Menjelaskan salah satu fenomena terindah dalam meteorologi memerlukan pendekatan yang sangat canggih. Mempelajari juga membantu memahami peranan awan dalam perubahan iklim.
Sekiranya anda dalam penerbangan sehari, sila duduk di tingkap. Dan kemudian anda mungkin dapat melihat bayangan pesawat di awan. Tetapi anda perlu mengambil kira arah penerbangan berbanding dengan matahari. Sekiranya anda bernasib baik, anda akan mendapat ganjaran dan anda dapat melihat pemandangan yang indah - lingkaran cahaya pelbagai warna, yang bersempadan dengan bayang-bayang kapal terbang. Ia dipanggil "gloria". Asalnya disebabkan oleh kesan yang lebih kompleks daripada penampilan pelangi. Fenomena ini akan sangat mengesankan jika awan dekat, sejak itu meluas ke cakrawala.
Sekiranya anda seorang pendaki gunung, anda dapat melihat gloria segera setelah matahari terbit di sekitar bayangan yang dilemparkan oleh kepala anda di awan terdekat. Kami membentangkan di sini laporan pertama tentang pengamatan fenomena seperti itu oleh anggota ekspedisi Perancis ke puncak Gunung Pambamarca di wilayah Ekuador sekarang, yang diterbitkan sepuluh tahun setelah pendakian, pada tahun 1748. "Awan yang menutupi kita mulai menghilang, dan sinar matahari yang terbit menembusnya. Dan kemudian kita masing-masing melihat bayangan kita dilemparkan di awan. Yang paling kami dapati ialah penampilan lingkaran cahaya, atau gloria, yang terdiri daripada tiga atau empat bulatan sepusat kecil, berwarna terang di sekitar kepala. Yang paling mengejutkan adalah bahawa daripada enam atau tujuh anggota kumpulan, masing-masing memerhatikan fenomena ini hanya di sekitar bayangan kepalanya sendiri,Saya tidak pernah melihat perkara seperti ini di sekitar bayangan rakan-rakan saya."
Ramai penyelidik percaya bahawa lingkaran cahaya pada gambar dewa dan maharaja di ikonografi timur dan barat mewakili penentuan artistik fenomena gloria. (Kami mendapat pengesahan kiasan dari anggapan ini dalam puisi terkenal oleh Samuel Taylor Coleridge "Kesetiaan kepada Imej Ideal"). Pada akhir abad XIX. Ahli fizik Scotland Charles Thomson Rees Wilson mencipta kamera "awan" (dalam istilah Rusia - ruang Wilson) dan membuat percubaan untuk menghasilkan semula fenomena ini di makmal.
Dia gagal, tetapi dengan cepat menyedari bahawa kamera dapat digunakan untuk mendaftarkan partikel, dan sebagai hasilnya dianugerahkan Hadiah Nobel. Bayangan pemerhati atau kapal terbang tidak berperanan dalam pembentukan gloria. Satu-satunya perkara yang menghubungkan mereka adalah bayangan membetulkan arah yang bertentangan dengan Matahari. Ini bermaksud bahawa gloria adalah kesan penyebaran cahaya belakang yang memantulkan cahaya matahari hampir 180 °. Anda mungkin berfikir bahawa kesan yang begitu terkenal, yang termasuk dalam bidang fizik yang terhormat seperti optik, sudah pasti telah dijelaskan sejak dulu. Walaupun demikian, menjelaskan hal ini, menurut penulis laporan tahun 1748, "kesannya seusia dunia," telah memberikan cabaran serius kepada para saintis selama berabad-abad. Malah pelangi adalah fenomena yang lebih kompleks daripada bagaimana buku teks fizik sekolah rendah menerangkannya. Lebih-lebih lagi, mekanisme pembentukan gloria lebih rumit.
Pada prinsipnya, gloria dan pelangi dijelaskan dari segi optik teori standard, yang sudah ada pada awal abad ke-20. Ini membolehkan ahli fizik Jerman Gustav Mie mendapatkan penyelesaian matematik yang tepat untuk proses penyerakan cahaya oleh titisan air. Walau bagaimanapun, syaitan ada dalam perinciannya. Kaedah Mie melibatkan penambahan istilah, gelombang separa yang disebut. Jumlah sebilangan besar istilah tersebut diperlukan untuk dijumlahkan, dan walaupun sebilangan besar istilahnya praktikalnya signifikan, kaedah Mee memerlukan pengiraan ratusan dan ribuan ungkapan yang sangat kompleks.
Sekiranya anda memasukkannya ke dalam komputer, maka ia akan memberikan hasil yang betul, bagaimanapun, mustahil untuk memahami proses fizikal mana yang bertanggungjawab untuk kesan yang diperhatikan. Penyelesaian "kotak hitam" matematik tipikal Mi: masukkan data awal ke dalamnya, dan ia akan memberikan hasilnya. Adalah penting untuk mengingat kembali pernyataan dari pemenang Nobel Eugene Paul Wigner: “Sangat bagus komputer memahami masalahnya. Tetapi saya juga ingin memahaminya. " Kepercayaan buta dalam mengisar angka dengan kekuatan kasar dapat menyebabkan kesimpulan yang salah, seperti yang ditunjukkan di bawah.
Pada tahun 1965, saya ingin mengembangkan program penyelidikan yang, antara lain, akan membawa kepada penjelasan fizikal gloria yang lengkap. Dan tujuan ini, dalam perjalanan ke mana saya dibantu oleh beberapa kolaborator, tercapai pada tahun 2003. Penyelesaiannya berdasarkan pada mengambil kira tunneling gelombang, salah satu kesan fizikal yang paling misterius yang pertama kali diperhatikan oleh Isaac Newton pada tahun 1675. Terowong gelombang mendasari salah satu jenis skrin sentuh moden yang digunakan dalam komputer dan telefon bimbit. Juga penting untuk mempertimbangkannya untuk menyelesaikan masalah yang paling sukar dan paling penting, bagaimana aerosol atmosfera, yang merangkumi awan, serta zarah debu dan jelaga, mempengaruhi perubahan iklim.
Video promosi:
Gelombang dan zarah
Selama beberapa abad, saintis telah memberikan pelbagai penjelasan untuk gloria, tetapi semuanya ternyata tidak betul. Pada awal abad XIX. Ahli fizik Jerman Josef von Fraunhofer mencadangkan cahaya matahari tersebar, iaitu dipantulkan kembali, oleh titisan di kedalaman awan, meresap pada titisan pada lapisan permukaannya. Difraksi adalah fenomena yang berkaitan dengan sifat gelombang cahaya dan membiarkannya "melihat di sudut", sama seperti gelombang laut mengelilingi halangan dan menyebar lebih jauh, seolah-olah sama sekali tidak ada.
Idea Fraunhofer adalah bahawa cahaya yang tersebar dua ini membentuk cincin difraksi berwarna, menyerupai korona, di awan yang mengelilingi bulan. Namun, pada tahun 1923 ahli fizik India Bidhu Bhusan Ray menolak cadangan Fraunhofer. Sebagai hasil eksperimen dengan awan buatan, Ray menunjukkan bahawa taburan kecerahan dan warna di gloria dan korona adalah berbeza, dan yang pertama berlaku secara langsung di lapisan luar awan sebagai akibat dari satu tindakan penyerakan belakang oleh titisan air.
Ray cuba menjelaskan penyebaran ini dari segi optik geometri, yang secara historis dikaitkan dengan teori cahaya korpuskular, yang mana cahaya bergerak dalam sinar lurus dan bukan sebagai gelombang. Ketika bertemu antara muka antara media yang berbeza, seperti air dan udara, cahaya sebagian dipantulkan, dan sebagian menembus ke media lain kerana pembiasan (pembiasan adalah apa yang membuat pensil, setengah terendam di dalam air, nampaknya pecah). Cahaya yang telah menembus setetes air, sebelum meninggalkannya, dipantulkan satu atau beberapa kali pada permukaan dalamannya yang bertentangan. Ray melihat sinar itu ketika merambat di sepanjang paksi titisan dan memantulkan kembali ke arah pintu masuknya. Walau bagaimanapun, walaupun dengan banyak tindakan refleksi bolak-balik, kesannya terlalu lemah untuk menjelaskan gloria.
Oleh itu, teori kesan gloria harus melampaui batas optik geometri dan mengambil kira sifat gelombang cahaya dan, khususnya, kesan gelombang seperti difraksi. Berbeza dengan pembiasan, difraksi meningkat dengan peningkatan panjang gelombang cahaya. Kenyataan bahawa gloria adalah kesan difraktik dari fakta bahawa pelek dalamannya berwarna biru, dan bahagian luar berwarna merah, sesuai dengan panjang gelombang yang lebih pendek dan lebih panjang.
Teori difraksi matematik oleh sfera seperti setetes air, yang dikenali sebagai penyerakan Mie, melibatkan pengiraan jumlah istilah yang tidak terbatas, yang disebut gelombang separa. Setiap gelombang separa adalah fungsi kompleks dari ukuran titisan, indeks biasan dan parameter perlanggaran, iaitu jarak dari sinar ke pusat titisan. Tanpa komputer berkelajuan tinggi, pengiraan penyebaran Mie dari titisan pelbagai saiz sangat rumit. Baru pada tahun 1990-an, ketika komputer yang cukup cepat muncul, hasil yang dapat dipercaya diperoleh untuk tetesan dalam berbagai ukuran ciri awan. Tetapi penyelidik memerlukan kaedah penjelajahan lain untuk memahami bagaimana perkara ini sebenarnya berlaku.
Hendrik C. Van de Hulst, pelopor astronomi radio moden, pada pertengahan abad ke-20. memberikan sumbangan penting pertama untuk memahami fizik gloria. Dia menunjukkan bahawa seberkas cahaya menembus tetes yang sangat dekat dengan pinggirnya, di dalam tetesan melewati lintasan berbentuk Y, dipantulkan dari permukaan dalamnya, dan kembali ke arah yang hampir sama di mana ia datang. Oleh kerana penurunannya adalah simetri, di antara keseluruhan pancaran sinar suria selari, parameter perlanggaran yang baik akan dapat dicapai kerana seluruh rasuk silinder mereka jatuh pada penurunan pada jarak yang sama dari pusatnya. Dengan cara ini, kesan fokus dicapai, yang melipatgandakan backscatter.
Penjelasannya terdengar menarik, tetapi ada satu tangkapan. Dalam perjalanan dari penembusan ke titisan untuk keluar darinya, balok terpesong karena pembiasan (pembiasan). Walau bagaimanapun, indeks bias air tidak cukup besar untuk rasuk itu tersebar tepat ke belakang oleh satu pantulan dalaman. Yang paling banyak yang dapat dilakukan oleh setitik air adalah memantulkan pancaran ke arah kira-kira 14 ° dari yang asal.
Pada tahun 1957, van de Hulst mencadangkan bahawa penyimpangan ini dapat diatasi dengan jalan tambahan yang dilalui cahaya dalam bentuk gelombang di sepanjang permukaan titisan. Gelombang permukaan seperti itu, yang terikat pada antara muka dua media, muncul dalam banyak keadaan. Idenya adalah bahawa kejadian sinar yang bersinggungan pada tetes melewati beberapa jarak di sepanjang permukaannya, menembusi jatuh, dan menyentuh permukaan belakang dalamannya. Di sini ia kembali meluncur di sepanjang permukaan dalam dan dipantulkan kembali ke titisan. Dan pada segmen terakhir jalan di sepanjang permukaan, sinar dipantulkan darinya dan keluar dari titisan. Inti dari kesannya adalah bahawa rasuk itu tersebar kembali ke arah yang sama seperti ia datang.
Kelemahan potensial dari penjelasan ini adalah bahawa tenaga gelombang permukaan dihabiskan pada jalan tangen. Van de Hulst mencadangkan bahawa redaman ini lebih daripada dikompensasikan dengan fokus paksi. Pada saat ia merumuskan dugaan ini, tidak ada metode untuk mengukur kontribusi dari gelombang permukaan.
Walaupun begitu, semua maklumat mengenai penyebab fizikal gloria, termasuk peranan gelombang permukaan, harus dimasukkan secara eksplisit dalam rangkaian gelombang Mie separa.
Sebab mengalahkan komputer
Penyelesaian yang mungkin untuk teka-teki gloria bukan hanya mengenai gelombang permukaan. Pada tahun 1987, Warren Wiscombe dari Pusat Penerbangan Angkasa. Goddard di NASA (Greenbelt, Maryland) dan saya telah mengusulkan pendekatan baru untuk difraksi di mana sinar cahaya yang melintas di luar sfera dapat memberikan sumbangan yang signifikan. Pada pandangan pertama, ini kelihatan tidak masuk akal. Bagaimana penurunan boleh mempengaruhi sinar cahaya yang tidak melaluinya? Gelombang, dan gelombang cahaya khususnya, memiliki kemampuan yang luar biasa untuk "terowong," atau menembusi penghalang. Sebagai contoh, tenaga cahaya dalam beberapa keadaan dapat merembes ke luar, ketika seseorang akan percaya bahawa cahaya harus tetap berada dalam lingkungan tertentu.
Biasanya, penyebaran cahaya dalam medium seperti kaca atau air akan dipantulkan sepenuhnya dari antara muka dengan media dengan indeks biasan yang lebih rendah, seperti udara, jika pancaran menyentuh permukaan ini pada sudut yang cukup kecil. Sebagai contoh, jumlah kesan pantulan dalaman ini menyimpan isyarat di dalam gentian optik. Walaupun cahaya dipantulkan sepenuhnya, medan elektrik dan magnet yang membentuk gelombang cahaya tidak akan hilang begitu sahaja di luar antara muka. Sebenarnya, medan-medan ini menembusi batas dalam jarak pendek (dari urutan panjang gelombang gelombang cahaya) dalam bentuk apa yang disebut "gelombang tidak seragam". Gelombang seperti itu tidak membawa tenaga di luar antara muka, tetapi membentuk medan berayun di permukaannya, mirip dengan tali gitar.
Apa yang baru saja saya jelaskan belum mengandungi kesan tunneling. Walau bagaimanapun, jika medium ketiga diletakkan pada jarak dari sempadan kurang dari panjang gelombang tidak homogen, maka cahaya akan meneruskan penyebarannya ke medium ini, mengepam tenaga di sana. Akibatnya, pantulan dalaman pada medium pertama melemah, dan cahaya menembus (terowong) melalui medium perantaraan, yang berfungsi sebagai penghalang.
Terowong yang ketara berlaku hanya jika jurang antara kedua media tidak melebihi satu gelombang dengan ketara, iaitu tidak lebih daripada setengah mikron sekiranya cahaya kelihatan. Newton mengamati fenomena ini seawal tahun 1675. Dia menyelidiki corak gangguan, yang sekarang dikenali sebagai cincin Newton, yang berlaku apabila lensa plano-cembung diterapkan pada plat kaca rata. Cincin hanya perlu diperhatikan ketika cahaya melintas langsung dari lensa ke piring. Newton mendapati bahawa walaupun jarak yang sangat kecil memisahkan permukaan lensa dari plat, i.e. kedua permukaan tidak bersentuhan satu sama lain, beberapa cahaya yang seharusnya mengalami pantulan dalaman total, sebaliknya menembus celah.
Terowong jelas bertentangan. Ahli fizik Georgy Gamov adalah yang pertama mengungkap fenomena ini dalam mekanik kuantum. Pada tahun 1928, dengan bantuannya, dia menjelaskan bagaimana isotop radioaktif tertentu dapat memancarkan zarah alfa. Dia menunjukkan bahawa zarah alfa di dalam inti tidak mempunyai cukup tenaga untuk melepaskan diri dari inti berat, sama seperti bola meriam tidak dapat mencapai kecepatan melarikan diri dan melepaskan diri dari medan gravitasi Bumi. Dia dapat menunjukkan bahawa kerana sifat gelombang, zarah alfa masih dapat menembusi penghalang dan meninggalkan inti.
Walau bagaimanapun, bertentangan dengan kepercayaan popular, penyambungan tidak hanya kesan kuantum semata-mata; ia juga diperhatikan dalam kes gelombang klasik. Sinar matahari yang melintasi awan di luar setetes air dapat, bertentangan dengan jangkaan intuitif, dapat menembusnya melalui kesan terowong dan dengan demikian menyumbang kepada penciptaan gloria.
Kerja awal kami dengan Wiskomb adalah berkaitan dengan kajian penyebaran cahaya dengan memantulkan bola perak sepenuhnya. Kami mendapati bahawa gelombang separa sinar yang melintas di luar sfera boleh, jika jarak ke permukaan titisan tidak terlalu besar, terowong ke permukaannya dan memberikan sumbangan yang signifikan terhadap difraksi.
Sekiranya sfera telus seperti titisan air, setelah terowong ke permukaannya, cahaya dapat menembus ke dalam. Di sana ia menyentuh permukaan dalaman bola pada sudut yang cukup kecil untuk menjalani pantulan dalaman total, dan oleh itu tetap terperangkap di dalam titisan. Fenomena serupa diperhatikan gelombang bunyi, misalnya, di Galeri Berbisik yang terkenal di bawah lengkungan St. Paul di London. Seseorang berbisik sambil menghadap satu dinding dapat didengar di kejauhan di dinding yang bertentangan, kerana bunyi mengalami banyak pantulan dari dinding bulat.
Namun, dalam hal cahaya, gelombang yang masuk ke dalam titisan juga dapat meninggalkannya karena terowong. Untuk panjang gelombang tertentu, setelah beberapa pantulan dalaman, gelombang diperkuat oleh gangguan konstruktif, membentuk apa yang disebut resonans Mie. Kesan ini dapat dibandingkan dengan ayunan ayunan kerana gegaran, frekuensi yang bertepatan dengan frekuensi semula jadi. Berkaitan dengan analogi akustik, resonans ini juga disebut sebagai kesan galeri berbisik. Bahkan sedikit perubahan panjang gelombang cukup untuk memecahkan resonans; oleh itu, resonans Mi sangat tajam dan memberikan peningkatan intensiti yang ketara.
Ringkasnya, kita dapat mengatakan bahawa tiga kesan menyumbang kepada fenomena gloria: penghamburan belakang paksi yang dianggap oleh Ray sesuai dengan optik geometri; gelombang tepi, termasuk gelombang permukaan van de Hulst; Resonans Mie yang timbul dari terowong. Pada tahun 1977, Vijay Khare, ketika itu di University of Rochester, dan saya menilai sumbangan sinar tepi, termasuk gelombang van de Hulst. Resonans telah dikaji oleh Luiz Gallisa Guimaraes dari Universiti Persekutuan Rio de Janeiro pada tahun 1994. Pada tahun 2002, saya melakukan analisis terperinci yang mana antara tiga kesan yang paling penting. Ternyata sumbangan pemusnah belakang aksial tidak dapat diabaikan, dan yang paling ketara adalah kesan resonans akibat terowong luar. Kesimpulan yang tidak dapat dielakkan dari ini adalah:gloria adalah kesan makroskopik dari terowong cahaya.
Gloria dan iklim
Selain memberikan kepuasan intelektual yang murni terhadap masalah gloria, kesan terowong cahaya mempunyai aplikasi praktikal juga. Kesan galeri berbisik telah digunakan untuk membuat laser berdasarkan tetesan air mikroskopik, mikrosfera keras, dan cakera mikroskopik. Light tunneling baru-baru ini digunakan dalam paparan skrin sentuh. Jari yang mendekati layar bertindak sebagai lensa Newton, yang memungkinkan cahaya masuk ke dalam layar, menyebarkan ke arah yang berlawanan, dan menghasilkan isyarat. Gelombang cahaya yang tidak homogen yang dihasilkan oleh terowong digunakan dalam teknologi penting seperti mikroskopi dekat, yang dapat menyelesaikan perincian yang lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya, sehingga melanggar batas pembelauan yang disebut.yang dalam mikroskopi konvensional untuk objek dengan ukuran ini memberikan gambaran kabur.
Memahami penyebaran cahaya di titisan air sangat penting untuk menilai peranan awan dalam perubahan iklim. Air sangat telus di kawasan spektrum yang dapat dilihat, namun, seperti karbon dioksida dan gas rumah hijau yang lain, ia menyerap sinaran inframerah di beberapa jalur. Oleh kerana resonans Mie biasanya dikaitkan dengan sejumlah besar kejadian pantulan dalaman, titisan kecil dapat menyerap pecahan radiasi yang signifikan, terutama jika air mengandung kotoran. Persoalannya timbul: adakah penutup awan, kerana ketumpatan rata-ratanya berubah, membuat Bumi tetap sejuk dengan memantulkan sebahagian besar cahaya matahari ke angkasa, atau akan menyumbang kepada pemanasannya, bertindak sebagai selimut tambahan yang memerangkap radiasi inframerah?
Sehingga sekitar sepuluh tahun yang lalu, pemodelan penyebaran cahaya oleh awan dilakukan dengan mengira resonans Mie untuk sekumpulan ukuran tetesan yang agak kecil yang dianggap mewakili awan khas. Ini mengurangkan masa penghitungan pada komputer super, tetapi ia menimbulkan perangkap yang tidak dijangka. Seperti yang saya tunjukkan pada tahun 2003, dengan menggunakan kaedah saya sendiri untuk menganalisis pelangi dan gloria, kaedah pemodelan standard boleh menyebabkan kesalahan hingga 30% untuk beberapa jalur spektrum sempit. Oleh itu, semasa mengira hamburan dari titisan dengan ukuran yang dipilih, mudah untuk kehilangan sumbangan penting dari banyak resonans sempit yang berkaitan dengan titisan ukuran pertengahan. Sebagai contoh, jika pengiraan dilakukan untuk titisan dengan diameter satu, dua, tiga, dll. mikron, resonans yang sangat sempit pada 2.4 mikron dilalui. Ramalan saya disahkan pada tahun 2006. Dalam kajian yang memperhitungkan sebaran sebenar ukuran titisan di atmosfer, dalam beberapa tahun terakhir modelnya diperbaiki dengan mempertimbangkan tetesan, ukuran yang dipecah menjadi selang waktu yang jauh lebih kecil.
Seperti yang diramalkan oleh Wigner, hasil yang diperoleh walaupun dengan komputer super sempurna, jika tidak diterangi oleh pemikiran fizikal, tidak dapat dipercaya. Ada sesuatu yang perlu difikirkan, terutamanya jika lain kali tempat duduk anda berada di tepi tingkap.
