Die Erklärung eines der schönsten Phänomene der Meteorologie erfordert einen sehr ausgefeilten Ansatz. Das Studium hilft auch, die Rolle von Wolken beim Klimawandel zu verstehen.
Wenn Sie auf einem Tagesflug sind, nehmen Sie bitte einen Fensterplatz ein. Und dann können Sie möglicherweise den Schatten des Flugzeugs auf den Wolken sehen. Sie müssen jedoch die Flugrichtung relativ zur Sonne berücksichtigen. Wenn Sie Glück haben, werden Sie belohnt und können einen malerischen Anblick beobachten - einen mehrfarbigen Heiligenschein, der an den Schatten des Verkehrsflugzeugs grenzt. Es heißt "Gloria". Sein Ursprung liegt in einer komplexeren Wirkung als das Aussehen eines Regenbogens. Dieses Phänomen wird am eindrucksvollsten sein, wenn die Wolken dicht sind, da es sich bis zum Horizont erstreckt.
Wenn Sie Bergsteiger sind, können Sie Gloria kurz nach Sonnenaufgang um den Schatten beobachten, den Ihr Kopf auf die nächste Wolke wirft. Wir präsentieren hier den ersten Bericht über die Beobachtung eines solchen Phänomens durch Mitglieder einer französischen Expedition zum Gipfel des Pambamarca auf dem Gebiet des heutigen Ecuador, der zehn Jahre nach dem Aufstieg 1748 veröffentlicht wurde. „Die uns bedeckende Wolke begann sich aufzulösen, und die Strahlen der aufgehenden Sonne durchbohrten ihn. Und dann sah jeder von uns seinen Schatten auf die Wolke werfen. Am bemerkenswertesten fanden wir das Aussehen eines Heiligenscheines oder einer Gloria, die aus drei oder vier kleinen konzentrischen, bunten Kreisen um den Kopf bestand. Das Überraschendste war, dass von sechs oder sieben Mitgliedern der Gruppe jedes dieses Phänomen nur um den Schatten seines eigenen Kopfes beobachtete. Ich habe so etwas noch nie im Schatten meiner Kameraden gesehen."
Viele Forscher glaubten, dass Lichthöfe auf Bildern von Gottheiten und Kaisern in der östlichen und westlichen Ikonographie eine künstlerische Fixierung des Phänomens der Gloria darstellen. (Eine allegorische Bestätigung dieser Annahme finden wir im berühmten Gedicht von Samuel Taylor Coleridge "Treue zum Idealbild"). Am Ende des 19. Jahrhunderts. Der schottische Physiker Charles Thomson Rees Wilson erfand eine "Wolken" -Kamera (in russischer Terminologie - Wilsons Kammer) und versuchte, dieses Phänomen im Labor zu reproduzieren.
Er scheiterte, erkannte jedoch schnell, dass mit der Kamera Partikel registriert werden konnten, und erhielt daraufhin den Nobelpreis. Der Schatten eines Beobachters oder eines Flugzeugs spielt bei der Bildung der Gloria keine Rolle. Das einzige, was sie verbindet, ist, dass der Schatten die Richtung genau entgegengesetzt zu der der Sonne festlegt. Dies bedeutet, dass Gloria ein Rückstreueffekt ist, der das Sonnenlicht um fast 180 ° ablenkt. Man könnte meinen, dass ein so bekannter Effekt, der zu einem so ehrwürdigen Gebiet der Physik wie der Optik gehört, zweifellos schon vor langer Zeit hätte erklärt werden müssen. Dennoch ist es für die Wissenschaftler seit Jahrhunderten eine ernsthafte Herausforderung, dies zu erklären, so die Autoren des Berichts von 1748, "die Wirkung so alt wie die Welt". Sogar ein Regenbogen ist ein komplexeres Phänomen, als es in Lehrbüchern der Elementarphysik beschrieben wird. Darüber hinaus ist der Gloria-Bildungsmechanismus noch komplizierter.
Grundsätzlich werden sowohl die Gloria als auch der Regenbogen anhand der theoretischen Standardoptik erklärt, die bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts existierte. Dies ermöglichte es dem deutschen Physiker Gustav Mie, eine genaue mathematische Lösung für den Prozess der Lichtstreuung durch einen Wassertropfen zu erhalten. Der Teufel steckt jedoch im Detail. Bei der Mie-Methode werden Terme hinzugefügt, die sogenannten Teilwellen. Eine unendliche Anzahl solcher Begriffe ist erforderlich, um zusammenzufassen, und obwohl eine endliche Anzahl von ihnen praktisch signifikant ist, erfordert die Methode von Mee die Berechnung von Hunderten und Tausenden sehr komplexer Ausdrücke.
Wenn Sie sie in einen Computer eingeben, erhalten Sie das richtige Ergebnis. Es ist jedoch unmöglich zu verstehen, welche physikalischen Prozesse für die beobachteten Auswirkungen verantwortlich sind. Lösung Mi-typische mathematische "Black Box": Geben Sie die Anfangsdaten ein und Sie erhalten das Ergebnis. An dieser Stelle sei an die Bemerkung des Nobelpreisträgers Eugene Paul Wigner erinnert: „Es ist großartig, dass der Computer das Problem verstanden hat. Aber ich würde sie auch gerne verstehen. " Das blinde Vertrauen in das Schleifen von Zahlen mit roher Gewalt kann zu falschen Schlussfolgerungen führen, wie unten gezeigt wird.
1965 begann ich mit der Entwicklung eines Forschungsprogramms, das unter anderem zu einer vollständigen physikalischen Erklärung von Gloria führen würde. Und dieses Ziel, auf dem mir mehrere Mitarbeiter geholfen haben, wurde 2003 erreicht. Die Lösung basierte auf der Berücksichtigung des Wellentunnelns, einer der mysteriösesten physikalischen Effekte, die Isaac Newton 1675 zum ersten Mal beobachtete Eine der Arten moderner Touchscreens, die in Computern und Mobiltelefonen verwendet werden. Es ist auch wichtig, dies zu berücksichtigen, um das schwierigste und wichtigste Problem zu lösen, wie atmosphärische Aerosole, zu denen Wolken sowie Staub- und Rußpartikel gehören, den Klimawandel beeinflussen.
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Wellen und Partikel
Seit mehreren Jahrhunderten bieten Wissenschaftler verschiedene Erklärungen für Gloria an, die sich jedoch alle als falsch herausstellten. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts. Der deutsche Physiker Josef von Fraunhofer schlug vor, dass das Sonnenlicht gestreut wird, d.h. durch Tropfen in der Tiefe der Wolke reflektiert, beugt sich auf Tropfen in seiner Oberflächenschicht. Beugung ist ein Phänomen, das mit der Wellennatur des Lichts verbunden ist und es ermöglicht, "um die Ecke zu schauen", so wie Meereswellen um ein Hindernis herumgehen und sich weiter ausbreiten, als ob es überhaupt nicht existiere.
Fraunhofers Idee war, dass dieses doppelt gestreute Licht auf den den Mond umgebenden Wolken koronaähnliche Beugungsringe bilden würde. 1923 lehnte der indische Physiker Bidhu Bhusan Ray jedoch Fraunhofers Vorschlag ab. Als Ergebnis von Experimenten mit künstlichen Wolken zeigte Ray, dass die Verteilung von Helligkeit und Farben in der Gloria und in der Korona unterschiedlich ist und dass erstere direkt in den äußeren Schichten der Wolke infolge eines einzigen Rückstreuungsvorgangs durch Wassertropfen entsteht.
Ray versuchte, diese Rückstreuung mit geometrischen Optiken zu erklären, die historisch mit der korpuskulären Lichttheorie verbunden waren, wonach sich Licht eher in geraden Strahlen als in Wellen bewegt. Wenn es auf die Grenzfläche zwischen verschiedenen Medien wie Wasser und Luft trifft, wird Licht teilweise reflektiert und dringt aufgrund von Brechung teilweise in ein anderes Medium ein (Brechung lässt einen Bleistift, der zur Hälfte in Wasser getaucht ist, zerbrochen erscheinen). Das Licht, das vor dem Verlassen in einen Wassertropfen eingedrungen ist, wird ein- oder mehrmals an seiner gegenüberliegenden Innenfläche reflektiert. Ray betrachtete den Strahl, als er sich entlang der Achse des Tröpfchens ausbreitete und zurück zu seinem Eintrittspunkt reflektierte. Selbst bei mehreren Hin- und Her-Reflexionen war der Effekt jedoch zu schwach, um Gloria zu erklären.
Die Theorie des Gloria-Effekts sollte daher über die Grenzen der geometrischen Optik hinausgehen und die Wellennatur des Lichts und insbesondere einen Welleneffekt wie die Beugung berücksichtigen. Im Gegensatz zur Brechung nimmt die Beugung mit zunehmender Lichtwellenlänge zu. Die Tatsache, dass Gloria ein Beugungseffekt ist, folgt aus der Tatsache, dass sein innerer Rand blau und der äußere entsprechend den kürzeren und längeren Wellenlängen rot ist.
Die mathematische Theorie der Beugung durch eine Kugel wie einen Wassertropfen, bekannt als Mie-Streuung, beinhaltet die Berechnung von unendlichen Summen von Begriffen, den sogenannten Teilwellen. Jede Teilwelle ist eine komplexe Funktion der Tröpfchengröße, des Brechungsindex und des Kollisionsparameters, d.h. Abstand vom Strahl zur Mitte des Tropfens. Ohne einen Hochgeschwindigkeitscomputer sind Berechnungen der Mie-Streuung von Tröpfchen unterschiedlicher Größe unglaublich komplex. Erst in den neunziger Jahren, als ausreichend schnelle Computer auftauchten, wurden zuverlässige Ergebnisse für Tröpfchen im für Wolken charakteristischen Größenbereich erzielt. Forscher brauchen jedoch andere Möglichkeiten, um zu verstehen, wie dies tatsächlich geschieht.
Hendrik C. Van de Hulst, Pionier der modernen Radioastronomie, Mitte des 20. Jahrhunderts. leistete den ersten bedeutenden Beitrag zum Verständnis der Physik von Gloria. Er wies darauf hin, dass ein Lichtstrahl, der in einen Tropfen sehr nahe an seiner Kante eindringt, innerhalb des Tropfens entlang einer Y-förmigen Flugbahn verläuft, von seiner inneren Oberfläche reflektiert wird und in fast dieselbe Richtung zurückkehrt, wie er gekommen ist. Da der Tropfen unter dem gesamten Strahl paralleler Sonnenstrahlen symmetrisch ist, wird ein günstiger Kollisionsparameter für ihren gesamten zylindrischen Strahl realisiert, der im gleichen Abstand von seiner Mitte auf den Tropfen fällt. Auf diese Weise wird ein Fokussierungseffekt erzielt, der die Rückstreuung vervielfacht.
Die Erklärung klingt überzeugend, aber es gibt einen Haken. Auf dem Weg vom Eindringen in den Tropfen zum Austritt wird der Strahl durch Brechung (Brechung) abgelenkt. Der Brechungsindex von Wasser ist jedoch nicht groß genug, um den Strahl durch eine einzelne interne Reflexion genau nach hinten zu streuen. Ein Wassertropfen kann den Strahl höchstens etwa 14 ° vom Original abprallen lassen.
1957 schlug van de Hulst vor, diese Abweichung durch zusätzliche Wege zu überwinden, die vom Licht in Form einer Welle entlang der Tröpfchenoberfläche durchquert werden. Solche Oberflächenwellen, die an die Grenzfläche zwischen zwei Medien gebunden sind, treten in vielen Situationen auf. Die Idee ist, dass ein Strahl, der tangential auf einen Tropfen fällt, eine gewisse Strecke entlang seiner Oberfläche passiert, in den Tropfen eindringt und auf seine innere Rückseite trifft. Hier gleitet es wieder entlang der Innenfläche und wird zurück in den Tropfen reflektiert. Und auf dem letzten Abschnitt des Pfades entlang der Oberfläche wird der Strahl von ihm reflektiert und tritt aus dem Tropfen aus. Das Wesentliche des Effekts ist, dass der Strahl in die gleiche Richtung zurückgestreut wird, in der er gekommen ist.
Eine mögliche Schwäche dieser Erklärung war, dass die Energie von Oberflächenwellen auf einem tangentialen Pfad verbraucht wird. Van de Hulst schlug vor, diese Dämpfung durch axiale Fokussierung mehr als auszugleichen. Zu der Zeit, als er diese Vermutung formulierte, gab es keine Methoden, um den Beitrag von Oberflächenwellen zu quantifizieren.
Dennoch mussten alle Informationen über die physikalischen Ursachen von Gloria, einschließlich der Rolle von Oberflächenwellen, explizit in die Reihe der partiellen Mie-Wellen aufgenommen werden.
Grund besiegt den Computer
Eine mögliche Lösung für das Gloria-Rätsel sind nicht nur Oberflächenwellen. Im Jahr 1987 Warren Wiscombe vom Space Flight Center. Goddard von der NASA (Greenbelt, Maryland) und ich haben einen neuen Ansatz zur Beugung vorgeschlagen, bei dem Lichtstrahlen, die außerhalb der Kugel verlaufen, einen wesentlichen Beitrag leisten können. Auf den ersten Blick scheint dies absurd. Wie kann ein Tropfen einen Lichtstrahl beeinflussen, der nicht durch ihn hindurchgeht? Wellen und insbesondere Lichtwellen haben die ungewöhnliche Fähigkeit, eine Barriere zu "tunneln" oder zu durchdringen. Zum Beispiel kann Lichtenergie unter bestimmten Umständen nach außen sickern, wenn man glauben würde, dass Licht in der gegebenen Umgebung bleiben sollte.
Typischerweise wird Licht, das sich in einem Medium wie Glas oder Wasser ausbreitet, vollständig von der Grenzfläche mit einem Medium mit einem niedrigeren Brechungsindex wie Luft reflektiert, wenn der Strahl in einem ausreichend kleinen Winkel auf diese Oberfläche trifft. Zum Beispiel hält dieser Totalreflexionseffekt das Signal innerhalb der optischen Faser. Selbst wenn das Licht vollständig reflektiert wird, verschwinden die elektrischen und magnetischen Felder, die die Lichtwelle bilden, nicht unmittelbar hinter der Grenzfläche. Tatsächlich durchdringen diese Felder die Grenze über eine kurze Strecke (in der Größenordnung der Wellenlänge der Lichtwelle) in Form einer sogenannten "ungleichmäßigen Welle". Eine solche Welle trägt keine Energie über die Grenzfläche hinaus, sondern bildet auf ihrer Oberfläche ein oszillierendes Feld, ähnlich einer Gitarrensaite.
Was ich gerade beschrieben habe, enthält noch nicht den Tunneleffekt. Wenn jedoch ein drittes Medium in einem Abstand von der Grenze platziert wird, der kleiner als die Länge der inhomogenen Welle ist, nimmt das Licht seine Ausbreitung in dieses Medium wieder auf und pumpt dort Energie. Infolgedessen schwächt sich die innere Reflexion im ersten Medium ab und Licht dringt (Tunnel) durch das Zwischenmedium, das als Barriere diente.
Ein signifikantes Tunneln tritt nur auf, wenn der Spalt zwischen den beiden Medien eine Wellenlänge nicht signifikant überschreitet, d.h. nicht mehr als ein halbes Mikron bei sichtbarem Licht. Newton beobachtete dieses Phänomen bereits 1675. Er untersuchte das Interferenzmuster, das heute als Newtonsche Ringe bekannt ist und auftritt, wenn eine plankonvexe Linse auf eine flache Glasplatte aufgebracht wird. Die Ringe müssten nur beobachtet werden, wenn Licht direkt von der Linse in die Platte fällt. Newton fand heraus, dass selbst wenn ein sehr kleiner Abstand die Linsenoberfläche von der Platte trennte, d.h. Die beiden Oberflächen standen nicht in Kontakt miteinander. Ein Teil des Lichts, das einer Totalreflexion hätte unterzogen werden müssen, drang stattdessen durch den Spalt.
Tunnelbau ist eindeutig nicht intuitiv. Der Physiker Georgy Gamov war der erste, der dieses Phänomen in der Quantenmechanik entdeckte. Mit seiner Hilfe erklärte er 1928, wie bestimmte radioaktive Isotope Alpha-Partikel emittieren können. Er zeigte, dass Alpha-Teilchen im Kern nicht genug Energie haben, um sich von einem schweren Kern zu lösen, so wie eine Kanonenkugel die Fluchtgeschwindigkeit nicht erreichen und sich vom Gravitationsfeld der Erde lösen kann. Er konnte zeigen, dass ein Alpha-Teilchen aufgrund seiner Wellennatur immer noch die Barriere durchdringen und den Kern verlassen kann.
Entgegen der landläufigen Meinung ist das Tunneln jedoch nicht nur ein reiner Quanteneffekt. es wird auch bei klassischen Wellen beobachtet. Ein Sonnenstrahl, der in einer Wolke außerhalb eines Wassertropfens vorbeizieht, kann ihn entgegen der intuitiven Erwartung durch den Tunneleffekt durchdringen und so zur Bildung von Gloria beitragen.
Unsere erste Arbeit mit Wiskomb befasste sich mit der Untersuchung der Lichtstreuung durch vollständig reflektierende Silberkugeln. Wir fanden heraus, dass die Teilwellen eines Strahls, der außerhalb der Kugel verläuft,, wenn der Abstand zur Tröpfchenoberfläche nicht zu groß ist, zu seiner Oberfläche tunneln und einen signifikanten Beitrag zur Beugung leisten können.
Bei transparenten Kugeln wie Wassertropfen kann nach dem Tunneln zu ihrer Oberfläche Licht nach innen eindringen. Dort trifft es in einem Winkel auf die innere Oberfläche der Kugel, der klein genug ist, um eine Totalreflexion zu erfahren, und bleibt daher im Tropfen eingeschlossen. Ein ähnliches Phänomen wird beispielsweise bei Schallwellen in der berühmten Whispering Gallery unter den Bögen von St. Paul in London. Eine Person, die flüstert, während sie einer Wand gegenübersteht, ist in der Ferne an der gegenüberliegenden Wand zu hören, weil Schall wird von abgerundeten Wänden mehrfach reflektiert.
Im Falle von Licht kann jedoch eine Welle, die in das Tröpfchen getunnelt ist, es auch aufgrund des Tunnelns verlassen. Für bestimmte Wellenlängen wird die Welle nach mehreren internen Reflexionen durch konstruktive Interferenz verstärkt und bildet die sogenannte Mie-Resonanz. Dieser Effekt kann mit dem Schwingen eines Schwungs aufgrund von Stößen verglichen werden, deren Frequenz mit ihrer Eigenfrequenz übereinstimmt. In Verbindung mit der akustischen Analogie werden diese Resonanzen auch als Flüstergalerieeffekt bezeichnet. Schon eine geringfügige Änderung der Wellenlänge reicht aus, um die Resonanz zu unterbrechen. Daher sind Mi-Resonanzen extrem scharf und sorgen für eine signifikante Intensitätssteigerung.
Zusammenfassend können wir sagen, dass drei Effekte zum Gloria-Phänomen beitragen: die axiale Rückstreuung, die Ray gemäß der geometrischen Optik betrachtet; Randwellen, einschließlich Oberflächenwellen von van de Hulst; Mie Resonanzen beim Tunneln. 1977 untersuchten Vijay Khare, damals an der Universität von Rochester, und ich den Beitrag von Randstrahlen, einschließlich Van-de-Hulst-Wellen. Die Resonanzen wurden 1994 von Luiz Gallisa Guimaraes von der Bundesuniversität von Rio de Janeiro überprüft. 2002 habe ich detailliert analysiert, welcher der drei Effekte am wichtigsten ist. Es stellte sich heraus, dass der Beitrag der axialen Rückstreuung vernachlässigbar ist, und der bedeutendste ist der Effekt von Resonanzen aufgrund von Off-Edge-Tunneln. Die unvermeidliche Schlussfolgerung, die daraus folgt, lautet:Gloria ist ein makroskopischer Effekt des Lichttunnelns.
Gloria und das Klima
Während die Lösung des Gloria-Problems uns reine intellektuelle Befriedigung verschafft hat, hat der Tunneleffekt von Licht auch praktische Anwendungen. Der Flüstergalerieeffekt wurde verwendet, um Laser zu erzeugen, die auf mikroskopischen Wassertropfen, harten Mikrokugeln und mikroskopischen Scheiben basieren. Lichttunneln wurde kürzlich in Touchscreen-Displays verwendet. Ein Finger, der sich dem Bildschirm nähert, fungiert als Newtonsche Linse, die es dem Licht ermöglicht, in den Bildschirm zu tunneln, in die entgegengesetzte Richtung zu streuen und ein Signal zu erzeugen. Eine inhomogene Lichtwelle, die durch Tunneln erzeugt wird, wird in einer so wichtigen Technologie wie der Nahkantenmikroskopie verwendet, die Details auflösen kann, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind, wodurch die sogenannte Beugungsgrenze überschritten wird.was in der herkömmlichen Mikroskopie für Objekte dieser Größe ein verschwommenes Bild ergibt.
Das Verständnis der Lichtstreuung in Wassertropfen ist besonders wichtig, um die Rolle von Wolken beim Klimawandel zu bewerten. Wasser ist im sichtbaren Bereich des Spektrums hochtransparent, absorbiert jedoch wie Kohlendioxid und andere Treibhausgase in einigen Bändern Infrarotstrahlung. Da Mie-Resonanzen normalerweise mit einer sehr großen Anzahl von internen Reflexionsereignissen verbunden sind, kann ein kleines Tröpfchen einen erheblichen Teil der Strahlung absorbieren, insbesondere wenn das Wasser Verunreinigungen enthält. Es stellt sich die Frage: Wird die Wolkendecke bei Änderung ihrer durchschnittlichen Dichte die Erde kühl halten, indem sie den größten Teil des Sonnenlichts in den Weltraum reflektiert, oder wird sie zu ihrer Erwärmung beitragen und als zusätzliche Decke fungieren, die Infrarotstrahlung einfängt?
Bis vor etwa zehn Jahren wurde die Modellierung der Lichtstreuung durch Wolken durchgeführt, indem Mie-Resonanzen für einen relativ kleinen Satz von Tröpfchengrößen berechnet wurden, die als repräsentativ für typische Wolken angesehen wurden. Dies reduzierte die Zählzeit auf dem Supercomputer, stellte jedoch eine unerwartete Falle dar. Wie ich 2003 mit meinen eigenen Methoden zur Analyse von Regenbogen und Gloria gezeigt habe, können Standardmodellierungsmethoden bei einigen schmalen Spektralbändern zu Fehlern von bis zu 30% führen. Daher ist es bei der Berechnung der Streuung von Tröpfchen mit vorgewählten Größen leicht, einen wichtigen Beitrag von vielen engen Resonanzen zu übersehen, die mit Tröpfchen mittlerer Größe verbunden sind. Wenn die Berechnung beispielsweise für Tröpfchen mit einem Durchmesser von eins, zwei, drei usw. durchgeführt wurde. Mikron wurde eine sehr enge Resonanz bei 2,4 Mikron durchgelassen. Meine Vorhersage wurde 2006 bestätigt. In Studien, die die tatsächliche Verteilung der Tröpfchengrößen in der Atmosphäre berücksichtigten, wurden die Modelle in den letzten Jahren durch Berücksichtigung von Tröpfchen verbessert, deren Größen in viel kleinere Intervalle unterteilt wurden.
Wie von Wigner vorausgesagt, sind die Ergebnisse, die selbst mit einem perfekten Supercomputer erzielt werden, nicht glaubwürdig, wenn sie nicht durch physikalisches Denken beleuchtet werden. Es gibt etwas zu überlegen, besonders wenn Sie das nächste Mal im Flugzeug am Fenster sitzen.