Expliquer l'un des plus beaux phénomènes de la météorologie nécessite une approche très sophistiquée. L'étudier permet également de comprendre le rôle des nuages dans le changement climatique.
Si vous prenez un vol de jour, veuillez vous asseoir près de la fenêtre. Et puis vous pourrez peut-être voir l'ombre de l'avion sur les nuages. Mais vous devez prendre en compte la direction du vol par rapport au soleil. Si vous avez de la chance, vous serez récompensé et vous pourrez observer un spectacle pittoresque - un halo multicolore, bordant l'ombre d'un avion de ligne. Cela s'appelle "gloria". Son origine est due à un effet plus complexe que l'apparition d'un arc-en-ciel. Ce phénomène sera plus impressionnant si les nuages sont proches, car il s'étend jusqu'à l'horizon même.
Si vous êtes un alpiniste, vous pouvez observer gloria peu après le lever du soleil autour de l'ombre projetée par votre tête sur le nuage le plus proche. Nous présentons ici le premier rapport sur l'observation d'un tel phénomène par les membres de l'expédition française au sommet du mont Pambamarca sur le territoire de l'actuel Équateur, publié dix ans après l'ascension, en 1748. «Le nuage qui nous recouvrait a commencé à se dissiper, et les rayons du soleil levant l'ont transpercé. Et puis chacun de nous a vu notre ombre projetée sur le nuage. Ce que nous avons trouvé le plus remarquable, c'est l'apparition d'un halo, ou gloria, constitué de trois ou quatre petits cercles concentriques de couleurs vives autour de la tête. Le plus surprenant était que sur six ou sept membres du groupe, chacun n'observait ce phénomène que dans l'ombre de sa propre tête,Je n'ai jamais rien vu de tel dans l'ombre de mes camarades."
De nombreux chercheurs pensaient que les halos sur les images de divinités et d'empereurs dans l'iconographie orientale et occidentale représentaient une fixation artistique du phénomène de la gloria. (On trouve une confirmation allégorique de cette hypothèse dans le célèbre poème de Samuel Taylor Coleridge "Fidélité à l'image idéale"). À la fin du XIXe siècle. Le physicien écossais Charles Thomson Rees Wilson a inventé une caméra "nuage" (dans la terminologie russe - chambre de Wilson) et a tenté de reproduire ce phénomène en laboratoire.
Il a échoué, mais s'est rapidement rendu compte que la caméra pouvait être utilisée pour enregistrer des particules, et par conséquent a reçu le prix Nobel. L'ombre d'un observateur ou d'un avion ne joue aucun rôle dans la formation de la gloria. La seule chose qui les relie est que l'ombre fixe la direction exactement opposée à celle du Soleil. Cela signifie que la gloria est un effet de rétrodiffusion qui dévie la lumière du soleil de près de 180 °. On pourrait penser qu'un effet aussi connu, appartenant à un domaine de la physique aussi vénérable que l'optique, aurait sans doute dû être expliqué depuis longtemps. Néanmoins, expliquer cela, selon les auteurs du rapport de 1748, «l'effet aussi ancien que le monde», a présenté un sérieux défi aux scientifiques pendant des siècles. Même un arc-en-ciel est un phénomène plus complexe que la façon dont les manuels de physique élémentaire le décrivent. De plus, le mécanisme de formation de la glorie est encore plus compliqué.
En principe, le gloria et l'arc-en-ciel sont expliqués en termes d'optique théorique standard, qui existait déjà au début du 20e siècle. Cela a permis au physicien allemand Gustav Mie d'obtenir une solution mathématique précise pour le processus de diffusion de la lumière par une goutte d'eau. Cependant, le diable est dans les détails. La méthode Mie implique l'ajout de termes, les ondes dites partielles. Un nombre infini de ces termes est nécessaire pour résumer, et bien qu'un nombre fini d'entre eux soit pratiquement significatif, la méthode de Mee nécessite le calcul de centaines et de milliers d'expressions très complexes.
Si vous les saisissez dans un ordinateur, cela donnera le résultat correct, cependant, il est impossible de comprendre quels processus physiques sont responsables des effets observés. Solution Mi "boîte noire" mathématique typique: entrez les données initiales dedans, et il donnera le résultat. Il est pertinent de rappeler ici une remarque du lauréat du prix Nobel Eugene Paul Wigner: «C'est formidable que l'ordinateur ait compris le problème. Mais j'aimerais aussi la comprendre. " Une foi aveugle dans le broyage des nombres avec la force brute peut conduire à de fausses conclusions, comme on le verra ci-dessous.
En 1965, je me suis mis à développer un programme de recherche qui conduirait, entre autres, à une explication physique complète de la gloria. Et cet objectif, sur le chemin auquel j'ai été aidé par plusieurs collaborateurs, a été atteint en 2003, la solution reposant sur la prise en compte du tunnel de vagues, l'un des effets physiques les plus mystérieux qu'Isaac Newton a observé pour la première fois en 1675. Le tunnel de vagues est au cœur de l'un des types d'écrans tactiles modernes utilisés dans les ordinateurs et les téléphones portables. Il est également important d'en tenir compte pour résoudre le problème le plus difficile et le plus important, à savoir comment les aérosols atmosphériques, qui comprennent les nuages, ainsi que les particules de poussière et de suie, affectent le changement climatique.
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Vagues et particules
Pendant plusieurs siècles, les scientifiques ont proposé diverses explications à la gloriose, mais elles se sont toutes révélées incorrectes. Au début du XIXe siècle. Le physicien allemand Josef von Fraunhofer a suggéré que la lumière du soleil se diffuse, c.-à-d. réfléchi, par des gouttes dans la profondeur du nuage, se diffracte sur des gouttes dans sa couche superficielle. La diffraction est un phénomène associé à la nature ondulatoire de la lumière et lui permettant de "regarder autour du coin", tout comme les vagues marines contournent un obstacle et se propagent plus loin, comme si elle n'existait pas du tout.
L'idée de Fraunhofer était que cette lumière à double diffusion forme des anneaux de diffraction colorés, ressemblant à une couronne, sur les nuages entourant la lune. Cependant, en 1923, le physicien indien Bidhu Bhusan Ray a nié la suggestion de Fraunhofer. À la suite d'expériences avec des nuages artificiels, Ray a montré que la distribution de la luminosité et des couleurs dans la gloriose et dans la couronne sont différentes, et que la première se produit directement dans les couches extérieures du nuage à la suite d'un seul acte de rétrodiffusion par des gouttelettes d'eau.
Ray a tenté d'expliquer cette rétrodiffusion en termes d'optique géométrique, historiquement associée à la théorie corpusculaire de la lumière, selon laquelle la lumière se déplace en rayons droits plutôt qu'en onde. Lorsqu'elle rencontre l'interface entre différents médias, tels que l'eau et l'air, la lumière est partiellement réfléchie et pénètre partiellement dans un autre milieu en raison de la réfraction (la réfraction est ce qui fait qu'un crayon, à moitié immergé dans l'eau, semble brisé). La lumière qui a pénétré dans une goutte d'eau, avant de la quitter, est réfléchie une ou plusieurs fois sur sa surface intérieure opposée. Ray a observé le faisceau alors qu'il se propageait le long de l'axe de la gouttelette et se reflétait vers son point d'entrée. Cependant, même avec de multiples actes de réflexions en va-et-vient, l'effet était trop faible pour expliquer la gloriose.
Ainsi, la théorie de l'effet gloria doit dépasser les limites de l'optique géométrique et prendre en compte la nature ondulatoire de la lumière et, en particulier, un effet d'onde tel que la diffraction. Contrairement à la réfraction, la diffraction augmente avec l'augmentation de la longueur d'onde de la lumière. Le fait que la gloria soit un effet diffractif découle du fait que son bord intérieur est bleu et celui extérieur est rouge, conformément aux longueurs d'onde de plus en plus longues.
La théorie mathématique de la diffraction par une sphère telle qu'une goutte d'eau, connue sous le nom de diffusion de Mie, implique le calcul de sommes infinies de termes, les ondes dites partielles. Chaque onde partielle est une fonction complexe de la taille des gouttelettes, de l'indice de réfraction et du paramètre de collision, c.-à-d. distance entre le rayon et le centre de la goutte. Sans ordinateur à grande vitesse, les calculs de diffusion de Mie à partir de gouttelettes de différentes tailles sont incroyablement complexes. Ce n'est que dans les années 1990, lorsque des ordinateurs suffisamment rapides sont apparus, que des résultats fiables ont été obtenus pour des gouttelettes dans la gamme de tailles caractéristiques des nuages. Mais les chercheurs ont besoin d'autres moyens d'explorer pour comprendre comment cela se produit réellement.
Hendrik C. Van de Hulst, pionnier de la radioastronomie moderne, au milieu du XXe siècle. a apporté la première contribution significative à la compréhension de la physique de la gloria. Il a souligné qu'un rayon lumineux pénétrant dans une goutte très proche de son bord, à l'intérieur de la goutte passe le long d'une trajectoire en forme de Y, est réfléchi par sa surface interne et revient presque dans la même direction qu'il est venu. La goutte étant symétrique, parmi l'ensemble du faisceau de rayons solaires parallèles, un paramètre de collision favorable sera réalisé pour l'ensemble de leur faisceau cylindrique tombant sur la goutte à la même distance de son centre. De cette manière, un effet de focalisation est obtenu, ce qui multiplie la rétrodiffusion.
L'explication semble convaincante, mais il y a un hic. Sur le chemin de la pénétration dans la goutte pour en sortir, le faisceau est dévié par réfraction (réfraction). Cependant, l'indice de réfraction de l'eau n'est pas assez grand pour que le faisceau soit diffusé exactement vers l'arrière par une seule réflexion interne. Le mieux qu'une goutte d'eau puisse faire est de faire rebondir le faisceau dans une direction d'environ 14 ° par rapport à l'original.
En 1957, van de Hulst a suggéré que cette déviation pourrait être surmontée par des chemins supplémentaires traversés par la lumière sous la forme d'une onde le long de la surface des gouttelettes. De telles ondes de surface, liées à l'interface entre deux médias, surviennent dans de nombreuses situations. L'idée est qu'un rayon incident tangentiellement sur une goutte passe une certaine distance le long de sa surface, pénètre dans la goutte et frappe sa surface arrière interne. Ici, il glisse à nouveau le long de la surface intérieure et est réfléchi dans la goutte. Et sur le dernier segment du chemin le long de la surface, le rayon en est réfléchi et sort de la goutte. L'essence de l'effet est que le faisceau est diffusé dans la même direction qu'il est venu.
Une faiblesse potentielle de cette explication était que l'énergie des ondes de surface est dépensée sur un chemin tangentiel. Van de Hulst a suggéré que cet amortissement est plus que compensé par la focalisation axiale. Au moment où il a formulé cette conjecture, il n'existait aucune méthode pour quantifier la contribution des ondes de surface.
Néanmoins, toutes les informations sur les causes physiques de la gloriose, y compris le rôle des ondes de surface, devaient être explicitement incluses dans la série d'ondes partielles de Mie.
La raison bat l'ordinateur
Une solution possible au puzzle gloria ne concerne pas seulement les ondes de surface. En 1987, Warren Wiscombe du Space Flight Center. Goddard de la NASA (Greenbelt, Maryland) et moi-même avons proposé une nouvelle approche de la diffraction dans laquelle les rayons lumineux passant à l'extérieur de la sphère peuvent apporter une contribution significative. À première vue, cela semble absurde. Comment une goutte peut-elle affecter un rayon de lumière qui ne la traverse pas? Les vagues, et les ondes lumineuses en particulier, ont la capacité inhabituelle de «tunnel» ou de pénétrer une barrière. Par exemple, l'énergie lumineuse dans certaines circonstances peut s'infiltrer à l'extérieur, alors que l'on pourrait croire que la lumière doit rester dans l'environnement donné.
Typiquement, la lumière se propageant dans un milieu tel que du verre ou de l'eau sera complètement réfléchie depuis l'interface avec un milieu avec un indice de réfraction inférieur, tel que l'air, si le faisceau frappe cette surface à un angle suffisamment petit. Par exemple, cet effet de réflexion interne total maintient le signal à l'intérieur de la fibre optique. Même si la lumière est complètement réfléchie, les champs électriques et magnétiques qui forment l'onde lumineuse ne disparaissent pas immédiatement au-delà de l'interface. En effet, ces champs pénètrent la frontière sur une courte distance (de l'ordre de la longueur d'onde de l'onde lumineuse) sous la forme d'une «onde non uniforme». Une telle onde ne transporte pas d'énergie au-delà de l'interface, mais forme un champ oscillant à sa surface, semblable à une corde de guitare.
Ce que je viens de décrire ne contient pas encore l'effet tunnel. Cependant, si un troisième milieu est placé à une distance de la frontière inférieure à la longueur de l'onde non homogène, alors la lumière reprendra sa propagation dans ce milieu, y pompant de l'énergie. En conséquence, la réflexion interne dans le premier milieu s'affaiblit et la lumière pénètre (tunnels) à travers le milieu intermédiaire, qui sert de barrière.
Un effet tunnel significatif ne se produit que si l'écart entre les deux supports ne dépasse pas significativement une longueur d'onde, c'est-à-dire pas plus d'un demi-micron en cas de lumière visible. Newton a observé ce phénomène dès 1675. Il a étudié le motif d'interférence, maintenant connu sous le nom d'anneaux de Newton, qui se produit lorsqu'une lentille plan-convexe est appliquée sur une plaque de verre plate. Les anneaux ne devraient être observés que lorsque la lumière passe directement de la lentille dans la plaque. Newton a constaté que même lorsqu'une très petite distance séparait la surface de la lentille de la plaque, c.-à-d. les deux surfaces n'étaient pas en contact l'une avec l'autre, une partie de la lumière qui aurait dû subir une réflexion interne totale, au lieu de cela pénétrait à travers l'espace.
Le tunneling est clairement contre-intuitif. Le physicien Georgy Gamov a été le premier à révéler ce phénomène en mécanique quantique. En 1928, avec son aide, il expliqua comment certains isotopes radioactifs peuvent émettre des particules alpha. Il a montré que les particules alpha à l'intérieur du noyau n'ont pas assez d'énergie pour se détacher d'un noyau lourd, tout comme un boulet de canon ne peut pas atteindre la vitesse de fuite et se détacher du champ gravitationnel de la Terre. Il a pu montrer qu'en raison de sa nature ondulatoire, une particule alpha peut encore pénétrer la barrière et quitter le noyau.
Contrairement à la croyance populaire, cependant, le tunneling n'est pas seulement un effet purement quantique; on l'observe également dans le cas des ondes classiques. Un rayon de soleil passant dans un nuage à l'extérieur d'une goutte d'eau peut, contrairement aux attentes intuitives, le pénétrer par effet tunnel et ainsi contribuer à la création de gloriose.
Notre travail initial avec Wiskomb portait sur l'étude de la diffusion de la lumière en réfléchissant entièrement des boules d'argent. Nous avons constaté que les ondes partielles d'un rayon passant à l'extérieur de la sphère peuvent, si la distance à la surface de la gouttelette n'est pas trop grande, se creuser un tunnel vers sa surface et apporter une contribution significative à la diffraction.
Dans le cas de sphères transparentes telles que des gouttelettes d'eau, après avoir pénétré à leur surface, la lumière peut pénétrer vers l'intérieur. Là, il frappe la surface interne de la sphère sous un angle suffisamment petit pour subir une réflexion interne totale, et reste donc piégé à l'intérieur de la goutte. Un phénomène similaire est observé pour les ondes sonores, par exemple, dans la célèbre Whispering Gallery sous les arcades de St. Paul à Londres. Une personne qui chuchote face à un mur peut être entendue au loin sur le mur opposé, car le son subit de multiples réflexions sur les murs arrondis.
Dans le cas de la lumière, cependant, une onde qui a pénétré dans la gouttelette peut également la quitter en raison du tunnel. Pour certaines longueurs d'onde, après de multiples réflexions internes, l'onde est amplifiée par interférence constructive, formant la résonance dite de Mie. Cet effet peut être comparé au balancement d'un swing dû à des secousses dont la fréquence coïncide avec leur fréquence naturelle. En relation avec l'analogie acoustique, ces résonances sont également appelées effet de galerie chuchotante. Même un léger changement de longueur d'onde suffit à rompre la résonance; par conséquent, les résonances Mi sont extrêmement nettes et fournissent une augmentation significative de l'intensité.
En résumé, on peut dire que trois effets contribuent au phénomène de gloria: la rétrodiffusion axiale considérée par Ray conformément à l'optique géométrique; les ondes de bord, y compris les ondes de surface de van de Hulst; Résonances de Mie résultant du tunneling. En 1977, Vijay Khare, alors à l'Université de Rochester, et moi avons évalué la contribution des rayons de bord, y compris les ondes de van de Hulst. Les résonances ont été examinées par Luiz Gallisa Guimaraes de l'Université fédérale de Rio de Janeiro en 1994. En 2002, j'ai fait une analyse détaillée de laquelle des trois effets est le plus important. Il s'est avéré que la contribution de la rétrodiffusion axiale est négligeable, et la plus importante est l'effet des résonances dues à l'effet tunnel hors bord. La conclusion inévitable qui en découle est la suivante:gloria est un effet macroscopique du tunnel de lumière.
Gloria et le climat
En plus de fournir une pure satisfaction intellectuelle au problème de la gloriose, l'effet tunnel de la lumière a également des applications pratiques. L'effet de galerie de chuchotement a été utilisé pour créer des lasers basés sur des gouttelettes d'eau microscopiques, des microsphères dures et des disques microscopiques. Le tunnel de lumière a récemment été utilisé dans les écrans tactiles. Un doigt s'approchant de l'écran agit comme une lentille newtonienne, permettant à la lumière de pénétrer à l'intérieur de l'écran, de se diffuser dans la direction opposée et de générer un signal. L'onde lumineuse non homogène générée par effet tunnel est utilisée dans une technologie aussi importante que la microscopie proche du bord, qui peut être utilisée pour résoudre des détails qui sont plus petits que la longueur d'onde de la lumière, brisant ainsi la soi-disant limite de diffraction.qui en microscopie conventionnelle pour des objets de cette taille donne une image floue.
Comprendre la diffusion de la lumière dans les gouttelettes d'eau est particulièrement important pour évaluer le rôle des nuages dans le changement climatique. L'eau est très transparente dans la région visible du spectre, cependant, comme le dioxyde de carbone et d'autres gaz à effet de serre, elle absorbe le rayonnement infrarouge dans certaines bandes. Comme les résonances de Mie sont généralement associées à un très grand nombre d'événements de réflexion interne, une petite gouttelette peut absorber une fraction significative du rayonnement, surtout si l'eau contient des impuretés. La question se pose: la couverture nuageuse, au fur et à mesure que sa densité moyenne changera, gardera la Terre fraîche, réfléchissant la majeure partie de la lumière du soleil dans l'espace, ou contribuera-t-elle à son échauffement, agissant comme une couverture supplémentaire qui piège le rayonnement infrarouge?
Jusqu'à il y a une dizaine d'années, la modélisation de la diffusion de la lumière par les nuages était réalisée en calculant les résonances de Mie pour un ensemble relativement petit de tailles de gouttelettes considérées comme représentatives des nuages typiques. Cela réduisait le temps de comptage sur le supercalculateur, mais posait un piège inattendu. Comme je l'ai montré en 2003, en utilisant mes propres méthodes d'analyse de l'arc-en-ciel et du gloria, les méthodes de modélisation standard pourraient conduire à des erreurs allant jusqu'à 30% pour certaines bandes spectrales étroites. Ainsi, lors du calcul de la diffusion à partir de gouttelettes avec des tailles présélectionnées, il est facile de passer à côté d'une contribution importante de nombreuses résonances étroites associées à des gouttelettes de tailles intermédiaires. Par exemple, si le calcul a été effectué pour des gouttelettes d'un diamètre de un, deux, trois, etc. micron, une résonance très étroite à 2,4 microns a été passée. Ma prédiction a été confirmée en 2006. Dans les études qui ont pris en compte la distribution réelle des tailles de gouttelettes dans l'atmosphère, ces dernières années les modèles ont été améliorés en considérant les gouttelettes, dont les tailles ont été décomposées en intervalles beaucoup plus petits.
Comme l'avait prédit Wigner, les résultats obtenus même avec un superordinateur parfait, s'ils ne sont pas éclairés par la pensée physique, ne sont pas crédibles. Il y a quelque chose à penser, surtout si la prochaine fois que votre siège dans l'avion est près de la fenêtre.