Чем объясняется слава (оптический феномен)?

Сэр Майкл Берри, кажется, предполагает, что объяснение теперь завершено в разделе 6 этой статьи:
Оптика природы и наше понимание света, опубликованной в 2015 году в журнале Contemporary Physics:

«Потребовалось несколько столетий, чтобы полностью понять это прекрасное явление после его первого зарегистрированного наблюдения, потому что его объяснение включает в себя тонкие связи между понятиями, которые обычно рассматриваются как отдельные» .

Выдержки из текста:

«Во-первых, обратите внимание, что, поскольку сияние появляется на краю тени наблюдателя на облаке, это должно быть явление обратного рассеяния, связанное с каплями воды».

[...]

«Чтобы понять истинный механизм славы природы, отметим, что хотя лучи не достигают обратного направления для воды, они приближаются».

[...]

«Чтобы компенсировать недостаток в 14°, часть выходящего света захватывается поверхностной волной, которая ползет по поверхности капли, излучая по касательной».

[...]

«Экспоненциальное угловое затухание является доминирующей особенностью, описанной аналитически в терминах комплексного углового момента: неожиданное применение к этому естественному явлению полюсов Редже (сложных сингулярностей углового момента), разработанных для объяснения квантового рассеяния элементарных частиц».

[...]

«Интенсивность исчезает для больших капель, потому что усиление фокусировки компенсируется исчезновением (затухание во время скачка 14 °), а также для очень маленьких капель, где фокусировка смягчается дифракцией. Вот почему слава наблюдается в маленьких каплях. происходит в облаках или тумане, но не во время дождя, когда капли крупнее.

Он заключает:

«Подводя итог: слава — это фокусирующий эффект, который исчезает в пределе геометрической оптики » .

Я не уверен, что это согласованное полное объяснение, хотя...

Первое, что нужно знать, это то, что ни объект, отбрасывающий тень, ни сама тень не имеют ничего общего с формированием эффекта. Как мы увидим ниже, тот факт, что тень всегда находится в центре круга, является результатом обратного рассеяния световых лучей в направлении наблюдателя.

Слава — это не полная радуга . Радуга полного круга также находится в центре тени наблюдателя, однако ее угловой диаметр$84^\circ$тогда как угловой диаметр славы меньше, чем$20^\circ$. Вряд ли радуга слава не может быть объяснена только с точки зрения геометрической оптики. Конечно, здесь играют роль отражения и преломление, но большую роль играет и дифракция.

Первая попытка объяснения была дана Фраунгофером, который предположил, что свет, идущий от Солнца, преломляется передними каплями в облаке (находящимися вблизи головы наблюдателя), а затем просто отражается внутренними частями облака (находящимися впереди). Наблюдатель). Конечным результатом будет обратная оптическая корона . Однако это не может быть правдой, поскольку существуют фундаментальные различия между глорией и короной, такие как распределение интенсивности света (как показал Б.Б. Рэй в 1923 г.) и поляризация света колец. Рэй пытался применить только геометрическую оптику, но даже с учетом многократных отражений он не мог объяснить великолепие, так как интенсивность обратного рассеяния света была бы слишком мала.

В 1947 году ван де Хюльст предложил механизм, который мог бы объяснить славу. Я в основном объясняю, как плоский падающий волновой фронт превращается в изогнутый волновой фронт после выхода капли. На рисунке ниже показан падающий плоский волновой фронт.$a$преломление, отражение и появление капли в виде искривленного волнового фронта$b$. Последний имеет виртуальную точку фокусировки F, которая в силу осевой симметрии оказывается кольцом. Таким образом, отраженный свет представляет собой тороидальный волновой фронт. Ван де Хюльст предположил, что слава возникает как интерференционная картина этих тороидальных волновых фронтов.

Как и для короны, угловой размер глории зависит от размера капель в атмосфере (порядка нескольких микрон), а также от состава этих капель. Следовательно, глори можно использовать для определения свойств атмосферы других планет .

Основная проблема с объяснением Ван де Хюльста заключается в том, что показатель преломления воды (около$1,33$) недостаточно велик, чтобы вызвать обратное рассеяние. Есть$14^\circ$отсутствует, как видно слева на рисунке ниже. Красная линия — это фактический путь луча, а черная линия — невозможный путь обратного рассеяния.

Ван де Хюлст предположил, что это$14^\circ$недостаток можно преодолеть, если волна распространяется по поверхности капли в областях, близких к отражениям (как внешним, так и внутренним отражениям), как показано на правом рисунке выше. Проблема с этой идеей заключается в том, что эти поверхностные волны затухают экспоненциально, и из-за потери слишком большого количества энергии обратно рассеянный луч будет слишком слабым.

Филип Лавен предложил механизм для объяснения интерференционной картины. Световые волны, проникающие в одну и ту же каплю, будут проходить по разным путям (как поверхностные волны) вдоль капли и рассеиваться обратно с другой фазой, образуя серию максимумов и минимумов.

В конце 20 века Nussenzveig et al. предположил, что классическое туннелирование может энергетически усиливать волны, распространяющиеся в капле. Исчезающее поле волны, близкой к капле, но снаружи, будет соединяться с волной, бегущей внутри, и, следовательно, передавать ей энергию. Этот эффект туннелирования возможен, поскольку размер капли сравнивается с длиной волны (и, следовательно, теперь это действительно происходит в каплях дождя), и он будет «движущей силой» для возникающей волны. Обратите внимание, что в его модели нет необходимости предполагать наличие поверхностных волн.

Нуссенцвейг и др. провел количественные исследования, сравнивая три возможных эффекта, вызывающих славу, и обнаружил, что обратное рассеяние, предложенное Рэем, незначительно, и поэтому основной вклад вносят поверхностные волны Ван де Хюльста и его туннельная волна, причем последняя является наиболее доминирующей . По его словам, слава — это макроскопический эффект классического туннелирования света.

Похоже, что до сих пор нет полного представления о формировании славы. Сам Нуссенцвейг нашел это новое описание, основанное на туннелировании, когда пытался найти более простую теорию, учитывая, что доступные слишком сложны. Может быть, нынешние знания еще сложны и скрыты еще какие-то базовые понятия. Видимо, люди еще работают над этой темой.

Использованная литература:

http://www.atoptics.co.uk/droplets/glory.htm

http://www.philiplaven.com/Publications/AO-44-27-p5675.pdf

https://www.scientificamerican.com/article/the-science-of-the-glory/

Нуссенцвейг, Эффекты дифракции в квазиклассическом рассеянии, Издательство Кембриджского университета, 1992.