Het verklaren van een van de mooiste fenomenen in de meteorologie vereist een zeer geavanceerde aanpak. Het bestuderen ervan helpt ook om de rol van wolken bij klimaatverandering te begrijpen.
Als u een dagvlucht maakt, neem dan plaats bij het raam. En dan kun je misschien de schaduw van het vliegtuig op de wolken zien. Maar je moet wel rekening houden met de vliegrichting ten opzichte van de zon. Als je geluk hebt, word je beloond en kun je een schilderachtig schouwspel observeren - een veelkleurige halo die de schaduw van een vliegtuig omlijst. Het heet "gloria". De oorsprong is te wijten aan een complexer effect dan het verschijnen van een regenboog. Dit fenomeen zal het meest indrukwekkend zijn als de wolken dichtbij zijn, aangezien het zich dan tot aan de horizon uitstrekt.
Als je een bergbeklimmer bent, kun je gloria kort na zonsopgang waarnemen rond de schaduw die door je hoofd op de dichtstbijzijnde wolk wordt geworpen. We presenteren hier het eerste rapport over de waarneming van een dergelijk fenomeen door leden van de Franse expeditie naar de top van de berg Pambamarca op het grondgebied van het huidige Ecuador, gepubliceerd tien jaar na de beklimming, in 1748. “De wolk die ons bedekte, begon te verdwijnen en de stralen van de rijzende zon doorboorden het. En toen zag ieder van ons onze schaduw op de wolk werpen. Wat we het meest opmerkelijk vonden, was het verschijnen van een halo of gloria, bestaande uit drie of vier kleine concentrische, felgekleurde cirkels rond het hoofd. Het meest verrassende was dat van de zes of zeven leden van de groep, elk dit fenomeen alleen observeerde rond de schaduw van zijn eigen hoofd,Ik heb nog nooit zoiets gezien in de schaduw van mijn kameraden."
Veel onderzoekers geloofden dat halo's op afbeeldingen van goden en keizers in oosterse en westerse iconografie een artistieke fixatie van het fenomeen gloria vertegenwoordigen. (We vinden een allegorische bevestiging van deze veronderstelling in het beroemde gedicht van Samuel Taylor Coleridge "Fidelity to the Ideal Image"). Aan het einde van de 19e eeuw. De Schotse natuurkundige Charles Thomson Rees Wilson vond een 'wolkencamera' uit (in Russische terminologie - Wilson's kamer) en probeerde dit fenomeen in het laboratorium te reproduceren.
Hij faalde, maar realiseerde zich al snel dat de camera kon worden gebruikt om deeltjes te registreren, en kreeg als resultaat de Nobelprijs. De schaduw van een waarnemer of een vliegtuig speelt geen rol bij de vorming van de gloria. Het enige dat ze met elkaar verbindt, is dat de schaduw de richting precies tegengesteld aan die van de zon vastlegt. Dit betekent dat gloria een terugverstrooiingseffect is dat zonlicht bijna 180 ° afbuigt. Je zou kunnen denken dat zo'n bekend effect, behorend tot zo'n eerbiedwaardig natuurkundig gebied als optica, ongetwijfeld al lang geleden verklaard zou moeten zijn. Desalniettemin vormt de uitleg van dit, volgens de auteurs van het rapport uit 1748, "het effect zo oud als de wereld", eeuwenlang een serieuze uitdaging voor wetenschappers. Zelfs een regenboog is een complexer fenomeen dan hoe elementaire natuurkundeboeken het beschrijven. Bovendien is het mechanisme van gloria-vorming zelfs nog ingewikkelder.
In principe worden zowel de gloria als de regenboog verklaard in termen van standaard theoretische optica, die al aan het begin van de 20e eeuw bestond. Hierdoor kon de Duitse natuurkundige Gustav Mie een nauwkeurige wiskundige oplossing vinden voor het proces van lichtverstrooiing door een waterdruppel. De duivel zit echter in de details. Bij de Mie-methode worden termen toegevoegd, de zogenaamde deelgolven. Er is een oneindig aantal van dergelijke termen nodig om op te sommen, en hoewel een eindig aantal praktisch significant is, vereist de methode van Mee de berekening van honderden en duizenden zeer complexe uitdrukkingen.
Als u ze in een computer invoert, geeft dit het juiste resultaat, maar het is onmogelijk te begrijpen welke fysieke processen verantwoordelijk zijn voor de waargenomen effecten. Oplossing Mi-typische wiskundige "zwarte doos": voer de initiële gegevens erin in en het geeft het resultaat. Het is relevant hier een opmerking van Nobelprijswinnaar Eugene Paul Wigner in herinnering te roepen: “Het is geweldig dat de computer het probleem heeft begrepen. Maar ik zou haar ook graag willen begrijpen. " Blind vertrouwen in cijfers met brute kracht kan tot verkeerde conclusies leiden, zoals hieronder zal worden aangetoond.
In 1965 begon ik met het ontwikkelen van een onderzoeksprogramma dat onder andere zou leiden tot een volledige fysieke verklaring van gloria. En dit doel, op de manier waarop ik werd geholpen door verschillende medewerkers, werd bereikt in 2003. De oplossing was gebaseerd op het in aanmerking nemen van golftunneling, een van de meest mysterieuze fysieke effecten die Isaac Newton voor het eerst waarnam in 1675. Golftunneling ligt ten grondslag. een van de soorten moderne aanraakschermen die worden gebruikt in computers en mobiele telefoons. Het is ook belangrijk om het te overwegen voor het oplossen van het moeilijkste en belangrijkste probleem, hoe atmosferische aerosolen, waaronder wolken, maar ook stof- en roetdeeltjes, de klimaatverandering beïnvloeden.
Promotie video:
Golven en deeltjes
Eeuwenlang hebben wetenschappers verschillende verklaringen voor gloria aangedragen, maar die bleken allemaal onjuist te zijn. Aan het begin van de 19e eeuw. De Duitse natuurkundige Josef von Fraunhofer suggereerde dat zonlicht verspreid werd, d.w.z. teruggekaatst door druppels in de diepte van de wolk, diffracteert op druppels in de oppervlaktelaag. Diffractie is een fenomeen dat verband houdt met de golfkarakteristiek van licht en het toestaat "om de hoek te kijken", net zoals zeegolven rond een obstakel gaan en zich verder verspreiden, alsof het helemaal niet bestaat.
Fraunhofers idee was dat dit dubbel verstrooide licht corona-achtige gekleurde diffractieringen zou vormen op de wolken rond de maan. In 1923 ontkende de Indiase natuurkundige Bidhu Bhusan Ray echter de suggestie van Fraunhofer. Als resultaat van experimenten met kunstmatige wolken, toonde Ray aan dat de verdeling van helderheid en kleuren in de gloria en in de corona verschillend is, en dat de eerste direct in de buitenste lagen van de wolk plaatsvindt als gevolg van een enkele handeling van terugverstrooiing door waterdruppels.
Ray probeerde deze terugverstrooiing uit te leggen in termen van geometrische optica, historisch geassocieerd met de corpusculaire theorie van licht, volgens welke licht reist in rechte stralen in plaats van als een golf. Wanneer het het grensvlak tussen verschillende media ontmoet, zoals water en lucht, wordt licht gedeeltelijk gereflecteerd en gedeeltelijk door breking in een ander medium doordringt (breking is wat een potlood, half ondergedompeld in water, doet lijken alsof het gebroken is). Licht dat in een waterdruppel is binnengedrongen voordat het het verlaat, wordt een of meerdere keren gereflecteerd op het tegenoverliggende binnenoppervlak. Ray bekeek de straal terwijl deze zich voortplantte langs de as van de druppel en weerkaatste naar zijn ingangspunt. Maar zelfs met meerdere keren heen en weer reflecteren, was het effect te zwak om gloria te verklaren.
De theorie van het gloria-effect moet dus de grenzen van geometrische optica overschrijden en rekening houden met de golfkarakteristiek van licht en in het bijzonder met een golfeffect als diffractie. In tegenstelling tot refractie neemt diffractie toe met toenemende golflengte van licht. Het feit dat gloria een diffractief effect is, volgt uit het feit dat de binnenrand blauw is en de buitenrand rood, in overeenstemming met de kortere en langere golflengten.
De wiskundige theorie van diffractie door een bol zoals een waterdruppel, bekend als Mie-verstrooiing, omvat de berekening van oneindige sommen termen, de zogenaamde deelgolven. Elke partiële golf is een complexe functie van de druppelgrootte, brekingsindex en botsingsparameter, d.w.z. afstand van de straal tot het midden van de druppel. Zonder een snelle computer zijn berekeningen van Mie-verstrooiing uit druppeltjes van verschillende groottes ongelooflijk complex. Pas in de jaren negentig, toen voldoende snelle computers verschenen, werden betrouwbare resultaten verkregen voor druppeltjes in het bereik van de voor wolken kenmerkende grootten. Maar onderzoekers hebben andere manieren nodig om te onderzoeken om te begrijpen hoe dit werkelijk gebeurt.
Hendrik C. Van de Hulst, pionier van de moderne radioastronomie, midden 20ste eeuw. leverde de eerste belangrijke bijdrage aan het begrip van de fysica van gloria. Hij wees erop dat een lichtstraal die heel dicht bij de rand in een druppel doordringt, binnen de druppel langs een Y-vormige baan gaat, wordt gereflecteerd vanaf het binnenoppervlak en terugkeert in bijna dezelfde richting waarin hij kwam. Aangezien de druppel symmetrisch is over de gehele bundel parallelle zonnestralen, zal een gunstige botsingsparameter worden gerealiseerd voor hun gehele cilindrische bundel die op dezelfde afstand van het midden op de druppel valt. Op deze manier wordt een focusserend effect bereikt, dat de backscatter vermenigvuldigt.
De verklaring klinkt overtuigend, maar er is een addertje onder het gras. Op de weg van penetratie in de druppel om eruit te komen, wordt de straal afgebogen als gevolg van breking (breking). De brekingsindex van water is echter niet groot genoeg om de straal precies achterwaarts te verstrooien door een enkele interne reflectie. Het enige dat een druppel water kan doen, is de straal weerkaatsen in een richting van ongeveer 14 ° ten opzichte van het origineel.
In 1957 suggereerde Van de Hulst dat deze afwijking kon worden ondervangen door extra paden doorkruist door licht in de vorm van een golf langs het druppeloppervlak. Dergelijke oppervlaktegolven, verbonden met de interface tussen twee media, komen in veel situaties voor. Het idee is dat een straal die tangentiaal op een druppel valt, een eind langs zijn oppervlak passeert, in de druppel doordringt en zijn binnenste achteroppervlak raakt. Hier glijdt het weer langs het binnenoppervlak en wordt het terug in de druppel gereflecteerd. En op het laatste segment van het pad langs het oppervlak wordt de straal eruit gereflecteerd en verlaat de druppel. De essentie van het effect is dat de straal terug wordt verstrooid in dezelfde richting als waarin hij kwam.
Een mogelijke zwakte van deze verklaring was dat de energie van oppervlaktegolven wordt besteed aan een tangentieel pad. Van de Hulst suggereerde dat deze demping ruimschoots wordt gecompenseerd door axiale focussering. Op het moment dat hij dit vermoeden formuleerde, waren er geen methoden om de bijdrage van oppervlaktegolven te kwantificeren.
Niettemin moest alle informatie over de fysieke oorzaken van gloria, inclusief de rol van oppervlaktegolven, expliciet worden opgenomen in de reeks gedeeltelijke Mie-golven.
De rede verslaat de computer
Een mogelijke oplossing voor de gloria-puzzel gaat niet alleen over oppervlaktegolven. In 1987, Warren Wiscombe van het Space Flight Center. Goddard bij NASA (Greenbelt, Maryland) en ik hebben een nieuwe benadering van diffractie voorgesteld waarin lichtstralen die buiten de bol passeren een belangrijke bijdrage kunnen leveren. Op het eerste gezicht lijkt dit absurd. Hoe kan een druppel een lichtstraal beïnvloeden die er niet doorheen gaat? Golven, en in het bijzonder lichtgolven, hebben het ongebruikelijke vermogen om een barrière te ‘tunnelen’ of door te dringen. Lichtenergie kan bijvoorbeeld in sommige omstandigheden naar buiten sijpelen, terwijl men zou denken dat licht binnen de gegeven omgeving moet blijven.
Doorgaans zal licht dat zich voortplant in een medium zoals glas of water volledig gereflecteerd worden vanaf het grensvlak met een medium met een lagere brekingsindex, zoals lucht, als de straal dit oppervlak onder een voldoende kleine hoek raakt. Dit totale interne reflectie-effect houdt bijvoorbeeld het signaal binnen de optische vezel. Zelfs als het licht volledig wordt gereflecteerd, verdwijnen de elektrische en magnetische velden die de lichtgolf vormen niet direct voorbij het grensvlak. In feite dringen deze velden de grens binnen over een korte afstand (in de orde van de golflengte van de lichtgolf) in de vorm van een zogenaamde "niet-uniforme golf". Zo'n golf draagt geen energie buiten de interface, maar vormt een oscillerend veld op het oppervlak, vergelijkbaar met een gitaarsnaar.
Wat ik zojuist heb beschreven, bevat nog niet het tunneleffect. Als een derde medium echter op een afstand van de grens wordt geplaatst die kleiner is dan de lengte van de inhomogene golf, dan zal het licht zijn voortplanting in dit medium hervatten en daar energie pompen. Hierdoor verzwakt de interne reflectie in het eerste medium en dringt licht (tunnels) door het tussenmedium, dat als barrière diende.
Significante tunneling vindt alleen plaats als de opening tussen de twee media niet significant groter is dan één golflengte, d.w.z. bij zichtbaar licht niet meer dan een halve micron. Newton nam dit fenomeen al in 1675 waar. Hij onderzocht het interferentiepatroon, nu bekend als de ringen van Newton, dat optreedt wanneer een plano-convexe lens op een vlakke glasplaat wordt aangebracht. De ringen hoeven alleen te worden geobserveerd als het licht rechtstreeks van de lens in de plaat valt. Newton ontdekte dat zelfs wanneer een zeer kleine afstand het lensoppervlak van de plaat scheidde, d.w.z. de twee oppervlakken waren niet in contact met elkaar, een deel van het licht dat totale interne reflectie had moeten ondergaan, drong in plaats daarvan door de opening.
Tunneling is duidelijk contra-intuïtief. Natuurkundige Georgy Gamov was de eerste die dit fenomeen in de kwantummechanica onthulde. In 1928 legde hij met zijn hulp uit hoe bepaalde radioactieve isotopen alfadeeltjes kunnen uitzenden. Hij toonde aan dat alfadeeltjes in de kern niet genoeg energie hebben om uit een zware kern te breken, net zoals een kanonskogel de ontsnappingssnelheid niet kan bereiken en zich losmaakt van het zwaartekrachtveld van de aarde. Hij kon aantonen dat een alfadeeltje vanwege zijn golfkarakter nog steeds de barrière kan binnendringen en de kern kan verlaten.
In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, is tunneling echter niet alleen een puur kwantumeffect; het wordt ook waargenomen in het geval van klassieke golven. Een zonnestraal die in een wolk buiten een waterdruppel passeert, kan, in tegenstelling tot de intuïtieve verwachting, door het tunneleffect doordringen en zo bijdragen tot het ontstaan van gloria.
Ons eerste werk met Wiskomb betrof de studie van de verstrooiing van licht door volledig reflecterende zilveren ballen. We ontdekten dat de gedeeltelijke golven van een straal die buiten de bol passeert, als de afstand tot het druppeloppervlak niet te groot is, naar het oppervlak kunnen tunnelen en een aanzienlijke bijdrage kunnen leveren aan diffractie.
In het geval van transparante bollen, zoals waterdruppels, kan het licht na het tunnelen naar hun oppervlak naar binnen doordringen. Daar raakt het het binnenoppervlak van de bol onder een hoek die klein genoeg is om totale interne reflectie te ondergaan, en blijft daarom opgesloten in de druppel. Een soortgelijk fenomeen wordt waargenomen bij geluidsgolven, bijvoorbeeld in de beroemde Whispering Gallery onder de bogen van St. Paul in Londen. Een persoon die fluistert terwijl hij naar een muur kijkt, kan in de verte bij de tegenoverliggende muur worden gehoord, omdat geluid ondergaat meerdere weerkaatsingen van ronde wanden.
In het geval van licht kan een golf die in de druppel is getunneld, deze echter ook verlaten door tunneling. Voor bepaalde golflengten, na meerdere interne reflecties, wordt de golf versterkt door constructieve interferentie, waardoor de zogenaamde Mie-resonantie wordt gevormd. Dit effect kan worden vergeleken met het zwaaien van een schommel als gevolg van schokken, waarvan de frequentie samenvalt met hun eigen frequentie. In verband met de akoestische analogie worden deze resonanties ook wel het fluistergalerij-effect genoemd. Zelfs een kleine verandering in golflengte is voldoende om de resonantie te doorbreken; daarom zijn Mi-resonanties extreem scherp en zorgen voor een aanzienlijke toename in intensiteit.
Samenvattend kunnen we zeggen dat drie effecten bijdragen aan het gloria-fenomeen: de axiale terugverstrooiing die door Ray wordt beschouwd in overeenstemming met geometrische optica; randgolven, inclusief van de Hulst oppervlaktegolven; Mie-resonanties die voortkomen uit tunneling. In 1977 evalueerden Vijay Khare, toen aan de Universiteit van Rochester, en ik de bijdrage van randstralen, waaronder van de Hulst-golven. De resonanties zijn in 1994 beoordeeld door Luiz Gallisa Guimaraes van de Federale Universiteit van Rio de Janeiro. In 2002 heb ik een gedetailleerde analyse gemaakt van welke van de drie effecten het belangrijkst is. Het bleek dat de bijdrage van axiale terugverstrooiing verwaarloosbaar is, en het belangrijkste is het effect van resonanties als gevolg van off-edge tunneling. De onvermijdelijke conclusie die hieruit volgt is deze:gloria is een macroscopisch effect van lichttunneling.
Gloria en het klimaat
Naast het verschaffen van pure intellectuele bevrediging aan het gloria-probleem, heeft het tunneleffect van licht ook praktische toepassingen. Het fluistergalerij-effect is gebruikt om lasers te maken op basis van microscopisch kleine waterdruppeltjes, harde microsferen en microscopisch kleine schijven. Lichttunneling is onlangs gebruikt in touchscreen-displays. Een vinger die het scherm nadert, fungeert als een Newtoniaanse lens, waardoor licht in het scherm kan tunnelen, zich in de tegenovergestelde richting kan verspreiden en een signaal kan genereren. Een inhomogene lichtgolf die door tunneling wordt gegenereerd, wordt gebruikt in een belangrijke technologie zoals near-edge microscopie, die details kan oplossen die kleiner zijn dan de golflengte van het licht, waardoor de zogenaamde diffractielimiet wordt doorbroken.wat bij conventionele microscopie voor objecten van deze grootte een wazig beeld geeft.
Het begrijpen van de verstrooiing van licht in waterdruppels is vooral belangrijk om de rol van wolken bij klimaatverandering te beoordelen. Water is zeer transparant in het zichtbare deel van het spectrum, maar absorbeert, net als kooldioxide en andere broeikasgassen, in sommige banden infraroodstraling. Omdat Mie-resonanties meestal worden geassocieerd met een zeer groot aantal interne reflectiegebeurtenissen, kan een kleine druppel een aanzienlijk deel van de straling absorberen, vooral als het water onzuiverheden bevat. De vraag rijst: zal de bewolking, als de gemiddelde dichtheid verandert, de aarde koel houden en het meeste zonlicht de ruimte in reflecteren, of zal het bijdragen aan de verwarming ervan, als een extra deken die infraroodstraling opvangt?
Tot ongeveer tien jaar geleden werd modellering van lichtverstrooiing door wolken uitgevoerd door Mie-resonanties te berekenen voor een relatief kleine reeks druppelgroottes die als representatief werden beschouwd voor typische wolken. Dit verminderde de teltijd op de supercomputer, maar het vormde een onverwachte val. Zoals ik in 2003 heb laten zien, kunnen standaardmodelleringsmethoden met mijn eigen methoden voor het analyseren van regenboog en gloria leiden tot fouten tot 30% voor sommige smalle spectrale banden. Bij het berekenen van de verstrooiing van druppeltjes met vooraf geselecteerde afmetingen, is het dus gemakkelijk een belangrijke bijdrage over het hoofd te zien van vele nauwe resonanties die samenhangen met druppeltjes met tussenliggende afmetingen. Als de berekening bijvoorbeeld is uitgevoerd voor druppeltjes met een diameter van één, twee, drie enz. micron, werd een zeer smalle resonantie bij 2,4 micron gepasseerd. Mijn voorspelling werd in 2006 bevestigd. In onderzoeken die rekening hielden met de werkelijke verdeling van druppelgroottes in de atmosfeer, zijn de modellen de afgelopen jaren verbeterd door rekening te houden met druppeltjes waarvan de groottes zijn opgesplitst in veel kleinere intervallen.
Zoals voorspeld door Wigner, zijn de resultaten die zelfs met een perfecte supercomputer worden verkregen, als ze niet worden verlicht door fysieke gedachten, niet geloofwaardig. Er is iets om over na te denken, vooral als u de volgende keer in het vliegtuig bij het raam zit.