Menjelaskan salah satu fenomena terindah dalam meteorologi membutuhkan pendekatan yang sangat canggih. Mempelajarinya juga membantu untuk memahami peran awan dalam perubahan iklim.
Jika Anda menggunakan penerbangan sehari, silakan duduk di dekat jendela. Dan kemudian Anda mungkin bisa melihat bayangan pesawat di awan. Tapi Anda perlu memperhitungkan arah penerbangan relatif terhadap matahari. Jika Anda beruntung, Anda akan diberi hadiah dan Anda akan dapat mengamati pemandangan yang indah - lingkaran cahaya warna-warni yang membingkai bayangan sebuah pesawat terbang. Itu disebut "gloria". Asalnya disebabkan oleh efek yang lebih kompleks daripada penampakan pelangi. Fenomena ini akan sangat mengesankan jika awan mendekat, sejak itu meluas ke cakrawala.
Jika Anda seorang pendaki gunung, Anda dapat mengamati gloria segera setelah matahari terbit di sekitar bayangan di kepala Anda di awan terdekat. Kami menyajikan di sini laporan pertama tentang pengamatan fenomena semacam itu oleh anggota ekspedisi Prancis ke puncak Gunung Pambamarca di wilayah Ekuador saat ini, diterbitkan sepuluh tahun setelah pendakian, pada 1748. “Awan yang menutupi kami mulai menghilang, dan sinar matahari terbit menembusnya. Dan kemudian masing-masing dari kami melihat bayangan kami di awan. Apa yang kami temukan paling luar biasa adalah penampakan halo, atau gloria, yang terdiri dari tiga atau empat lingkaran kecil berwarna cerah konsentris di sekitar kepala. Yang paling mengejutkan adalah dari enam atau tujuh anggota kelompok, masing-masing mengamati fenomena ini hanya di sekitar bayangan dari kepalanya sendiri,Saya belum pernah melihat yang seperti ini di sekitar bayangan rekan-rekan saya."
Banyak peneliti percaya bahwa lingkaran cahaya pada gambar dewa dan kaisar dalam ikonografi Timur dan Barat mewakili fiksasi artistik dari fenomena gloria. (Kami menemukan konfirmasi alegoris dari asumsi ini dalam puisi terkenal oleh Samuel Taylor Coleridge "Fidelity to the Ideal Image"). Di akhir abad XIX. Fisikawan Skotlandia Charles Thomson Rees Wilson menemukan kamera "awan" (dalam terminologi Rusia - kamar Wilson) dan berusaha untuk mereproduksi fenomena ini di laboratorium.
Dia gagal, tetapi segera menyadari bahwa kamera dapat digunakan untuk mendaftarkan partikel, dan sebagai hasilnya dia dianugerahi Hadiah Nobel. Bayangan seorang pengamat atau pesawat terbang tidak berperan dalam pembentukan gloria. Satu-satunya hal yang menghubungkan mereka adalah bahwa bayangan tersebut menetapkan arah yang persis berlawanan dengan Matahari. Artinya gloria adalah efek hamburan balik yang membelokkan sinar matahari hampir 180 °. Anda mungkin berpikir bahwa efek terkenal seperti itu, yang termasuk dalam bidang fisika terhormat seperti optik, tidak diragukan lagi telah dijelaskan sejak lama. Meskipun demikian, menjelaskan hal ini, menurut penulis laporan tahun 1748, "efek setua dunia", telah menghadirkan tantangan serius bagi para ilmuwan selama berabad-abad. Bahkan pelangi adalah fenomena yang lebih kompleks daripada yang dijelaskan oleh buku teks fisika dasar. Apalagi, mekanisme pembentukan gloria bahkan lebih rumit.
Pada prinsipnya, gloria dan pelangi dijelaskan dalam istilah optik teoretis standar, yang sudah ada pada awal abad ke-20. Ini memungkinkan fisikawan Jerman, Gustav Mie, mendapatkan solusi matematis yang akurat untuk proses hamburan cahaya dengan setetes air. Namun, iblis ada dalam detailnya. Metode Mie melibatkan penambahan istilah, yang disebut gelombang parsial. Diperlukan jumlah tak terbatas dari suku-suku semacam itu untuk dijumlahkan, dan meskipun jumlah yang terbatas secara praktis signifikan, metode Mee memerlukan kalkulasi ratusan dan ribuan ekspresi yang sangat kompleks.
Jika Anda memasukkannya ke dalam komputer, maka itu akan memberikan hasil yang benar, namun tidak mungkin untuk memahami proses fisik mana yang bertanggung jawab atas efek yang diamati. Solusi Mi-khas matematika "kotak hitam": masukkan data awal ke dalamnya, dan itu akan memberikan hasil. Penting untuk diingat di sini sebuah pernyataan dari peraih Nobel Eugene Paul Wigner: “Sangat menyenangkan bahwa komputer memahami masalahnya. Tapi saya juga ingin memahaminya. " Keyakinan buta dalam menggiling angka dengan kekerasan dapat menyebabkan kesimpulan yang salah, seperti yang akan ditunjukkan di bawah ini.
Pada tahun 1965, saya mulai mengembangkan program penelitian yang, antara lain, mengarah pada penjelasan fisik lengkap tentang gloria. Dan tujuan ini, di mana saya dibantu oleh beberapa kolaborator, tercapai pada tahun 2003. Solusinya didasarkan pada memperhitungkan terowongan gelombang, salah satu efek fisik paling misterius yang pertama kali diamati Isaac Newton pada tahun 1675. Penerobosan gelombang mendasari salah satu jenis layar sentuh modern yang digunakan di komputer dan ponsel. Penting juga untuk mempertimbangkannya untuk memecahkan masalah yang paling sulit dan paling penting, bagaimana aerosol atmosfer, yang meliputi awan, serta partikel debu dan jelaga, mempengaruhi perubahan iklim.
Video promosi:
Gelombang dan partikel
Selama beberapa abad, para ilmuwan telah menawarkan berbagai penjelasan untuk gloria, tetapi semuanya ternyata tidak benar. Pada awal abad XIX. Fisikawan Jerman Josef von Fraunhofer mengemukakan bahwa sinar matahari tersebar, yaitu. dipantulkan kembali, oleh tetesan di kedalaman awan, berdifraksi pada tetesan di lapisan permukaannya. Difraksi adalah fenomena yang diasosiasikan dengan sifat gelombang cahaya dan memungkinkannya untuk "melihat sekeliling", seperti gelombang laut yang mengelilingi sebuah rintangan dan menyebar lebih jauh, seolah-olah tidak ada sama sekali.
Ide Fraunhofer adalah bahwa cahaya berserakan ganda ini membentuk cincin difraksi berwarna, menyerupai korona, di awan yang mengelilingi bulan. Namun, pada tahun 1923, fisikawan India Bidhu Bhusan Ray membantah saran Fraunhofer. Sebagai hasil eksperimen dengan awan buatan, Ray menunjukkan bahwa sebaran kecerahan dan warna di gloria dan di korona berbeda, dan yang pertama terjadi langsung di lapisan luar awan sebagai akibat dari satu tindakan hamburan balik oleh tetesan air.
Ray mencoba menjelaskan hamburan balik ini dalam istilah optik geometris, yang secara historis terkait dengan teori korpuskuler cahaya, yang menurutnya cahaya bergerak dalam sinar lurus dan bukan sebagai gelombang. Ketika bertemu dengan antarmuka antara media yang berbeda, seperti air dan udara, cahaya dipantulkan sebagian, dan sebagian menembus ke media lain karena pembiasan (pembiasan inilah yang membuat pensil, setengah terendam air, tampak pecah). Cahaya yang telah menembus ke dalam setetes air, sebelum meninggalkannya, dipantulkan satu kali atau lebih pada permukaan bagian dalamnya yang berlawanan. Ray melihat sinar itu saat bergerak di sepanjang sumbu tetesan dan memantul kembali ke pintu masuknya. Namun, bahkan dengan banyak tindakan refleksi bolak-balik, efeknya terlalu lemah untuk menjelaskan gloria.
Dengan demikian, teori efek gloria harus melampaui batas-batas optik geometris dan mempertimbangkan sifat gelombang cahaya dan, khususnya, efek gelombang seperti difraksi. Berbeda dengan refraksi, difraksi meningkat dengan bertambahnya panjang gelombang cahaya. Fakta bahwa gloria adalah efek difraksi mengikuti fakta bahwa tepi dalamnya berwarna biru, dan tepi luarnya berwarna merah, sesuai dengan panjang gelombang yang lebih pendek dan lebih panjang.
Teori matematika difraksi oleh bola seperti setetes air, yang dikenal sebagai hamburan Mie, melibatkan penghitungan jumlah suku yang tak terbatas, yang disebut gelombang parsial. Setiap gelombang parsial adalah fungsi kompleks dari ukuran tetesan, indeks bias, dan parameter tumbukan, mis. jarak dari sinar ke pusat drop. Tanpa komputer berkecepatan tinggi, penghitungan hamburan Mie dari tetesan berbagai ukuran sangatlah rumit. Barulah pada tahun 1990-an, ketika komputer yang cukup cepat muncul, hasil yang andal diperoleh untuk tetesan dalam berbagai ukuran karakteristik awan. Tetapi para peneliti membutuhkan cara lain untuk mengeksplorasi untuk memahami bagaimana ini sebenarnya terjadi.
Hendrik C. Van de Hulst, pelopor astronomi radio modern, di pertengahan abad ke-20. memberikan kontribusi signifikan pertama untuk memahami fisika gloria. Dia menunjukkan bahwa sinar cahaya yang menembus ke dalam tetesan yang sangat dekat dengan tepinya, di dalam tetesan itu melewati lintasan berbentuk Y, dipantulkan dari permukaan dalamnya dan kembali ke arah yang hampir sama seperti saat asalnya. Karena jatuhnya simetris, di antara seluruh berkas sinar matahari paralel, parameter tumbukan yang menguntungkan akan direalisasikan untuk seluruh berkas silindris yang jatuh pada jatuhnya pada jarak yang sama dari pusatnya. Dengan cara ini, efek pemfokusan diperoleh, yang melipatgandakan hamburan balik.
Penjelasannya terdengar menarik, tetapi ada satu tangkapan. Dalam perjalanan dari penetrasi ke tetesan hingga keluar darinya, balok dibelokkan karena pembiasan (refraksi). Namun, indeks bias air tidak cukup besar untuk memancarkan sinar secara persis mundur oleh satu refleksi internal. Hal yang paling dapat dilakukan setetes air adalah memantulkan sinar ke arah sekitar 14 ° dari aslinya.
Pada tahun 1957, van de Hulst menyarankan bahwa penyimpangan ini dapat diatasi dengan jalur tambahan yang dilintasi cahaya dalam bentuk gelombang di sepanjang permukaan tetesan. Gelombang permukaan seperti itu, terikat pada antarmuka antara dua media, muncul dalam banyak situasi. Idenya adalah bahwa insiden sinar secara tangensial pada setetes melewati beberapa jarak di sepanjang permukaannya, menembus ke dalam tetesan, dan mengenai permukaan belakang bagian dalam. Di sini, itu lagi-lagi meluncur di sepanjang permukaan bagian dalam dan dipantulkan kembali ke tetesan. Dan pada segmen terakhir dari jalur di sepanjang permukaan, sinar dipantulkan darinya dan keluar dari jurang. Inti dari efeknya adalah bahwa pancaran sinar tersebut tersebar kembali ke arah yang sama dengan arah asalnya.
Kelemahan potensial dari penjelasan ini adalah bahwa energi gelombang permukaan dihabiskan pada jalur tangensial. Van de Hulst menyarankan bahwa redaman ini lebih dari diimbangi oleh pemfokusan aksial. Pada saat dia merumuskan dugaan ini, tidak ada metode untuk menghitung kontribusi dari gelombang permukaan.
Namun demikian, semua informasi tentang penyebab fisik gloria, termasuk peran gelombang permukaan, harus secara eksplisit dimasukkan ke dalam rangkaian gelombang Mie parsial.
Alasan mengalahkan komputer
Solusi yang mungkin untuk teka-teki gloria bukan hanya tentang gelombang permukaan. Pada tahun 1987, Warren Wiscombe dari Space Flight Center. Goddard di NASA (Greenbelt, Maryland) dan saya telah mengusulkan pendekatan baru untuk difraksi di mana sinar cahaya yang lewat di luar bola dapat memberikan kontribusi yang signifikan. Sekilas, ini tampak tidak masuk akal. Bagaimana setetes bisa mempengaruhi seberkas cahaya yang tidak melewatinya? Gelombang, dan gelombang cahaya pada khususnya, memiliki kemampuan yang tidak biasa untuk "menerobos", atau menembus penghalang. Misalnya, energi cahaya dalam beberapa keadaan dapat merembes ke luar, ketika seseorang akan percaya bahwa cahaya harus tetap berada dalam lingkungan tertentu.
Biasanya, cahaya yang merambat dalam media seperti kaca atau air akan sepenuhnya dipantulkan dari antarmuka dengan media dengan indeks bias lebih rendah, seperti udara, jika pancaran sinar mengenai permukaan ini pada sudut yang cukup kecil. Misalnya, efek refleksi internal total ini menjaga sinyal tetap di dalam serat optik. Bahkan jika cahaya dipantulkan sepenuhnya, medan listrik dan magnet yang membentuk gelombang cahaya tidak langsung menghilang di luar antarmuka. Faktanya, medan-medan ini menembus batas dalam jarak pendek (dari urutan panjang gelombang gelombang cahaya) dalam bentuk yang disebut "gelombang tidak seragam". Gelombang seperti itu tidak membawa energi di luar antarmuka, tetapi membentuk medan berosilasi di permukaannya, mirip dengan senar gitar.
Apa yang baru saja saya jelaskan belum mengandung efek tunneling. Namun, jika media ketiga ditempatkan pada jarak dari batas kurang dari panjang gelombang tidak homogen, maka cahaya akan melanjutkan perambatannya ke media ini, memompa energi ke sana. Akibatnya, pantulan internal pada medium pertama melemah, dan cahaya menembus (terowongan) melalui medium perantara, yang berfungsi sebagai penghalang.
Tunneling yang signifikan terjadi hanya jika jarak antara dua media tidak secara signifikan melebihi satu panjang gelombang, yaitu. tidak lebih dari setengah mikron dalam kasus cahaya tampak. Newton mengamati fenomena ini sejak tahun 1675. Ia menyelidiki pola interferensi, yang sekarang dikenal sebagai cincin Newton, yang terjadi saat lensa plano-cembung diterapkan pada pelat kaca datar. Cincin hanya perlu diamati saat cahaya lewat langsung dari lensa ke pelat. Newton menemukan bahwa bahkan ketika jarak yang sangat kecil memisahkan permukaan lensa dari pelat, yaitu. kedua permukaan tidak bersentuhan satu sama lain, sebagian cahaya yang seharusnya mengalami refleksi internal total, malah menembus melalui celah.
Tunneling jelas berlawanan dengan intuisi. Fisikawan Georgy Gamov adalah orang pertama yang mengungkap fenomena ini dalam mekanika kuantum. Pada tahun 1928, dengan bantuannya, dia menjelaskan bagaimana isotop radioaktif tertentu dapat memancarkan partikel alfa. Dia menunjukkan bahwa partikel alfa di dalam inti tidak memiliki cukup energi untuk melepaskan diri dari inti yang berat, seperti bola meriam tidak dapat mencapai kecepatan lepas dan melepaskan diri dari medan gravitasi bumi. Ia mampu menunjukkan bahwa karena sifat gelombangnya, partikel alfa masih dapat menembus penghalang dan meninggalkan nukleus.
Berlawanan dengan kepercayaan populer, bagaimanapun, tunneling bukan hanya efek kuantum murni; itu juga diamati dalam kasus gelombang klasik. Sinar matahari yang melewati awan di luar setetes air, bertentangan dengan ekspektasi intuitif, dapat menembusnya melalui efek terowongan dan dengan demikian berkontribusi pada penciptaan gloria.
Pekerjaan awal kami dengan Wiskomb berkaitan dengan studi tentang hamburan cahaya dengan memantulkan bola perak sepenuhnya. Kami menemukan bahwa gelombang parsial dari sebuah sinar yang lewat di luar bola dapat, jika jarak ke permukaan tetesan tidak terlalu besar, akan masuk ke permukaannya dan memberikan kontribusi yang signifikan terhadap difraksi.
Dalam kasus bola transparan seperti tetesan air, setelah masuk ke permukaannya, cahaya dapat menembus ke dalam. Di sana ia menghantam permukaan bagian dalam bola pada sudut yang cukup kecil untuk menjalani refleksi internal total, dan karena itu tetap terperangkap di dalam tetesan. Fenomena serupa diamati untuk gelombang suara, misalnya, di Galeri Berbisik yang terkenal di bawah lengkungan St. Petersburg. Paul di London. Seseorang yang berbisik sambil menghadap satu dinding dapat terdengar dari kejauhan di dinding seberang, karena suara mengalami banyak pantulan dari dinding bundar.
Dalam kasus cahaya, bagaimanapun, gelombang yang telah menerobos ke dalam tetesan juga dapat meninggalkannya karena adanya terowongan. Untuk panjang gelombang tertentu, setelah beberapa refleksi internal, gelombang tersebut diperkuat oleh interferensi konstruktif, membentuk apa yang disebut resonansi Mie. Efek ini dapat dibandingkan dengan ayunan ayunan karena sentakan, yang frekuensinya bertepatan dengan frekuensi alaminya. Sehubungan dengan analogi akustik, resonansi ini juga disebut efek galeri berbisik. Bahkan sedikit perubahan pada panjang gelombang sudah cukup untuk memutus resonansi; oleh karena itu, resonansi Mi sangat tajam dan memberikan peningkatan intensitas yang signifikan.
Singkatnya, kita dapat mengatakan bahwa tiga efek berkontribusi pada fenomena gloria: hamburan balik aksial yang dianggap oleh Ray sesuai dengan optik geometris; gelombang tepi, termasuk gelombang permukaan van de Hulst; Resonansi mie yang timbul dari terowongan. Pada tahun 1977, Vijay Khare, saat itu di Universitas Rochester, dan saya mengevaluasi kontribusi sinar tepi, termasuk gelombang van de Hulst. Resonansi ditinjau oleh Luiz Gallisa Guimaraes dari Universitas Federal Rio de Janeiro pada tahun 1994. Pada tahun 2002, saya membuat analisis rinci yang mana dari tiga efek yang paling penting. Ternyata kontribusi hamburan balik aksial dapat diabaikan, dan yang paling signifikan adalah pengaruh resonansi akibat penerowongan off-edge. Kesimpulan tak terelakkan yang mengikuti dari ini adalah:gloria adalah efek makroskopik terowongan cahaya.
Gloria dan iklim
Selain memberikan kepuasan intelektual murni pada masalah gloria, efek penerowongan cahaya juga memiliki aplikasi praktis. Efek galeri berbisik telah digunakan untuk membuat laser berdasarkan tetesan air mikroskopis, mikrosfer keras, dan cakram mikroskopis. Penerusan cahaya baru-baru ini digunakan dalam tampilan layar sentuh. Jari yang mendekati layar bertindak sebagai lensa Newtonian, memungkinkan cahaya masuk ke dalam layar, menyebar ke arah yang berlawanan, dan menghasilkan sinyal. Gelombang cahaya tidak homogen yang dihasilkan oleh penerowongan digunakan dalam teknologi penting seperti mikroskop tepi dekat, yang dapat menyelesaikan detail yang lebih kecil dari panjang gelombang cahaya, sehingga melanggar apa yang disebut batas difraksi.yang pada mikroskop konvensional untuk objek seukuran ini menghasilkan gambar yang kabur.
Memahami hamburan cahaya dalam tetesan air sangat penting untuk menilai peran awan dalam perubahan iklim. Air sangat transparan di wilayah spektrum yang terlihat, namun, seperti karbon dioksida dan gas rumah kaca lainnya, air menyerap radiasi infra merah di beberapa pita. Karena resonansi Mie biasanya dikaitkan dengan sejumlah besar peristiwa refleksi internal, tetesan kecil dapat menyerap sebagian besar radiasi, terutama jika air mengandung kotoran. Timbul pertanyaan: akankah tutupan awan, karena kepadatan rata-ratanya berubah, membuat bumi tetap dingin, memantulkan sebagian besar sinar matahari ke luar angkasa, atau akankah itu berkontribusi pada pemanasannya, bertindak sebagai selimut tambahan yang memerangkap radiasi infra merah?
Sampai sekitar sepuluh tahun yang lalu, pemodelan hamburan cahaya oleh awan dilakukan dengan menghitung resonansi Mie untuk satu set ukuran tetesan yang relatif kecil yang dianggap mewakili awan pada umumnya. Ini mengurangi waktu penghitungan pada superkomputer, tetapi ini menimbulkan jebakan yang tidak terduga. Seperti yang saya tunjukkan pada tahun 2003, dengan menggunakan metode saya sendiri untuk menganalisis pelangi dan gloria, metode pemodelan standar dapat menyebabkan kesalahan hingga 30% untuk beberapa pita spektrum sempit. Jadi, saat menghitung hamburan dari tetesan dengan ukuran yang telah dipilih sebelumnya, sangat mudah untuk melewatkan kontribusi penting dari banyak resonansi sempit yang terkait dengan tetesan dengan ukuran sedang. Misalnya, jika kalkulasi dilakukan untuk tetesan dengan diameter satu, dua, tiga, dst. mikron, resonansi yang sangat sempit pada 2,4 mikron dilewatkan. Prediksi saya terkonfirmasi pada tahun 2006. Dalam studi yang memperhitungkan distribusi nyata ukuran tetesan di atmosfer, dalam beberapa tahun terakhir model tersebut telah diperbaiki dengan mempertimbangkan tetesan, yang ukurannya telah dipecah menjadi interval yang jauh lebih kecil.
Seperti yang diprediksi oleh Wigner, hasil yang diperoleh bahkan dengan superkomputer yang sempurna, jika tidak diterangi oleh pemikiran fisik, tidak dapat dipercaya. Ada sesuatu yang perlu dipikirkan, terutama jika lain kali tempat duduk Anda di pesawat berada di dekat jendela.
