Explicar um dos fenômenos mais bonitos da meteorologia requer uma abordagem muito sofisticada. Estudá-lo também ajuda a compreender o papel das nuvens na mudança climática.
Se você estiver em um vôo diurno, por favor, sente-se na janela. E então você poderá ver a sombra do avião nas nuvens. Mas você precisa levar em consideração a direção do vôo em relação ao sol. Se você tiver sorte, será recompensado e poderá observar um cenário pitoresco - um halo multicolorido, beirando a sombra do avião. É chamado de "gloria". Sua origem se deve a um efeito mais complexo do que o aparecimento de um arco-íris. Este fenômeno será mais impressionante se as nuvens estiverem próximas, pois então se estende até o horizonte.
Se você é um alpinista, pode observar a glória logo após o nascer do sol em torno da sombra projetada por sua cabeça na nuvem mais próxima. Apresentamos aqui o primeiro relatório sobre a observação de tal fenômeno por membros da expedição francesa ao cume do Monte Pambamarca no território do atual Equador, publicado dez anos após a ascensão, em 1748. “A nuvem que nos cobria começou a se dissipar e os raios do sol nascente a penetraram. E então cada um de nós viu sua sombra projetada na nuvem. O que achamos mais notável foi o aparecimento de um halo, ou gloria, consistindo de três ou quatro pequenos círculos concêntricos e coloridos ao redor da cabeça. O mais surpreendente foi que de seis ou sete membros do grupo, cada um observou este fenômeno apenas em torno da sombra de sua própria cabeça,Nunca vi nada parecido nas sombras dos meus camaradas."
Muitos pesquisadores acreditavam que halos em imagens de divindades e imperadores na iconografia oriental e ocidental representam uma fixação artística do fenômeno da gloria. (Encontramos uma confirmação alegórica dessa suposição no famoso poema de Samuel Taylor Coleridge "Fidelity to the Ideal Image"). No final do século XIX. O físico escocês Charles Thomson Rees Wilson inventou uma câmera "nuvem" (na terminologia russa - câmara de Wilson) e fez uma tentativa de reproduzir este fenômeno em laboratório.
Ele falhou, mas rapidamente percebeu que a câmera poderia ser usada para registrar partículas e, como resultado, recebeu o Prêmio Nobel. A sombra de um observador ou de um avião não desempenha nenhum papel na formação da gloria. A única coisa que os conecta é que a sombra fixa a direção exatamente oposta à do sol. Isso significa que a gloria é um efeito de retroespalhamento que desvia a luz do sol em quase 180 °. Você pode pensar que um efeito tão conhecido, pertencente a um campo tão venerável da física como a óptica, deveria, sem dúvida, ter sido explicado há muito tempo. No entanto, explicando isso, de acordo com os autores do relatório de 1748, "o efeito tão antigo quanto o mundo" representou um sério desafio para os cientistas durante séculos. Mesmo um arco-íris é um fenômeno mais complexo do que os livros de física elementar o descrevem. Além disso, o mecanismo de formação de gloria é ainda mais complicado.
Em princípio, tanto a glória quanto o arco-íris são explicados em termos de uma ótica teórica padrão, que já existia no início do século XX. Isso permitiu ao físico alemão Gustav Mie obter uma solução matemática precisa para o processo de espalhamento da luz por uma gota d'água. No entanto, o diabo está nos detalhes. O método Mie envolve a adição de termos, as chamadas ondas parciais. Um número infinito de tais termos é necessário para somar, e embora um número finito deles seja praticamente significativo, o método de Mee requer o cálculo de centenas e milhares de expressões muito complexas.
Se você inseri-los em um computador, ele dará o resultado correto, no entanto, é impossível entender quais processos físicos são responsáveis pelos efeitos observados. Solução Mi - típica "caixa preta" matemática: insira os dados iniciais nela e ela dará o resultado. É pertinente relembrar aqui uma observação do Prêmio Nobel Eugene Paul Wigner: “É ótimo que o computador tenha entendido o problema. Mas eu também gostaria de entendê-la. " A fé cega em triturar números com força bruta pode levar a conclusões erradas, como será mostrado abaixo.
Em 1965, comecei a desenvolver um programa de pesquisa que iria, entre outras coisas, levar a uma explicação física completa da gloria. E esse objetivo, na forma como fui ajudado por vários colaboradores, foi alcançado em 2003. A solução baseou-se em levar em conta o tunelamento por ondas, um dos efeitos físicos mais misteriosos que Isaac Newton observou pela primeira vez em 1675. O tunelamento por ondas está subjacente um dos tipos de telas de toque modernas usadas em computadores e telefones celulares. Também é importante considerá-lo para resolver o problema mais difícil e mais importante, como os aerossóis atmosféricos, que incluem nuvens, bem como partículas de poeira e fuligem, afetam as mudanças climáticas.
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Ondas e partículas
Por vários séculos, os cientistas ofereceram várias explicações para a gloria, mas todas se revelaram incorretas. No início do século XIX. O físico alemão Josef von Fraunhofer sugeriu que a luz do sol se espalhou, ou seja, refletido de volta, por gotas na profundidade da nuvem, difrata em gotas em sua camada superficial. A difração é um fenômeno associado à natureza ondulatória da luz e que permite que ela "olhe ao redor", assim como as ondas do mar contornam um obstáculo e se espalham ainda mais, como se ele nem existisse.
A ideia de Fraunhofer era que essa luz dupla dispersa formas anéis de difração coloridos, semelhantes a uma coroa, nas nuvens ao redor da lua. No entanto, em 1923, o físico indiano Bidhu Bhusan Ray negou a sugestão de Fraunhofer. Como resultado de experimentos com nuvens artificiais, Ray mostrou que a distribuição de brilho e cores na gloria e na corona são diferentes, e que a primeira ocorre diretamente nas camadas externas da nuvem como resultado de um único ato de retrodifusão por gotículas de água.
Ray tentou explicar esse retroespalhamento em termos de ótica geométrica, historicamente associada à teoria corpuscular da luz, segundo a qual a luz viaja em raios retos e não como uma onda. Quando encontra a interface entre diferentes meios, como água e ar, a luz é parcialmente refletida e parcialmente penetra em outro meio devido à refração (refração é o que faz um lápis, meio submerso na água, parecer quebrado). A luz que penetrou em uma gota d'água, antes de sair, é refletida uma ou mais vezes em sua superfície interna oposta. Ray viu o feixe enquanto ele se propagava ao longo do eixo da gota e refletia de volta em direção ao seu ponto de entrada. No entanto, mesmo com vários atos de reflexos para frente e para trás, o efeito era muito fraco para explicar a gloria.
Assim, a teoria do efeito gloria deveria ir além dos limites da óptica geométrica e levar em consideração a natureza ondulatória da luz e, em particular, um efeito de onda como a difração. Em contraste com a refração, a difração aumenta com o aumento do comprimento de onda da luz. O fato de a gloria ser um efeito difrativo decorre do fato de sua borda interna ser azul e a externa ser vermelha, de acordo com os comprimentos de onda mais curtos e mais longos.
A teoria matemática da difração por uma esfera como uma gota d'água, conhecida como espalhamento de Mie, envolve o cálculo de somas infinitas de termos, as chamadas ondas parciais. Cada onda parcial é uma função complexa do tamanho da gota, índice de refração e parâmetro de colisão, ou seja, distância do raio ao centro da gota. Sem um computador de alta velocidade, os cálculos da dispersão de Mie a partir de gotículas de vários tamanhos são incrivelmente complexos. Foi apenas na década de 1990, quando surgiram computadores suficientemente rápidos, que resultados confiáveis foram obtidos para gotículas na faixa de tamanhos característicos de nuvens. Mas os pesquisadores precisam de outras maneiras de explorar para entender como isso realmente acontece.
Hendrik C. Van de Hulst, pioneiro da moderna radioastronomia, em meados do século XX. fez a primeira contribuição significativa para a compreensão da física da gloria. Ele apontou que um raio de luz penetrando em uma gota muito perto de sua borda, dentro da gota passa ao longo de uma trajetória em forma de Y, é refletido de sua superfície interna e retorna quase na mesma direção em que veio. Como a queda é simétrica, entre todo o feixe de raios solares paralelos, um parâmetro de colisão favorável será realizado para todo o seu feixe cilíndrico caindo na queda na mesma distância de seu centro. Desta forma, um efeito de foco é obtido, o que multiplica o retroespalhamento.
A explicação parece convincente, mas há um problema. No caminho entre a penetração na gota e a saída dela, o feixe é desviado devido à refração (refração). No entanto, o índice de refração da água não é grande o suficiente para que o feixe seja espalhado exatamente para trás por uma única reflexão interna. O máximo que uma gota d'água pode fazer é rebater o feixe em uma direção de cerca de 14 ° do original.
Em 1957, van de Hulst sugeriu que esse desvio poderia ser superado por caminhos adicionais percorridos pela luz na forma de uma onda ao longo da superfície da gota. Essas ondas de superfície, vinculadas à interface entre duas mídias, surgem em muitas situações. A ideia é que um raio incidente tangencialmente em uma gota passa uma certa distância ao longo de sua superfície, penetra na gota e atinge sua superfície posterior interna. Aqui, ele desliza novamente ao longo da superfície interna e é refletido de volta para a gota. E no último segmento do caminho ao longo da superfície, o raio é refletido a partir dele e sai da gota. A essência do efeito é que o feixe é espalhado de volta na mesma direção em que veio.
Uma potencial fraqueza dessa explicação é que a energia das ondas de superfície é gasta em um caminho tangencial. Van de Hulst sugeriu que esse amortecimento é mais do que compensado pela focalização axial. Na época em que ele formulou essa conjectura, não havia métodos para quantificar a contribuição das ondas de superfície.
No entanto, todas as informações sobre as causas físicas da gloria, incluindo o papel das ondas de superfície, tinham de ser explicitamente incluídas na série de ondas Mie parciais.
A razão derrota o computador
Uma possível solução para o quebra-cabeça da glória não é apenas sobre ondas de superfície. Em 1987, Warren Wiscombe do Space Flight Center. Goddard, da NASA (Greenbelt, Maryland), e eu propusemos uma nova abordagem para a difração em que os raios de luz que passam fora da esfera podem dar uma contribuição significativa. À primeira vista, isso parece absurdo. Como uma gota pode afetar um raio de luz que não passa por ela? Ondas, e ondas de luz em particular, têm a capacidade incomum de "criar um túnel" ou penetrar em uma barreira. Por exemplo, a energia da luz em algumas circunstâncias pode vazar para fora, quando alguém acreditaria que a luz deveria permanecer dentro de um determinado ambiente.
Normalmente, a luz que se propaga em um meio como vidro ou água será completamente refletida de uma interface com um meio com um índice de refração mais baixo, como o ar, se o feixe atingir essa superfície em um ângulo suficientemente pequeno. Por exemplo, este efeito de reflexão interna total mantém o sinal dentro da fibra óptica. Mesmo que a luz seja completamente refletida, os campos elétricos e magnéticos que formam a onda de luz não desaparecem imediatamente além da interface. Na verdade, esses campos penetram na fronteira em uma distância curta (da ordem do comprimento de onda da onda de luz) na forma de uma chamada "onda não uniforme". Essa onda não transporta energia além da interface, mas forma um campo oscilante em sua superfície, semelhante a uma corda de violão.
O que acabei de descrever ainda não contém o efeito de túnel. No entanto, se um terceiro meio for colocado a uma distância da fronteira, menor que o comprimento da onda não homogênea, então a luz irá retomar sua propagação neste meio, bombeando energia para lá. Como resultado, a reflexão interna no primeiro meio enfraquece e a luz penetra (túneis) através do meio intermediário, que servia como barreira.
O tunelamento significativo ocorre apenas se a lacuna entre os dois meios não exceder significativamente um comprimento de onda, ou seja, não mais de meio mícron no caso de luz visível. Newton observou esse fenômeno já em 1675. Ele investigou o padrão de interferência, agora conhecido como anéis de Newton, que ocorre quando uma lente plano-convexa é aplicada a uma placa de vidro plana. Os anéis só teriam que ser observados quando a luz passasse diretamente da lente para a placa. Newton descobriu que mesmo quando uma distância muito pequena separava a superfície da lente da placa, ou seja, as duas superfícies não estavam em contato uma com a outra, parte da luz que deveria ter sofrido reflexão interna total, em vez disso, penetrou pela abertura.
O tunelamento é claramente contra-intuitivo. O físico Georgy Gamov foi o primeiro a revelar esse fenômeno na mecânica quântica. Em 1928, com sua ajuda, ele explicou como certos isótopos radioativos podem emitir partículas alfa. Ele mostrou que as partículas alfa dentro do núcleo não têm energia suficiente para se separar de um núcleo pesado, assim como uma bala de canhão não pode atingir a velocidade de escape e se separar do campo gravitacional da Terra. Ele conseguiu mostrar que, devido à sua natureza ondulatória, uma partícula alfa ainda consegue penetrar na barreira e deixar o núcleo.
Ao contrário da crença popular, entretanto, o tunelamento não é apenas um efeito puramente quântico; também é observado no caso de ondas clássicas. Um raio de sol que passa em uma nuvem fora de uma gota d'água pode, ao contrário da expectativa intuitiva, penetrá-lo através do efeito de túnel e assim contribuir para a criação de gloria.
Nosso trabalho inicial com Wiskomb estava preocupado com o estudo da difusão da luz refletindo totalmente as bolas de prata. Descobrimos que as ondas parciais de um raio que passa fora da esfera podem, se a distância até a superfície da gota não for muito grande, formar um túnel para sua superfície e dar uma contribuição significativa para a difração.
No caso de esferas transparentes, como gotas de água, após o túnel para sua superfície, a luz pode penetrar para dentro. Lá, ele atinge a superfície interna da esfera em um ângulo pequeno o suficiente para sofrer uma reflexão interna total e, portanto, permanece preso dentro da gota. Fenômeno semelhante é observado para ondas sonoras, por exemplo, na famosa Whispering Gallery sob os arcos de St. Paul em Londres. Uma pessoa sussurrando olhando para uma parede pode ser ouvida à distância na parede oposta, porque o som sofre reflexos múltiplos em paredes arredondadas.
No caso da luz, no entanto, uma onda que entrou em um túnel na gota também pode deixá-la devido ao túnel. Para determinados comprimentos de onda, após múltiplas reflexões internas, a onda é amplificada por interferência construtiva, formando a chamada ressonância de Mie. Este efeito pode ser comparado ao balanço de uma oscilação devido a solavancos, cuja frequência coincide com sua frequência natural. Em conexão com a analogia acústica, essas ressonâncias também são chamadas de efeito de galeria sussurrante. Mesmo uma ligeira mudança no comprimento de onda é suficiente para quebrar a ressonância; portanto, as ressonâncias Mi são extremamente nítidas e fornecem um aumento significativo na intensidade.
Em resumo, podemos dizer que três efeitos contribuem para o fenômeno gloria: o retroespalhamento axial considerado por Ray de acordo com a ótica geométrica; ondas de borda, incluindo ondas de superfície de van de Hulst; Ressonâncias de Mie decorrentes de tunelamento. Em 1977, Vijay Khare, então na Universidade de Rochester, e eu avaliamos a contribuição dos raios de borda, incluindo as ondas de van de Hulst. As ressonâncias foram revisadas por Luiz Gallisa Guimarães, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, em 1994. Em 2002, fiz uma análise detalhada de qual dos três efeitos é o mais importante. Descobriu-se que a contribuição do retroespalhamento axial é desprezível, e o mais significativo é o efeito das ressonâncias devido ao tunelamento externo. A conclusão inevitável que se segue disso é esta:gloria é um efeito macroscópico de tunelamento de luz.
Gloria e o clima
Além de fornecer pura satisfação intelectual ao problema de gloria, o efeito de túnel da luz também tem aplicações práticas. O efeito de galeria sussurrante foi usado para criar lasers baseados em gotículas de água microscópicas, microesferas rígidas e discos microscópicos. O túnel de luz foi usado recentemente em telas sensíveis ao toque. Um dedo se aproximando da tela atua como uma lente newtoniana, permitindo que a luz faça um túnel dentro da tela, se espalhe na direção oposta e gere um sinal. Uma onda de luz não homogênea gerada por tunelamento é usada em tecnologias importantes como a microscopia de borda próxima, que pode resolver detalhes menores que o comprimento de onda da luz, quebrando assim o chamado limite de difração.que na microscopia convencional para objetos deste tamanho dá uma imagem borrada.
Compreender a dispersão da luz nas gotículas de água é especialmente importante para avaliar o papel das nuvens nas mudanças climáticas. A água é altamente transparente na região visível do espectro, no entanto, como o dióxido de carbono e outros gases de efeito estufa, ela absorve radiação infravermelha em algumas bandas. Como as ressonâncias de Mie são geralmente associadas a um grande número de eventos de reflexão interna, uma pequena gota pode absorver uma fração significativa da radiação, especialmente se a água contiver impurezas. Surge a pergunta: a cobertura de nuvens, conforme sua densidade média muda, manterá a Terra fria refletindo a maior parte da luz do sol para o espaço, ou ela contribuirá para o seu aquecimento, agindo como uma manta adicional que captura a radiação infravermelha?
Até cerca de dez anos atrás, a modelagem de espalhamento de luz por nuvens era realizada pelo cálculo de ressonâncias de Mie para um conjunto relativamente pequeno de tamanhos de gotas que eram considerados representativos de nuvens típicas. Isso reduziu o tempo de contagem no supercomputador, mas representou uma armadilha inesperada. Como mostrei em 2003, usando métodos de análise de arco-íris e gloria que desenvolvi, técnicas de modelagem padrão podem levar a erros de até 30% para algumas bandas espectrais estreitas. Assim, ao calcular o espalhamento de gotículas com tamanhos pré-selecionados, é fácil perder uma importante contribuição de muitas ressonâncias estreitas associadas a gotículas de tamanhos intermediários. Por exemplo, se o cálculo foi realizado para gotículas com diâmetro de um, dois, três, etc. mícron, uma ressonância muito estreita em 2,4 mícrons foi passada. Minha previsão foi confirmada em 2006. Em estudos que levaram em conta a distribuição real do tamanho das gotas na atmosfera, nos últimos anos os modelos foram aprimorados considerando gotas, cujos tamanhos foram divididos em intervalos muito menores.
Conforme previsto por Wigner, os resultados obtidos mesmo com um supercomputador perfeito, se não iluminados pelo pensamento físico, não são confiáveis. Há algo em que pensar, especialmente se da próxima vez seu assento no avião for perto da janela.
