Explicar uno de los fenómenos más bellos de la meteorología requiere un enfoque muy sofisticado. Estudiarlo también ayuda a comprender el papel de las nubes en el cambio climático.
Si está en un vuelo de un día, tome asiento junto a la ventana. Y entonces es posible que pueda ver la sombra del avión en las nubes. Pero debe tener en cuenta la dirección de vuelo en relación con el sol. Si tiene suerte, será recompensado y podrá observar una vista pintoresca: un halo multicolor que bordea la sombra del avión. Se llama "gloria". Su origen se debe a un efecto más complejo que la aparición de un arco iris. Este fenómeno será más impresionante si las nubes están cerca, ya que entonces se extiende hasta el mismo horizonte.
Si eres un alpinista, puedes observar gloria poco después del amanecer alrededor de la sombra proyectada por tu cabeza en la nube más cercana. Presentamos aquí el primer informe sobre la observación de tal fenómeno por parte de miembros de la expedición francesa a la cumbre del monte Pambamarca en el territorio del actual Ecuador, publicado diez años después del ascenso, en 1748. “La nube que nos cubría empezó a disiparse, y los rayos del sol naciente la traspasaron. Y luego cada uno de nosotros vio nuestra sombra proyectada sobre la nube. Lo que nos pareció más notable fue la aparición de un halo, o gloria, que consta de tres o cuatro pequeños círculos concéntricos de colores brillantes alrededor de la cabeza. Lo más sorprendente fue que de seis o siete miembros del grupo, cada uno observó este fenómeno solo alrededor de la sombra de su propia cabeza. Nunca había visto algo así entre las sombras de mis compañeros.
Muchos investigadores creían que los halos en imágenes de deidades y emperadores en la iconografía oriental y occidental representan una fijación artística del fenómeno de gloria. (Encontramos una confirmación alegórica de este supuesto en el famoso poema de Samuel Taylor Coleridge "Fidelidad a la imagen ideal"). A finales del siglo XIX. El físico escocés Charles Thomson Rees Wilson inventó una cámara "nube" (en terminología rusa, cámara de Wilson) e intentó reproducir este fenómeno en el laboratorio.
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Falló, pero rápidamente se dio cuenta de que la cámara podía usarse para registrar partículas y, como resultado, recibió el Premio Nobel. La sombra de un observador o de un avión no juega ningún papel en la formación de la gloria. Lo único que los conecta es que la sombra fija la dirección exactamente opuesta a la del Sol. Esto significa que gloria es un efecto de retrodispersión que desvía la luz solar en casi 180 °. Se podría pensar que un efecto tan conocido, perteneciente a un campo tan venerable de la física como la óptica, indudablemente debería haberse explicado hace mucho tiempo. No obstante, explicar esto, según los autores del informe de 1748, "el efecto tan antiguo como el mundo", ha representado un serio desafío para los científicos durante siglos. Incluso un arco iris es un fenómeno más complejo de lo que lo describen los libros de texto de física elemental. Además, el mecanismo de formación de gloria es aún más complicado.
En principio, tanto la gloria como el arco iris se explican en términos de óptica teórica estándar, que ya existía a principios del siglo XX. Esto permitió al físico alemán Gustav Mie obtener una solución matemática precisa para el proceso de dispersión de la luz por una gota de agua. Sin embargo, el diablo está en los detalles. El método de Mie implica la adición de términos, las llamadas ondas parciales. Se requiere un número infinito de dichos términos para resumir, y aunque un número finito de ellos es prácticamente significativo, el método de Mee requiere el cálculo de cientos y miles de expresiones muy complejas.
Si los ingresa en una computadora, dará el resultado correcto, sin embargo, es imposible comprender qué procesos físicos son responsables de los efectos observados. Solución Mi "caja negra" matemática típica: ingrese los datos iniciales en ella y dará el resultado. Es pertinente recordar aquí un comentario del premio Nobel Eugene Paul Wigner: “Es genial que la computadora haya entendido el problema. Pero también me gustaría entenderla ". La fe ciega en moler números con fuerza bruta puede llevar a conclusiones erróneas, como se mostrará a continuación.
En 1965, comencé a desarrollar un programa de investigación que, entre otras cosas, conduciría a una explicación física completa de gloria. Y este objetivo, en el camino en el que me ayudaron varios colaboradores, se logró en 2003. La solución se basó en tener en cuenta el túnel de ondas, uno de los efectos físicos más misteriosos que Isaac Newton observó por primera vez en 1675. El túnel de ondas subyace uno de los tipos de pantallas táctiles modernas que se utilizan en computadoras y teléfonos celulares. También es importante considerarlo para resolver el problema más difícil e importante, cómo los aerosoles atmosféricos, que incluyen nubes, así como partículas de polvo y hollín, afectan el cambio climático.
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Ondas y partículas
Durante varios siglos, los científicos han ofrecido varias explicaciones sobre gloria, pero todas resultaron ser incorrectas. A principios del siglo XIX. El físico alemán Josef von Fraunhofer sugirió que la luz solar se dispersaba, es decir, reflejada hacia atrás, por gotas en la profundidad de la nube, difracta sobre gotas en su capa superficial. La difracción es un fenómeno asociado con la naturaleza ondulatoria de la luz y que le permite "mirar a la vuelta de la esquina", al igual que las olas del mar rodean un obstáculo y se expanden más, como si no existiera en absoluto.
La idea de Fraunhofer era que esta luz de doble dispersión forma anillos de difracción de colores, que se asemejan a una corona, en las nubes que rodean la luna. Sin embargo, en 1923, el físico indio Bidhu Bhusan Ray negó la sugerencia de Fraunhofer. Como resultado de experimentos con nubes artificiales, Ray demostró que la distribución de brillo y colores en la gloria y en la corona son diferentes, y que la primera ocurre directamente en las capas externas de la nube como resultado de un solo acto de retrodispersión por gotas de agua.
Ray intentó explicar esta retrodispersión en términos de óptica geométrica, históricamente asociada con la teoría corpuscular de la luz, según la cual la luz viaja en rayos rectos en lugar de como ondas. Cuando se encuentra con la interfaz entre diferentes medios, como el agua y el aire, la luz se refleja parcialmente y penetra parcialmente en otro medio debido a la refracción (la refracción es lo que hace que un lápiz, medio sumergido en agua, parezca roto). La luz que ha penetrado en una gota de agua, antes de salir de ella, se refleja una o más veces en su superficie interior opuesta. Ray vio el rayo mientras se propagaba a lo largo del eje de la gota y se reflejaba hacia su punto de entrada. Sin embargo, incluso con múltiples actos de reflexiones de ida y vuelta, el efecto fue demasiado débil para explicar gloria.
Por tanto, la teoría del efecto gloria debería ir más allá de los límites de la óptica geométrica y tener en cuenta la naturaleza ondulatoria de la luz y, en particular, un efecto ondulatorio como la difracción. A diferencia de la refracción, la difracción aumenta al aumentar la longitud de onda de la luz. El hecho de que gloria sea un efecto difractivo se deriva del hecho de que su borde interior es azul y el exterior es rojo, de acuerdo con las longitudes de onda más cortas y más largas.
La teoría matemática de la difracción por una esfera como una gota de agua, conocida como dispersión de Mie, implica el cálculo de infinitas sumas de términos, las llamadas ondas parciales. Cada onda parcial es una función compleja del tamaño de la gota, el índice de refracción y el parámetro de colisión, es decir, distancia desde el rayo hasta el centro de la gota. Sin una computadora de alta velocidad, los cálculos de la dispersión de Mie a partir de gotas de varios tamaños son increíblemente complejos. Fue solo en la década de 1990, cuando aparecieron computadoras suficientemente rápidas, que se obtuvieron resultados confiables para gotas en el rango de tamaños característicos de las nubes. Pero los investigadores necesitan otras formas de explorar para comprender cómo sucede esto realmente.
Hendrik C. Van de Hulst, pionero de la radioastronomía moderna, a mediados del siglo XX. hizo la primera contribución significativa a la comprensión de la física de gloria. Señaló que un rayo de luz que penetra en una gota muy cerca de su borde, dentro de la gota pasa a lo largo de una trayectoria en forma de Y, se refleja desde su superficie interna y regresa casi en la misma dirección en la que vino. Dado que la gota es simétrica, entre todo el haz de rayos solares paralelos, se realizará un parámetro de colisión favorable para todo su haz cilíndrico que caiga sobre la gota a la misma distancia de su centro. De esta forma, se consigue un efecto de enfoque que multiplica la retrodispersión.
La explicación suena convincente, pero hay una trampa. En el camino desde la penetración en la gota hasta la salida de ella, el haz se desvía debido a la refracción (refracción). Sin embargo, el índice de refracción del agua no es lo suficientemente grande como para que el rayo sea dispersado exactamente hacia atrás por una sola reflexión interna. Lo máximo que puede hacer una gota de agua es hacer rebotar el rayo en una dirección de unos 14 ° con respecto al original.
En 1957, van de Hulst sugirió que esta desviación podría superarse mediante trayectorias adicionales atravesadas por la luz en forma de onda a lo largo de la superficie de la gota. Tales ondas superficiales, ligadas a la interfaz entre dos medios, surgen en muchas situaciones. La idea es que un rayo que incide tangencialmente en una gota pase a cierta distancia a lo largo de su superficie, penetre en la gota y golpee su superficie posterior interna. Aquí vuelve a deslizarse a lo largo de la superficie interior y se refleja de nuevo en la gota. Y en el último segmento del camino a lo largo de la superficie, el rayo se refleja y sale de la gota. La esencia del efecto es que el rayo se dispersa en la misma dirección en la que vino.
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Una debilidad potencial de esta explicación fue que la energía de las ondas superficiales se gasta en una trayectoria tangencial. Van de Hulst sugirió que esta amortiguación está más que compensada por el enfoque axial. En el momento en que formuló esta conjetura, no existían métodos para cuantificar la contribución de las ondas superficiales.
Sin embargo, toda la información sobre las causas físicas de gloria, incluido el papel de las ondas superficiales, tenía que incluirse explícitamente en la serie de ondas Mie parciales.
La razón derrota a la computadora
Una posible solución al rompecabezas de la gloria no se trata solo de ondas superficiales. En 1987, Warren Wiscombe del Space Flight Center. Goddard de la NASA (Greenbelt, Maryland) y yo hemos propuesto un nuevo enfoque de difracción en el que los rayos de luz que pasan fuera de la esfera pueden hacer una contribución significativa. A primera vista, esto parece absurdo. ¿Cómo puede una gota afectar a un rayo de luz que no la atraviesa? Las ondas, y las ondas de luz en particular, tienen la habilidad inusual de "hacer un túnel" o atravesar una barrera. Por ejemplo, la energía de la luz en algunas circunstancias puede filtrarse al exterior, cuando uno pensaría que la luz debería permanecer dentro del entorno dado.
Normalmente, la luz que se propaga en un medio como el vidrio o el agua se reflejará completamente desde la interfaz con un medio con un índice de refracción más bajo, como el aire, si el rayo incide en esta superficie en un ángulo suficientemente pequeño. Por ejemplo, este efecto de reflexión interna total mantiene la señal dentro de la fibra óptica. Incluso si la luz se refleja completamente, los campos eléctricos y magnéticos que forman la onda de luz no desaparecen inmediatamente más allá de la interfaz. De hecho, estos campos atraviesan el límite en una distancia corta (del orden de la longitud de onda de la onda luminosa) en forma de la denominada "onda no uniforme". Tal onda no transporta energía más allá de la interfaz, sino que forma un campo oscilante en su superficie, similar a una cuerda de guitarra.
Lo que acabo de describir todavía no contiene el efecto túnel. Sin embargo, si se coloca un tercer medio a una distancia del límite menor que la longitud de la onda no homogénea, entonces la luz reanudará su propagación en este medio, bombeando energía allí. Como resultado, la reflexión interna en el primer medio se debilita y la luz penetra (túneles) a través del medio intermedio, que sirvió como barrera.
La tunelización significativa ocurre solo si el espacio entre los dos medios no excede significativamente una longitud de onda, es decir, no más de medio micrón en el caso de luz visible. Newton observó este fenómeno ya en 1675. Investigó el patrón de interferencia, ahora conocido como anillos de Newton, que ocurre cuando se aplica una lente plano-convexa a una placa de vidrio plana. Los anillos solo tendrían que ser observados cuando la luz pase directamente desde la lente a la placa. Newton descubrió que incluso cuando una distancia muy pequeña separaba la superficie de la lente de la placa, es decir, las dos superficies no estaban en contacto entre sí, algo de la luz que debería haber sufrido una reflexión interna total, en su lugar penetró a través del espacio.
La construcción de túneles es claramente contradictoria. El físico Georgy Gamov fue el primero en revelar este fenómeno en mecánica cuántica. En 1928, con su ayuda, explicó cómo ciertos isótopos radiactivos pueden emitir partículas alfa. Mostró que las partículas alfa dentro del núcleo no tienen suficiente energía para separarse de un núcleo pesado, al igual que una bala de cañón no puede alcanzar la velocidad de escape y separarse del campo gravitacional de la Tierra. Pudo demostrar que debido a su naturaleza ondulatoria, una partícula alfa aún puede atravesar la barrera y salir del núcleo.
Sin embargo, contrariamente a la creencia popular, el efecto túnel no es solo un efecto puramente cuántico; también se observa en el caso de ondas clásicas. Un rayo de sol que pasa en una nube fuera de una gota de agua puede, contrariamente a la expectativa intuitiva, penetrarla a través del efecto de túnel y contribuir así a la creación de gloria.
Nuestro trabajo inicial con Wiskomb estuvo relacionado con el estudio de la dispersión de la luz mediante bolas plateadas que reflejan completamente. Descubrimos que las ondas parciales de un rayo que pasa fuera de la esfera pueden, si la distancia a la superficie de la gota no es demasiado grande, hacer un túnel hasta su superficie y hacer una contribución significativa a la difracción.
En el caso de esferas transparentes como las gotas de agua, después de hacer un túnel en su superficie, la luz puede penetrar hacia adentro. Allí golpea la superficie interna de la esfera en un ángulo lo suficientemente pequeño como para sufrir una reflexión interna total y, por lo tanto, permanece atrapado dentro de la gota. Un fenómeno similar se observa para las ondas sonoras, por ejemplo, en la famosa Galería de los Susurros bajo los arcos de St. Paul en Londres. Una persona que susurra mientras está frente a una pared se puede escuchar a lo lejos en la pared opuesta, porque el sonido sufre múltiples reflejos de paredes redondeadas.
En el caso de la luz, sin embargo, una onda que se ha introducido en la gota también puede abandonarla debido a la formación de un túnel. Para ciertas longitudes de onda, después de múltiples reflexiones internas, la onda se amplifica por interferencia constructiva, formando la llamada resonancia Mie. Este efecto se puede comparar con el balanceo de un swing debido a sacudidas, cuya frecuencia coincide con su frecuencia natural. En relación con la analogía acústica, estas resonancias también se denominan efecto de galería susurrante. Incluso un ligero cambio en la longitud de onda es suficiente para romper la resonancia; por lo tanto, las resonancias Mi son extremadamente nítidas y proporcionan un aumento significativo de intensidad.
En resumen, podemos decir que tres efectos contribuyen al fenómeno de gloria: la retrodispersión axial considerada por Ray de acuerdo con la óptica geométrica; ondas de borde, incluidas ondas superficiales de van de Hulst; Mie resonancias derivadas de la tunelización. En 1977, Vijay Khare, entonces en la Universidad de Rochester, y yo evaluamos la contribución de los rayos de borde, incluidas las ondas de van de Hulst. Las resonancias fueron revisadas por Luiz Gallisa Guimaraes de la Universidad Federal de Río de Janeiro en 1994. En 2002, hice un análisis detallado de cuál de los tres efectos es más importante. Resultó que la contribución de la retrodispersión axial es insignificante, y el más significativo es el efecto de las resonancias debido a la tunelización fuera del borde. La conclusión inevitable que se sigue de esto es la siguiente:gloria es un efecto macroscópico de efecto túnel de luz.
Gloria y el clima
Además de proporcionar pura satisfacción intelectual al problema de la gloria, el efecto túnel de la luz también tiene aplicaciones prácticas. El efecto de galería susurrante se ha utilizado para crear láseres basados en gotas de agua microscópicas, microesferas duras y discos microscópicos. El túnel de luz se ha utilizado recientemente en pantallas táctiles. Un dedo que se acerca a la pantalla actúa como una lente newtoniana, lo que permite que la luz se filtre dentro de la pantalla, se disperse en la dirección opuesta y genere una señal. La onda de luz no homogénea generada por tunelización se utiliza en una tecnología tan importante como la microscopía de borde cercano, que se puede utilizar para resolver detalles que son más pequeños que la longitud de onda de la luz, rompiendo así el llamado límite de difracción.que en microscopía convencional para objetos de este tamaño da una imagen borrosa.
Comprender la dispersión de la luz en las gotas de agua es especialmente importante para evaluar el papel de las nubes en el cambio climático. El agua es muy transparente en la región visible del espectro, sin embargo, como el dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero, absorbe radiación infrarroja en algunas bandas. Dado que las resonancias de Mie suelen estar asociadas con una gran cantidad de eventos de reflexión interna, una pequeña gota puede absorber una fracción significativa de la radiación, especialmente si el agua contiene impurezas. Surge la pregunta: ¿la cubierta de nubes, a medida que cambia su densidad promedio, mantendrá la Tierra fresca, reflejando la mayor parte de la luz solar en el espacio, o contribuirá a su calentamiento, actuando como una manta adicional que atrapa la radiación infrarroja?
Hasta hace unos diez años, el modelado de la dispersión de la luz por las nubes se realizaba calculando las resonancias de Mie para un conjunto relativamente pequeño de tamaños de gotas que se consideraban representativos de las nubes típicas. Esto redujo el tiempo de conteo en la supercomputadora, pero planteó una trampa inesperada. Como mostré en 2003, usando mis propios métodos para analizar arco iris y gloria, los métodos de modelado estándar podrían conducir a errores de hasta un 30% para algunas bandas espectrales estrechas. Por lo tanto, al calcular la dispersión de gotas con tamaños preseleccionados, es fácil pasar por alto una contribución importante de muchas resonancias estrechas asociadas con gotas de tamaños intermedios. Por ejemplo, si el cálculo se realizó para gotas con un diámetro de uno, dos, tres, etc. micrón, se pasó una resonancia muy estrecha a 2,4 micrones. Mi predicción se confirmó en 2006. En estudios que tomaron en cuenta la distribución real del tamaño de las gotas en la atmósfera, en los últimos años se han mejorado los modelos considerando las gotas, cuyos tamaños se han desglosado en intervalos mucho más pequeños.
Como predijo Wigner, los resultados obtenidos incluso con una supercomputadora perfecta, si no están iluminados por el pensamiento físico, no son creíbles. Hay algo en lo que pensar, especialmente si la próxima vez que su asiento en el avión sea junto a la ventana.
