¿Cuál es la explicación de la gloria (fenómeno óptico)?

Sir Michael Berry parece sugerir que la explicación ahora está completa en la sección 6 de este artículo:
La óptica de la naturaleza y nuestra comprensión de la luz, publicado en 2015 en la revista Contemporary Physics:

"Se necesitaron varios siglos para que este hermoso fenómeno se comprendiera por completo después de su primera observación registrada, porque su explicación involucra conexiones sutiles entre conceptos que generalmente se consideran separados"

Extractos del texto:

"Primero, tenga en cuenta que dado que la gloria aparece en el borde de la sombra del observador en una nube, debe ser un fenómeno de retrodispersión asociado con las gotas de agua".

[...]

"Para comprender el verdadero mecanismo de la gloria de la naturaleza, notamos que aunque los rayos no alcanzan la dirección hacia atrás del agua, se acercan".

[...]

"Para acomodar el déficit de 14°, parte de la luz emergente queda atrapada en una onda superficial que se arrastra alrededor de la superficie de la gota, irradiando tangencialmente".

[...]

"El decaimiento angular exponencial es una característica dominante, descrita analíticamente en términos de momento angular complejo: una aplicación inesperada a este fenómeno natural de los polos Regge (singularidades de momento angular complejo) ideado para explicar la dispersión cuántica de partículas elementales".

[...]

"La intensidad se desvanece para las gotas grandes porque la mejora del enfoque se cancela por la evanescencia (decaimiento durante el salto de 14°) y también para las gotas muy pequeñas, donde el enfoque se suaviza por la difracción. Es por eso que la gloria se observa en las gotas pequeñas. ocurriendo en nubes o niebla, pero no en lluvia donde las gotas son más grandes.

Él concluye:

"Resumiendo: la gloria es un efecto de enfoque que se desvanece en el límite geométrico-óptico " .

Sin embargo, no estoy seguro de si esa es la explicación completa acordada ...

Lo primero que debe saber es que el objeto que proyecta la sombra o la sombra en sí no tienen nada que ver con la formación del efecto. Como veremos más adelante, el hecho de que la sombra esté siempre en el centro del círculo es el resultado de que los rayos de luz se retrodispersan en la dirección del observador.

La gloria no es un arcoíris de círculo completo . Un arco iris de círculo completo también está centrado en la sombra del observador, sin embargo, su diámetro angular es$84^\circ$mientras que el diámetro angular de la gloria es menor que$20^\circ$. Improbable el arco iris la gloria no se puede explicar solo en términos de óptica geométrica. Por supuesto, hay reflejos y refracción que juegan un papel, pero también la difracción juega un papel importante.

El primer intento de explicación lo dio Fraunhofer, quien sugirió que la luz que proviene del Sol es difractada por las gotas más importantes de la nube (las que están cerca de la cabeza del observador) y luego simplemente reflejada por las partes internas de la nube (las que están delante de él). el observador). El resultado neto sería una corona óptica invertida . Sin embargo, esto no puede ser cierto ya que existen diferencias fundamentales entre la gloria y la corona, como la distribución de la intensidad de la luz (como se muestra por BB Ray en 1923) y la polarización de la luz de los anillos. Ray trató de aplicar solo la óptica geométrica, pero incluso considerando múltiples reflejos, no pudo explicar las glorias ya que la intensidad de la luz retrodispersada sería demasiado pequeña.

En 1947 van de Hulst propuso un mecanismo que podría explicar las glorias. Básicamente, explico cómo un frente de onda incidente plano se transforma en un frente de onda curvo después de emerger la gota. La siguiente figura muestra un frente de onda plano incidente$a$refractando, reflejando y emergiendo una gota como un frente de onda curvo$b$. Este último tiene un punto de foco virtual F, que por simetría axial resulta ser un anillo. Por lo tanto, la luz retrodispersada emerge como un frente de onda toroidal. Van de Hulst propuso que la gloria emerge como un patrón de interferencia de estos frentes de onda toroidales.

Al igual que para la corona, el tamaño angular de la gloria depende del tamaño de las gotas en la atmósfera (del orden de unas pocas micras) así como de la composición de estas gotas. Por lo tanto, las glorias se pueden usar para determinar las propiedades atmosféricas de otros planetas .

El principal problema con la explicación de Van de Hulst es que el índice de refracción del agua (alrededor de$1,33$) no es lo suficientemente grande como para dar lugar a una retrodispersión. Hay$14^\circ$falta como se puede ver a la izquierda de la siguiente figura. La línea roja es la trayectoria real del rayo y la línea negra es una trayectoria retrodispersada imposible.

Van de Hulst sugirió que este$14^\circ$la falta podría superarse si la onda viaja en la superficie de la gota en las regiones cercanas a los reflejos (tanto reflejos externos como internos) como indica la figura de la derecha arriba. El problema con esta idea es que estas ondas superficiales decaen exponencialmente y al perder demasiada energía, el rayo retrodispersado sería demasiado débil.

Philip Laven propuso un mecanismo para explicar el patrón de interferencia. Las ondas de luz que penetran en la misma gota seguirían diferentes caminos (como ondas superficiales) a lo largo de la gota y se retrodispersarían con una fase diferente originando una serie de máximos y mínimos.

A finales del siglo XX, Nussenzveig et al. propuso que la tunelización clásica podría reforzar energéticamente las ondas que viajan en la gota. El campo evanescente de una onda cercana pero exterior a la gota se acoplaría con la onda que viaja hacia el interior y, por lo tanto, le transferiría energía. Este efecto de túnel es posible ya que el tamaño de la gota se compara con la longitud de onda (y por lo tanto ahora ocurre en las gotas de lluvia) y sería la "fuerza impulsora" de la ola emergente. Tenga en cuenta que en su modelo no es necesario asumir las ondas superficiales.

Nussenzveig et al. Hizo estudios cuantitativos comparando los tres posibles efectos que originan las glorias y encontró que la retrodispersión propuesta por Ray es insignificante y que las principales contribuciones son por lo tanto las ondas superficiales de Van de Hulst y su onda efecto túnel, siendo esta última la más dominante . Según él, las glorias son un efecto macroscópico de los túneles de luz clásicos.

Parece que hasta ahora no hay una comprensión completa sobre la formación de gloria. El mismo Nussenzveig encontró esta nueva descripción basada en tunelización al intentar encontrar una teoría más simple dado que las disponibles son demasiado complejas. Tal vez el conocimiento actual sea todavía complicado y se escondan algunos conceptos más básicos. Al parecer, la gente todavía está trabajando en el tema.

Referencias:

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

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

https://www.scientificamerican.com/article/la-ciencia-de-la-gloria/

Nussenzveig, Efectos de difracción en la dispersión semiclásica, Cambridge University Press, 1992.