski bija saistīta ar gaismas asinsķermenīšu teoriju, saskaņā ar kuru gaisma pārvietojas taisnos staros, nevis kā vilnis. Kad tā sastopas ar saskarni starp dažādiem medijiem, piemēram, ūdeni un gaisu, gaisma daļēji tiek atstarota un refrakcijas dēļ daļēji iekļūst citā barotnē (refrakcija ir tā, kas padara zīmuli, kas daļēji iegremdēts ūdenī, šķiet, salauzts). Gaisma, kas iekļuvusi ūdens pilienā, pirms tās atstāšanas, vienu vai vairākas reizes tiek atspoguļota uz tās pretējās iekšējās virsmas. Ray apskatīja staru, jo tas izplatījās pa piliena asi un atstarojās atpakaļ tā ieejas punkta virzienā. Tomēr pat ar vairākiem turp un atpakaļ atstarojumiem efekts bija pārāk vājš, lai izskaidrotu gloriju.
Tādējādi glorijas efekta teorijai vajadzētu pārsniegt ģeometriskās optikas robežas un ņemt vērā gaismas viļņu raksturu un it īpaši tādu viļņu efektu kā difrakcija. Pretstatā refrakcijai difrakcija palielinās, palielinoties gaismas viļņa garumam. Fakts, ka glorija ir difrakcijas iedarbība, izriet no tā, ka tā iekšējais loks ir zils, bet ārējais - sarkans saskaņā ar īsāku un garāku viļņu garumu.
Sfēras, piemēram, ūdens piliena, difrakcijas matemātiskā teorija, kas pazīstama kā Mie izkliede, ietver bezgalīgu terminu summu, tā saukto daļējo viļņu, aprēķināšanu. Katrs daļējs vilnis ir piliena lieluma, refrakcijas indeksa un sadursmes parametra sarežģīta funkcija, t.i. attālums no stara līdz kritiena centram. Bez ātrgaitas datora Mie izkliedes aprēķini no dažāda lieluma pilieniņām ir neticami sarežģīti. Tikai 1990. gados, kad parādījās pietiekami ātri datori, tika iegūti ticami rezultāti pilieniņām, kas raksturīgas mākoņiem. Bet pētniekiem ir nepieciešami citi izpētes veidi, lai saprastu, kā tas patiesībā notiek.
Hendrik C. Van de Hulst, mūsdienu radioastronomijas pionieris, 20. gadsimta vidū. sniedza pirmo nozīmīgo ieguldījumu glorijas fizikas izpratnē. Viņš norādīja, ka gaismas stars, kas iekļūst pilienā ļoti tuvu tā malai, piliena iekšienē iet pa Y formas trajektoriju, tiek atstarots no tā iekšējās virsmas un atgriežas atpakaļ gandrīz tajā pašā virzienā, kurā tas nāca. Tā kā kritums ir simetrisks starp visu paralēlu saules staru staru, labvēlīgs sadursmes parametrs tiks izveidots visam viņu cilindriskajam kūlim, kas krīt uz kritiena tajā pašā attālumā no tā centra. Tādā veidā tiek sasniegts fokusēšanas efekts, kas reizina aizmugures spiedienu.
Skaidrojums izklausās pārliecinoši, taču ir viena nozveja. Ceļā no iespiešanās pilienā līdz izejai no tā, stars tiek novirzīts refrakcijas (refrakcijas) dēļ. Tomēr ūdens refrakcijas koeficients nav pietiekami liels, lai staru varētu precīzi izkliedēt atpakaļ ar vienu iekšēju atstarojumu. Viss, ko var veikt ūdens piliens, ir lieluma atlēciens apmēram 14 ° virzienā no oriģināla.
1957. gadā van de Hulsts ierosināja, ka šo novirzi var pārvarēt ar papildu ceļiem, kurus gaisma šķērso viļņa veidā pa pilienu virsmu. Šādi virsmas viļņi, kas piesaistīti divu multivides saskarnei, rodas daudzās situācijās. Ideja ir tāda, ka tangenciāli uz pilienu vērsts stars iet zināmu attālumu gar tā virsmu, iekļūst pilienā un sasniedz tā iekšējo aizmugurējo virsmu. Šeit tas atkal slīd gar iekšējo virsmu un tiek atspoguļots atpakaļ pilienā. Un pēdējā ceļa segmentā gar virsmu stars no tā tiek atstarots un iziet no kritiena. Efekta būtība ir tāda, ka stars tiek izkliedēts atpakaļ tajā pašā virzienā, kurā tas nāca.
Iespējams šī skaidrojuma vājums bija tas, ka virsmas viļņu enerģija tiek tērēta tangenciālā ceļā. Van de Hulsts ierosināja, ka šo slāpēšanu vairāk nekā kompensē ar asu fokusēšanu. Laikā, kad viņš formulēja šo minējumu, nebija nevienas metodes, kā kvantitatīvi noteikt virsmas viļņu devumu.
Neskatoties uz to, visa informācija par glorijas fiziskajiem cēloņiem, ieskaitot virsmas viļņu lomu, bija skaidri jāiekļauj daļējos Mie viļņu sērijā.
Iemesls sakauj datoru
Iespējamais gloria mīklas risinājums ir saistīts ne tikai ar virsmas viļņiem. 1987. gadā Vorens Viskombe no Kosmisko lidojumu centra. Goddards NASA (Grīnbeltā, Merilendas štatā) un es esam ierosinājuši jaunu pieeju difrakcijai, kurā ārpus sfēras izejošie gaismas stari var dot būtisku ieguldījumu. No pirmā acu uzmetiena tas šķiet absurdi. Kā piliens var ietekmēt gaismas staru, kas to neizlaiž? Viļņiem un it īpaši gaismas viļņiem ir neparasta spēja "iekļūt tunelī" vai iekļūt barjerā. Piemēram, gaismas enerģija dažos apstākļos var nokļūt ārpusē, kad varētu uzskatīt, ka gaismai jāpaliek dotajā vidē.
Parasti gaisma, kas izplatās vidē, piemēram, stiklā vai ūdenī, tiks pilnībā atspoguļota no saskarnes ar barotni ar zemāku refrakcijas koeficientu, piemēram, gaisu, ja staru kūlis skar šo virsmu pietiekami mazā leņķī. Piemēram, šis kopējais iekšējā atstarojuma efekts uztur signālu optiskās šķiedras iekšpusē. Pat ja gaisma ir pilnībā atspoguļota, elektriskie un magnētiskie lauki, kas veido gaismas vilni, neizzūd uzreiz ārpus interfeisa. Faktiski šie lauki nelielā attālumā (gaismas viļņa garuma secībā) iekļūst robežās tā dēvētā "nevienmērīgā viļņa" veidā. Šāds vilnis neveic enerģiju ārpus saskarnes, bet uz tā virsmas veido oscilējošu lauku, līdzīgi kā ģitāras stīgas.
Tas, ko es tikko aprakstīju, vēl nesatur tunelēšanas efektu. Tomēr, ja trešā barotne tiek novietota attālumā no robežas, mazāk nekā nehomogēnā viļņa garumā, gaisma atsāks izplatīties šajā vidē, sūknējot tur enerģiju. Tā rezultātā iekšējais atstarojums pirmajā vidē vājina, un caur starpposma barjeru, kas kalpoja par barjeru, gaisma iekļūst (tuneļos).
Nozīmīga tunelēšana notiek tikai tad, ja atstarpe starp diviem nesējiem ievērojami nepārsniedz vienu viļņa garumu, t.i. redzamās gaismas gadījumā - ne vairāk kā pus mikronu. Ņūtons novēroja šo parādību jau 1675. gadā. Viņš izpētīja traucējumu modeli, ko tagad sauc par Ņūtona gredzeniem, kas rodas, plakaniski izliektam objektīvam uzliekot plakanu stikla plāksni. Gredzeni būtu jāievēro tikai tad, kad gaisma tieši no objektīva nonāk plāksnē. Ņūtons atklāja, ka pat tad, ja ļoti mazs attālums atdalīja objektīva virsmu no plāksnes, t.i. abas virsmas nebija saskarē ar otru, daļa gaismas, kurai vajadzēja notikt pilnīgai iekšējai atstarošanai, tā vietā iekļuva caur spraugu.
Tuneļa veidošana nepārprotami ir pretrunīga. Fiziķis Georgijs Gamovs bija pirmais, kurš atklāja šo parādību kvantu mehānikā. 1928. gadā ar viņa palīdzību viņš izskaidroja, kā atsevišķi radioaktīvie izotopi var izstarot alfa daļiņas. Viņš parādīja, ka kodolā esošajām alfa daļiņām nav pietiekami daudz enerģijas, lai atdalītos no smagās serdes, tāpat kā lielgabala lode nevar sasniegt aizbēgšanas ātrumu un izrauties no Zemes gravitācijas lauka. Viņš spēja parādīt, ka viļņu rakstura dēļ alfa daļiņa joprojām var iekļūt barjerā un atstāt kodolu.
Pretēji izplatītajam uzskatam tunelēšana ir ne tikai tīri kvantu efekts; tas tiek novērots arī klasisko viļņu gadījumā. Saules stari, kas iet mākoņā ārpus ūdens piliena, pretēji intuitīvajām cerībām var caur to iekļūt caur tunelēšanas efektu un tādējādi sekmēt glorijas veidošanos.
Mūsu sākotnējais darbs ar Wiskomb bija saistīts ar gaismas izkliedes izpēti, pilnībā atspoguļojot sudraba bumbiņas. Mēs noskaidrojām, ka ārpus sfēras izejošā starojuma daļējie viļņi, ja attālums līdz piliena virsmai nav pārāk liels, var tunelēt līdz tās virsmai un dot būtisku ieguldījumu difrakcijā.
Caurspīdīgu sfēru, piemēram, ūdens pilienu, gadījumā pēc tunelēšanas uz to virsmu gaisma var iekļūt uz iekšu. Tur tas atsitās pret sfēras iekšējo virsmu pietiekami leņķī, lai iziet kopējo iekšējo atstarojumu, un tāpēc paliek ieslodzīts kritiena iekšpusē. Līdzīga parādība vērojama skaņas viļņiem, piemēram, slavenajā Čukstu galerijā zem arkas Sv. Pols Londonā. Cilvēks, kas čukst, atrodoties pret vienu sienu, ir dzirdams tālumā pie pretējās sienas, jo skaņa tiek vairākkārt atspoguļota no noapaļotajām sienām.
Gaismas gadījumā vilnis, kas tunelējies pilienā, tunelēšanas dēļ to var arī atstāt. Noteiktiem viļņu garumiem pēc vairākām iekšējām refleksijām viļņu pastiprina konstruktīvi traucējumi, veidojot tā saukto Mie rezonansi. Šo efektu var salīdzināt ar šūpoles šūpošanos triecienu dēļ, kuru frekvence sakrīt ar to dabisko frekvenci. Saistībā ar akustisko analoģiju šīs rezonanses sauc arī par čukstošo galerijas efektu. Lai mazinātu rezonansi, pietiek pat ar nelielām viļņa garuma izmaiņām; tāpēc Mi rezonanses ir ārkārtīgi asas un nodrošina ievērojamu intensitātes palielināšanos.
Apkopojot, mēs varam teikt, ka trīs efekti veicina glorijas fenomenu: aksiālā atpakaļplūsmas palielināšanās, ko Rajs apsver saskaņā ar ģeometrisko optiku; malas viļņi, ieskaitot van de Hulst virsmas viļņus; Mie rezonanses, kas rodas tunelēšanas rezultātā. 1977. gadā Vijay Khare, pēc tam Ročesteras universitātē, es novērtēju malu staru, tostarp van de Hulsta viļņu, ieguldījumu. Rezonanses 1994. gadā pārskatīja Luīze Gallisa Guimaraesa no Riodežaneiro Federālās universitātes. 2002. gadā es sīki analizēju, kura no trim sekām ir vissvarīgākā. Izrādījās, ka aksiālās aizmugurējās ķiveres ieguldījums ir niecīgs, un visnozīmīgākais ir rezonanses efekts, kas rodas no malas tunelēšanas. No tā neizbēgamais secinājums ir šāds:gloria ir gaismas tunelēšanas makroskopisks efekts.
Glorija un klimats
Gaismas tuneļa efektam ir ne tikai tīri intelektuāls gandarījums par glorijas problēmu, bet arī praktisks pielietojums. Čukstēšanas galerijas efekts ir izmantots, lai izveidotu lāzerus, kuru pamatā ir mikroskopiski ūdens pilieni, cietās mikrosfēras un mikroskopiskie diski. Skārienekrāna displejos nesen tika izmantota gaismas tunelēšana. Pirksts, kas tuvojas ekrānam, darbojas kā Ņūtona objektīvs, ļaujot gaismai tunelēt ekrāna iekšpusē, izkliedēt pretējā virzienā un ģenerēt signālu. Nehomogēns gaismas vilnis, ko rada tunelēšana, tiek izmantots tik svarīgā tehnoloģijā kā tuvās malas mikroskopija, ko var izmantot, lai izšķirtu detaļas, kas ir mazākas par gaismas viļņa garumu, tādējādi pārkāpjot tā saukto difrakcijas robežu.kas parastā mikroskopijā šāda izmēra objektiem rada neskaidru attēlu.
Izpratne par gaismas izkliedi ūdens pilienos ir īpaši svarīga, lai novērtētu mākoņu lomu klimata izmaiņās. Ūdens ir ļoti caurspīdīgs spektra redzamajā apgabalā, tomēr, tāpat kā oglekļa dioksīds un citas siltumnīcefekta gāzes, dažās joslās absorbē infrasarkano starojumu. Tā kā Mie rezonanses parasti ir saistītas ar ļoti lielu iekšējā atstarojuma notikumu skaitu, neliels piliens var absorbēt ievērojamu radiācijas daļu, it īpaši, ja ūdenī ir piemaisījumi. Rodas jautājums: vai mākoņu sega, mainoties tā vidējam blīvumam, saglabās Zemes atdzišanu, atspoguļojot lielāko daļu saules gaismas kosmosā, vai arī tas veicina tā sildīšanu, darbojoties kā papildu sega, kas notver infrasarkano starojumu?
Līdz aptuveni desmit gadiem pirms mākoņu gaismas izkliedes modelēšanas tika veikts, aprēķinot Mie rezonanses salīdzinoši nelielam pilienu lielumam, kas tika uzskatīts par tipisku mākoņu reprezentatīvu. Tas samazināja superdatora skaitīšanas laiku, taču tas radīja negaidītu slazdu. Kā es parādīju 2003. gadā, izmantojot manas varavīksnes un glorijas analīzes metodes, standarta modelēšanas metodes dažās šaurās spektra joslās varētu izraisīt kļūdas līdz 30%. Tādējādi, aprēķinot izkliedi no pilieniņām ar iepriekš izvēlētiem izmēriem, ir viegli palaist garām nozīmīgu ieguldījumu no daudzām šaurām rezonansēm, kas saistītas ar vidēja lieluma pilieniem. Piemēram, ja aprēķins tika veikts pilieniņām ar diametru viens, divi, trīs utt. mikronu, tika nodota ļoti šaura rezonanse pie 2,4 mikroniem. Mana prognoze tika apstiprināta 2006. gadā. Pētījumos, kuros tika ņemts vērā reālais pilienu lieluma sadalījums atmosfērā, pēdējos gados modeļi ir pilnveidoti, apsverot pilienus, kuru lielumi ir sadalīti daudz mazākos intervālos.
Kā prognozēja Vīgners, rezultāti, kas iegūti pat ar perfekta superdatora palīdzību, ja tie nav apgaismoti ar fizisku domu, nav ticami. Ir par ko padomāt, it īpaši, ja nākamreiz jūsu sēdvieta lidmašīnā atrodas pie loga.