Spiegare uno dei fenomeni più belli della meteorologia richiede un approccio molto sofisticato. Studiarlo aiuta anche a capire il ruolo delle nuvole nel cambiamento climatico.
Se sei su un volo diurno, si prega di prendere un posto vicino al finestrino. E poi potresti essere in grado di vedere l'ombra dell'aereo sulle nuvole. Ma devi prendere in considerazione la direzione del volo rispetto al sole. Se sei fortunato, sarai ricompensato e potrai osservare uno spettacolo pittoresco: un alone multicolore, al confine con l'ombra dell'aereo di linea. Si chiama "gloria". La sua origine è dovuta a un effetto più complesso rispetto all'aspetto di un arcobaleno. Questo fenomeno sarà più impressionante se le nuvole sono vicine, da allora si estende fino all'orizzonte.
Se sei un alpinista, puoi osservare la gloria subito dopo l'alba intorno all'ombra proiettata dalla tua testa sulla nuvola più vicina. Presentiamo qui il primo rapporto sull'osservazione di un tale fenomeno da parte dei membri della spedizione francese alla vetta del Monte Pambamarca sul territorio dell'attuale Ecuador, pubblicato dieci anni dopo l'ascesa, nel 1748. “La nuvola che ci copriva cominciò a dissiparsi, ei raggi del sole nascente la perforarono. E poi ognuno di noi ha visto la nostra ombra proiettata sulla nuvola. Ciò che abbiamo trovato più notevole è stata l'apparizione di un alone, o gloria, costituito da tre o quattro piccoli cerchi concentrici, dai colori vivaci intorno alla testa. La cosa più sorprendente è stata che su sei o sette membri del gruppo, ognuno ha osservato questo fenomeno solo intorno all'ombra della propria testa,Non ho mai visto niente di simile all'ombra dei miei compagni."
Molti ricercatori credevano che gli aloni sulle immagini di divinità e imperatori nell'iconografia orientale e occidentale rappresentassero una fissazione artistica del fenomeno della gloria. (Troviamo una conferma allegorica di questa ipotesi nel famoso poema di Samuel Taylor Coleridge "Fedeltà all'immagine ideale"). Alla fine del XIX secolo. Il fisico scozzese Charles Thomson Rees Wilson ha inventato una fotocamera "a nuvola" (nella terminologia russa - la camera di Wilson) e ha tentato di riprodurre questo fenomeno in laboratorio.
Fallì, ma si rese presto conto che la fotocamera poteva essere utilizzata per registrare le particelle e, di conseguenza, ricevette il premio Nobel. L'ombra di un osservatore o di un aeroplano non ha alcun ruolo nella formazione della gloria. L'unica cosa che li collega è che l'ombra fissa la direzione esattamente opposta a quella del Sole. Ciò significa che gloria è un effetto di retrodiffusione che devia la luce solare di quasi 180 °. Si potrebbe pensare che un effetto così noto, appartenente a un campo della fisica così venerabile come l'ottica, avrebbe dovuto senza dubbio essere stato spiegato molto tempo fa. Tuttavia, spiegare questo, secondo gli autori del rapporto del 1748, "l'effetto antico quanto il mondo", ha rappresentato per secoli una seria sfida per gli scienziati. Anche un arcobaleno è un fenomeno più complesso di come lo descrivono i libri di testo di fisica elementare. Inoltre, il meccanismo di formazione della gloria è ancora più complicato.
In linea di principio, sia la gloria che l'arcobaleno sono spiegati in termini di ottica teorica standard, che esisteva già all'inizio del XX secolo. Ciò ha permesso al fisico tedesco Gustav Mie di ottenere una soluzione matematica accurata per il processo di diffusione della luce da parte di una goccia d'acqua. Tuttavia, il diavolo è nei dettagli. Il metodo Mie prevede l'aggiunta di termini, le cosiddette onde parziali. Per riassumere è necessario un numero infinito di tali termini e, sebbene un numero finito di essi sia praticamente significativo, il metodo di Mee richiede il calcolo di centinaia e migliaia di espressioni molto complesse.
Se li inserisci in un computer, darà il risultato corretto, tuttavia, è impossibile capire quali processi fisici sono responsabili degli effetti osservati. Soluzione Mi-tipica "scatola nera" matematica: inserisci i dati iniziali in essa e ti darà il risultato. È opportuno ricordare qui un'osservazione del premio Nobel Eugene Paul Wigner: “È fantastico che il computer abbia capito il problema. Ma vorrei anche capirla. " La fede cieca nel macinare numeri con la forza bruta può portare a conclusioni sbagliate, come verrà mostrato di seguito.
Nel 1965 ho iniziato a sviluppare un programma di ricerca che, tra le altre cose, avrebbe portato a una spiegazione fisica completa della gloria. E questo obiettivo, sulla strada per cui sono stato aiutato da diversi collaboratori, è stato raggiunto nel 2003. La soluzione era basata sul prendere in considerazione il wave tunneling, uno degli effetti fisici più misteriosi che Isaac Newton osservò per la prima volta nel 1675. Wave tunneling alla base uno dei tipi di touch screen moderni utilizzati nei computer e nei telefoni cellulari. È anche importante considerarlo per risolvere il problema più difficile e più importante, come gli aerosol atmosferici, che includono le nuvole, così come le particelle di polvere e fuliggine, influenzano il cambiamento climatico.
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Onde e particelle
Per diversi secoli, gli scienziati hanno offerto varie spiegazioni per gloria, ma si sono rivelate tutte errate. All'inizio del XIX secolo. Il fisico tedesco Josef von Fraunhofer ha suggerito che la luce solare fosse diffusa, ad es. riflessa indietro, da gocce nella profondità della nuvola, si diffrange su gocce nel suo strato superficiale. La diffrazione è un fenomeno associato alla natura ondulatoria della luce e le permette di "guardare dietro l'angolo", proprio come le onde del mare aggirano un ostacolo e si diffondono ulteriormente, come se non esistesse affatto.
L'idea di Fraunhofer era che questa luce doppiamente diffusa avrebbe formato anelli di diffrazione colorati simili a corone sulle nuvole che circondavano la luna. Tuttavia, nel 1923 il fisico indiano Bidhu Bhusan Ray negò il suggerimento di Fraunhofer. Come risultato di esperimenti con nuvole artificiali, Ray ha dimostrato che la distribuzione della luminosità e dei colori nella gloria e nella corona è diversa e che la prima si verifica direttamente negli strati esterni della nuvola come risultato di un singolo atto di retrodiffusione da parte delle goccioline d'acqua.
Ray ha cercato di spiegare questa retrodiffusione in termini di ottica geometrica, storicamente associata alla teoria corpuscolare della luce, secondo la quale la luce viaggia in raggi rettilinei piuttosto che come un'onda. Quando incontra l'interfaccia tra diversi mezzi, come l'acqua e l'aria, la luce viene parzialmente riflessa e parzialmente penetra in un altro mezzo a causa della rifrazione (la rifrazione è ciò che fa sembrare spezzata una matita, per metà immersa nell'acqua). La luce che è penetrata in una goccia d'acqua, prima di lasciarla, viene riflessa una o più volte sulla sua superficie interna opposta. Ray ha osservato il raggio mentre si propagava lungo l'asse della gocciolina e si rifletteva verso il suo punto di ingresso. Tuttavia, anche con più atti di riflessione avanti e indietro, l'effetto era troppo debole per spiegare gloria.
Pertanto, la teoria dell'effetto gloria dovrebbe andare oltre i limiti dell'ottica geometrica e tenere conto della natura ondulatoria della luce e, in particolare, di un effetto ondoso come la diffrazione. A differenza della rifrazione, la diffrazione aumenta con l'aumentare della lunghezza d'onda della luce. Il fatto che gloria sia un effetto diffrattivo deriva dal fatto che il suo bordo interno è blu e quello esterno è rosso, in accordo con le lunghezze d'onda più corte e più lunghe.
La teoria matematica della diffrazione da parte di una sfera come una goccia d'acqua, nota come scattering di Mie, prevede il calcolo di infinite somme di termini, le cosiddette onde parziali. Ogni onda parziale è una funzione complessa della dimensione della goccia, dell'indice di rifrazione e del parametro di collisione, ad es. distanza dal raggio al centro della goccia. Senza un computer ad alta velocità, i calcoli della dispersione di Mie da goccioline di varie dimensioni sono incredibilmente complessi. È stato solo negli anni '90, quando sono comparsi computer sufficientemente veloci, che sono stati ottenuti risultati affidabili per goccioline nella gamma di dimensioni caratteristiche delle nuvole. Ma i ricercatori hanno bisogno di altri modi di esplorare per capire come ciò avvenga effettivamente.
Hendrik C. Van de Hulst, pioniere della moderna radioastronomia, a metà del XX secolo. ha dato il primo contributo significativo alla comprensione della fisica di gloria. Ha sottolineato che un raggio di luce che penetra in una goccia molto vicino al suo bordo, all'interno della goccia passa lungo una traiettoria a forma di Y, viene riflesso dalla sua superficie interna e ritorna quasi nella stessa direzione in cui è venuto. Poiché la goccia è simmetrica, tra l'intero fascio di raggi solari paralleli, si realizzerà un parametro di collisione favorevole per tutto il loro raggio cilindrico che cade sulla goccia alla stessa distanza dal suo centro. In questo modo, si ottiene un effetto di focalizzazione, che moltiplica la retrodiffusione.
La spiegazione sembra convincente, ma c'è un problema. Durante il percorso dalla penetrazione nella goccia per uscirne, il raggio viene deviato a causa della rifrazione (rifrazione). Tuttavia, l'indice di rifrazione dell'acqua non è abbastanza grande da consentire al raggio di diffondersi esattamente all'indietro come risultato di una singola riflessione interna. Il massimo che una goccia d'acqua può fare è far rimbalzare il raggio in una direzione di circa 14 ° dall'originale.
Nel 1957, van de Hulst suggerì che questa deviazione poteva essere superata da percorsi aggiuntivi attraversati dalla luce sotto forma di un'onda lungo la superficie delle goccioline. Tali onde superficiali, legate all'interfaccia tra due mezzi, sorgono in molte situazioni. L'idea è che un raggio incidente tangenzialmente su una goccia percorra una certa distanza lungo la sua superficie, penetri nella goccia e colpisca la sua superficie posteriore interna. Qui scorre di nuovo lungo la superficie interna e viene riflesso nella goccia. E sull'ultimo segmento del percorso lungo la superficie, il raggio viene riflesso da esso ed esce dalla goccia. L'essenza dell'effetto è che il raggio viene proiettato indietro nella stessa direzione in cui è arrivato.
Una potenziale debolezza di questa spiegazione era che l'energia delle onde di superficie viene spesa su un percorso tangenziale. Van de Hulst ha suggerito che questo smorzamento è più che compensato dalla messa a fuoco assiale. Al momento in cui formulò questa congettura, non esistevano metodi per quantificare il contributo delle onde di superficie.
Tuttavia, tutte le informazioni sulle cause fisiche della gloria, compreso il ruolo delle onde di superficie, dovevano essere esplicitamente incluse nella serie delle onde di Mie parziali.
La ragione sconfigge il computer
Una possibile soluzione al puzzle di gloria non riguarda solo le onde di superficie. Nel 1987 Warren Wiscombe dello Space Flight Center. Goddard della NASA (Greenbelt, Maryland) e io abbiamo proposto un nuovo approccio alla diffrazione in cui i raggi di luce che passano all'esterno della sfera possono dare un contributo significativo. A prima vista, questo sembra assurdo. Come può una goccia influenzare un raggio di luce che non la attraversa? Le onde, e in particolare le onde luminose, hanno la capacità insolita di "tunnel" o penetrare una barriera. Ad esempio, l'energia luminosa in alcune circostanze può filtrare all'esterno, quando si potrebbe credere che la luce dovrebbe rimanere all'interno di un dato ambiente.
Tipicamente, la luce che si propaga in un mezzo come il vetro o l'acqua sarà completamente riflessa dall'interfaccia con un mezzo con un indice di rifrazione inferiore, come l'aria, se il raggio colpisce questa superficie con un angolo sufficientemente piccolo. Ad esempio, questo effetto di riflessione interna totale mantiene il segnale all'interno della fibra ottica. Anche se la luce è completamente riflessa, i campi elettrici e magnetici che formano l'onda luminosa non svaniscono immediatamente oltre l'interfaccia. Questi campi, infatti, penetrano nel confine per una breve distanza (dell'ordine della lunghezza d'onda dell'onda luminosa) sotto forma di una cosiddetta "onda non uniforme". Tale onda non trasporta energia oltre l'interfaccia, ma forma un campo oscillante sulla sua superficie, simile a una corda di chitarra.
Ciò che ho appena descritto non contiene ancora l'effetto tunneling. Tuttavia, se un terzo mezzo viene posizionato a una distanza dal confine inferiore alla lunghezza dell'onda disomogenea, la luce riprenderà la sua propagazione in questo mezzo, pompando energia lì. Di conseguenza, la riflessione interna nel primo mezzo si indebolisce e la luce penetra (tunnel) attraverso il mezzo intermedio, che fungeva da barriera.
Un tunneling significativo si verifica solo se lo spazio tra i due mezzi non supera significativamente una lunghezza d'onda, ad es. non più di mezzo micron in caso di luce visibile. Newton ha osservato questo fenomeno già nel 1675. Ha studiato il modello di interferenza, ora noto come anelli di Newton, che si verifica quando una lente piano-convessa viene applicata a una lastra di vetro piatta. Gli anelli dovrebbero essere osservati solo quando la luce passa direttamente dalla lente nella lastra. Newton ha scoperto che anche quando una distanza molto piccola separava la superficie della lente dalla lastra, ad es. le due superfici non erano in contatto tra loro, parte della luce che avrebbe dovuto subire una totale riflessione interna, invece, è penetrata attraverso la fessura.
Il tunneling è chiaramente controintuitivo. Il fisico Georgy Gamov è stato il primo a rivelare questo fenomeno nella meccanica quantistica. Nel 1928, con il suo aiuto, spiegò come alcuni isotopi radioattivi possono emettere particelle alfa. Ha dimostrato che le particelle alfa all'interno del nucleo non hanno abbastanza energia per staccarsi da un nucleo pesante, proprio come una palla di cannone non può raggiungere la velocità di fuga e staccarsi dal campo gravitazionale terrestre. È stato in grado di dimostrare che, a causa della sua natura ondulatoria, una particella alfa può ancora penetrare la barriera e lasciare il nucleo.
Contrariamente alla credenza popolare, tuttavia, il tunneling non è solo un effetto puramente quantistico; si osserva anche nel caso delle onde classiche. Un raggio di sole che passa in una nuvola all'esterno di una goccia d'acqua può, contrariamente all'aspettativa intuitiva, penetrarla attraverso l'effetto tunnel e contribuire così alla creazione di gloria.
Il nostro lavoro iniziale con Wiskomb riguardava lo studio della diffusione della luce riflettendo completamente le sfere d'argento. Abbiamo scoperto che le onde parziali di un raggio che passa all'esterno della sfera possono, se la distanza dalla superficie della gocciolina non è troppo grande, creare un tunnel verso la sua superficie e dare un contributo significativo alla diffrazione.
Nel caso di sfere trasparenti come le goccioline d'acqua, dopo il tunneling alla loro superficie, la luce può penetrare verso l'interno. Lì colpisce la superficie interna della sfera con un angolo abbastanza piccolo da subire una riflessione interna totale, e quindi rimane intrappolato all'interno della goccia. Un fenomeno simile si osserva per le onde sonore, ad esempio, nella famosa Whispering Gallery sotto gli archi di St. Paul a Londra. Una persona che sussurra di fronte a una parete può essere sentita in lontananza dalla parete opposta, perché il suono subisce molteplici riflessioni dalle pareti arrotondate.
In caso di luce, tuttavia, un'onda che è entrata nella gocciolina può anche lasciarla a causa del tunneling. Per determinate lunghezze d'onda, dopo molteplici riflessioni interne, l'onda viene amplificata da interferenze costruttive, formando la cosiddetta risonanza di Mie. Questo effetto può essere paragonato all'oscillazione di un'altalena dovuta a sobbalzi, la cui frequenza coincide con la loro frequenza naturale. In connessione con l'analogia acustica, queste risonanze sono anche chiamate effetto galleria sussurrante. Anche un leggero cambiamento nella lunghezza d'onda è sufficiente per rompere la risonanza; pertanto, le risonanze Mi sono estremamente acute e forniscono un aumento significativo dell'intensità.
In sintesi, possiamo dire che tre effetti contribuiscono al fenomeno gloria: la retrodiffusione assiale considerata da Ray secondo l'ottica geometrica; onde di bordo, comprese le onde di superficie di van de Hulst; Risonanze di Mie derivanti dal tunneling. Nel 1977, Vijay Khare, allora all'Università di Rochester, e io valutammo il contributo dei raggi di bordo, comprese le onde di Van de Hulst. Le risonanze sono state riviste da Luiz Gallisa Guimaraes dell'Università Federale di Rio de Janeiro nel 1994. Nel 2002 ho fatto un'analisi dettagliata di quale dei tre effetti è più importante. Si è scoperto che il contributo della retrodiffusione assiale è trascurabile e il più significativo è l'effetto delle risonanze dovute al tunneling fuori bordo. L'inevitabile conclusione che ne consegue è questa:gloria è un effetto macroscopico di tunnel di luce.
Gloria e il clima
Oltre a fornire pura soddisfazione intellettuale al problema della gloria, l'effetto tunnel della luce ha anche applicazioni pratiche. L'effetto galleria sussurrante è stato utilizzato per creare laser basati su goccioline d'acqua microscopiche, microsfere dure e dischi microscopici. Il tunneling leggero è stato recentemente utilizzato nei display touchscreen. Un dito che si avvicina allo schermo agisce come una lente newtoniana, consentendo alla luce di entrare nel tunnel, diffondersi nella direzione opposta e generare un segnale. L'onda di luce disomogenea generata dal tunneling viene utilizzata in una tecnologia così importante come la microscopia near-edge, che può essere utilizzata per risolvere dettagli più piccoli della lunghezza d'onda della luce, rompendo così il cosiddetto limite di diffrazione.che nella microscopia convenzionale per oggetti di queste dimensioni dà un'immagine sfocata.
Comprendere la diffusione della luce nelle goccioline d'acqua è particolarmente importante per valutare il ruolo delle nuvole nel cambiamento climatico. L'acqua è altamente trasparente nella regione visibile dello spettro, tuttavia, come l'anidride carbonica e altri gas serra, assorbe la radiazione infrarossa in alcune bande. Poiché le risonanze di Mie sono solitamente associate a un numero molto elevato di eventi di riflessione interna, una piccola goccia può assorbire una frazione significativa della radiazione, specialmente se l'acqua contiene impurità. La domanda sorge spontanea: la copertura nuvolosa, al variare della sua densità media, manterrà la Terra fresca, riflettendo la maggior parte della luce solare nello spazio, o contribuirà al suo riscaldamento, agendo come una coltre aggiuntiva che intrappola la radiazione infrarossa?
Fino a circa dieci anni fa, la modellazione della dispersione della luce da parte delle nuvole veniva eseguita calcolando le risonanze di Mie per un insieme relativamente piccolo di dimensioni delle goccioline considerate rappresentative delle nuvole tipiche. Ciò ha ridotto il tempo di conteggio sul supercomputer, ma ha rappresentato una trappola inaspettata. Come ho mostrato nel 2003, utilizzando i miei metodi per analizzare rainbow e gloria, i metodi di modellazione standard potrebbero portare a errori fino al 30% per alcune bande spettrali strette. Pertanto, quando si calcola lo scattering da goccioline con dimensioni preselezionate, è facile perdere un contributo importante da molte risonanze strette associate a goccioline di dimensioni intermedie. Ad esempio, se il calcolo è stato eseguito per goccioline con un diametro di uno, due, tre, ecc. micron, è stata fatta passare una risonanza molto stretta a 2,4 micron. La mia previsione è stata confermata nel 2006. Negli studi che hanno tenuto conto della reale distribuzione delle dimensioni delle goccioline nell'atmosfera, negli ultimi anni i modelli sono stati migliorati considerando le goccioline, le cui dimensioni sono state scomposte in intervalli molto più piccoli.
Come previsto da Wigner, i risultati ottenuti anche con un supercomputer perfetto, se non illuminato dal pensiero fisico, non sono credibili. C'è qualcosa a cui pensare, soprattutto se la prossima volta che il tuo posto sull'aereo è vicino al finestrino.
