Dodatek TWzory · takPoziom · głębiejEXT OF · R.21
Dodatek T / Głębiej

Dyfrakcja w liczbach

Rozmiar wieńca a rozmiar kropli — jak odczytać jedno z drugiego, stojąc na balkonie.

Krążek Airy'ego · podstawowa skala

Wzór, który wiąże pierścień z kroplą

Fala napotykająca okrągłą przeszkodę o średnicy d tworzy za nią wzór dyfrakcyjny: jasny środek i koncentryczne pierścienie. Pierwsze minimum wypada pod kątem:

sin θ ≈ 1,22 · λ / dθ (theta) — kąt od kierunku na źródło. Współczynnik 1,22 pochodzi z pierwszego zera funkcji Bessela dla otworu kołowego.

Kluczowa jest odwrotna proporcjonalność: mniejsza kropla daje większy pierścień. To odróżnia wieniec od halo i tęczy, których kąty są stałe.

Policzone: promień wieńca dla różnych kropel
Kropla d = 5 µm: sin θ = 1,22 · 0,55 / 5 = 0,134 → θ ≈ 7,7°
Kropla d = 10 µm: → θ ≈ 3,8°
Kropla d = 20 µm: → θ ≈ 1,9°
Kropla d = 40 µm: → θ ≈ 1,0°
Odwracając: mierząc wieniec wyciągniętą ręką, odczytujemy rozmiar kropel. Pierścień wielkości dwóch palców (ok. 3,5°) oznacza krople około 11 µm — typowa świeża chmura. Pierścień ledwie większy od tarczy Księżyca oznacza krople około 40 µm — chmura starsza, krople zdążyły urosnąć.

Ten sam wzór z tym samym współczynnikiem opisuje granicę rozdzielczości teleskopu i aparatu — tylko że tam d jest średnicą obiektywu, a nie kropli. To jedno z ładniejszych powtórzeń tego samego rachunku w zupełnie różnych kontekstach.

Warunek widoczności

Dlaczego wieniec wymaga jednorodnych kropel

Skoro promień pierścienia zależy od rozmiaru kropli, to w chmurze o kroplach różnej wielkości pierścienie różnych rozmiarów nakładają się i wzajemnie wypełniają. Wynikiem jest biaława poświata bez struktury — zwana aureolą — zamiast wyraźnych barwnych kół.

Ostry, kolorowy wieniec wymaga więc wąskiego rozkładu rozmiarów kropel. Występuje to w chmurach świeżych, gdzie kropelki dopiero co powstały na podobnych jądrach i nie zdążyły urosnąć nierównomiernie przez koalescencję.

Stąd praktyczna reguła obserwacyjna: im ładniejszy wieniec, tym młodsza chmura. Najlepsze wieńce daje cienki Altocumulus przesuwający się przed Księżycem, a nie gruby Stratus.

Gloria · gdzie prosty rachunek zawodzi

Rozproszenie wsteczne bez teorii promieni

Gloria pojawia się dokładnie w kierunku antysłonecznym — czyli światło musi wrócić o 180°. Śledząc promienie w kropli, nie da się otrzymać silnego powrotu pod takim kątem: prosty rachunek geometryczny daje w tym kierunku znikomo mało światła.

Wyjaśnienie wymaga uwzględnienia fal powierzchniowych: fala, która ledwie muska kroplę, może biec przez pewien odcinek wzdłuż jej powierzchni i wypromieniować się wstecz. Interferencja takich fal z różnych stron kropli daje pierścienie.

Pełny opis wymaga teorii Mie i został dopracowany dopiero w drugiej połowie XX wieku. Praktyczna zależność jest jednak taka sama jak dla wieńca — rozmiar pierścieni jest odwrotnie proporcjonalny do rozmiaru kropel — więc gloria również jest przyrządem pomiarowym.

Typowe rozmiary glorii z samolotu
Krople 5 µm (chmura świeża, wysoka): pierwszy pierścień ok. 9°
Krople 15 µm (typowy Stratocumulus): ok. 3°
Krople 30 µm (chmura dojrzała): ok. 1,5°
Lecąc nad zróżnicowaną pokrywą chmur, widać, jak gloria pulsuje i zmienia średnicę — to zmiany rozmiaru kropel w kolejnych fragmentach chmury pod nami, odczytywane w czasie rzeczywistym.