Domanda:
Perché i raggi di luce (da torce o altre sorgenti dirette) non si estendono all'infinito?
Joshua Lin
2016-03-15 16:59:20 UTC
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Quando sono in un ambiente buio e accendo una torcia, posso vedere il raggio di luce della torcia. Per quanto ne so, il motivo principale per cui riesco a vedere il raggio di luce è che la luce della torcia disperde polvere e altre particelle varie in direzioni casuali, permettendoci di vedere effettivamente il raggio di luce.

TORCH

Se così fosse, mi aspetterei che il raggio di luce diminuisse con l'intensità man mano che si allontanava dalla torcia, e il raggio una sorta di dolcezza svanisce dall'esistenza. Tuttavia, recentemente, a un festival delle luci tenuto in Australia, ho notato qualcosa di piuttosto strano. Invece di svanire dolcemente, i fasci di luce al festival hanno continuato nel cielo notturno per una determinata distanza e sono stati improvvisamente interrotti.

cutoff

(L'immagine a sinistra è solo un'immagine casuale che mostra i fasci di luce. Le luci bianche luminose erano (credo) falene e altri insetti.) Come si può vedere nell'immagine a destra, i fasci di luce furono improvvisamente interrotte dopo una determinata distanza, invece di svanire dall'esistenza senza intoppi. L'effetto non è stato eccezionale sulla foto, ma nella vita reale è stato incredibilmente pronunciato.

La maggior parte delle volte, posso sempre trovare qualche spiegazione per un fenomeno Osservo, ma questa volta legittimamente non ne ho idea. Per un po 'ho pensato che forse fosse dovuto alla percezione umana, (il modo in cui percepiamo la luce), ma non credo che possa spiegare l'effetto, era solo quello pronunciato.

Sono d'accordo che la dispersione è probabilmente il principale colpevole qui.Ma la geometria di questo è tale che il raggio infinitamente lungo proietta a una lunghezza finita sul tuo campo visivo.Quindi sì, si estende all'infinito effettivo, ma mentre lo fa, sembra muoversi sempre meno nel cielo.
Tre risposte:
rob
2016-03-16 04:51:45 UTC
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Questo effetto è dovuto a un cambiamento nella densità di aerosol e particelle di polvere nella parte superiore dello strato limite planetario, il confine tra la parte dell'atmosfera che è turbolenta a causa di dettagli superficiali come alberi, edifici e topografia e la parte dell'atmosfera in cui quei dettagli vengono ignorati e i flussi di vento possono essere laminare anche ad alte velocità. Sai come a volte nei giorni estivi vedrai una macchia di nubi cumuliformi di bel tempo con cime irregolari e soffici ma fondi piatti, e i fondi piatti sono tutti alla stessa bassa altitudine? Questo è il bordo dello strato limite planetario.

cumulus clouds with flat bottom ( sorgente)

Laser pointer beam passing through planetary boundary layer ( sorgente)

L'intensità della luce retrodiffusa dagli aerosol a una distanza $ r $ è come $ r ^ 4 $, perché perdi un fattore di $ r ^ 2 $ sia all'uscita che al ritorno. $ ^ \ Dagger $ Un cambiamento relativamente improvviso nella densità dei diffusori può far scendere l'intensità del raggio diffuso al di sotto della soglia della tua sensibilità visibile (questo fa parte del motivo per cui è un crimine è che gli Stati Uniti puntino un laser su un aeroplano, anche se l'aereo sembra "più lontano del raggio laser")

Non lasciarti ingannare dalla mia semplice descrizione: il l'atmosfera e i suoi movimenti sono complicati. A volte, ad esempio, ci sono più strati di foschia che sono visibili se illuminati correttamente. L'anno scorso, quando il maltempo ha interrotto un evento di astronomia, ho individuato con successo uno strato a doppia foschia utilizzando un puntatore laser da terra : il raggio era luminoso da terra, è diventato scuro, quindi è continuato più in alto con un punto luminoso sul secondo strato.


$ ^ \ dagger $ Due commentatori protestano dicendo che la diminuzione dell'intensità della luce retrodiffusa dovrebbe essere proporzionale a $ 2r ^ 2 $ o $ (2r) ^ 2 $ piuttosto che proporzionale a $ r ^ 2 \ cdot r ^2 = r ^ 4 $.Non è un errore di battitura o un errore.L'intensità del laser si riduce come $ r ^ 2 $ fintanto che $ r $ è molto maggiore della distanza da qualsiasi vita nel raggio laser.Ciò determina l'assoluta luminosità della grana di polvere.La luce retrodiffusa dal granello di polvere non è affatto collimata, quindi ottieni un altro fattore di $ r ^ 2 $.Questa diminuzione di $ r ^ 4 $ nell'intensità riflessa o retrodiffusa è il motivo per cui lo straordinario esperimento di raggio laser lunare non verrà mai ripetuto con i retroriflettori su Marte.

la seconda immagine ne è uno spettacolare esempio!
Ottima spiegazione
Sei sicuro che l'intensità diminuisca a r ^ 4 rispetto alla distanza di retrodiffusione?A mio avviso dovrebbe essere equivalente alla caduta di intensità in linea retta del doppio della distanza (2r) ^ 2 che non è equivalente a r ^ 4. Grazie, la tua risposta mi ha fatto luce.
@BenL Perdi $ r ^ 2 $ in uscita, che determina la luminosità dei granelli di polvere.Anche la luce riflessa si diffonde, quindi perdi altri $ r ^ 2 $ sulla via del ritorno.
Questa è un'ottima risposta.E una GRANDE immagine / figura! Una domanda: lei parla di un "cambiamento nella densità di aerosol e particelle di polvere".Un cambiamento può significare sia un aumento che una diminuzione della densità.Ho ragione nel ritenere che con cambiamento si intenda (sempre) una DIMINUZIONE di densità?Per esempio.l'atmosfera diventa "più pulita" nell'area del flusso laminare e l'intensità della luce percepita diminuisce perché c'è meno riflesso per l'osservatore sul terreno sopra quell'altezza?
@Bart Sì, una diminuzione della densità degli aerosol
Mike Dunlavey
2016-03-15 17:21:40 UTC
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È possibile che il raggio di luce stia attraversando uno strato di elevata umidità, come una nuvola molto sottile.Il raggio che vedi è ciò che viene deviato verso di te.Se sta attraversando l'aria secca, continua ad andare;non torna agli occhi.

Non preoccuparti, la luce non si ferma senza colpire qualcosa. (Dopotutto, puoi vedere le stelle, per non parlare della luce del sole).sei in un aereo che vola attraverso quel fascio di luce apparentemente spento, lo lo vedrai.

Vorrei anche questa spiegazione.Immagino che la nuvola di smog derivante dall'attività cittadina sia il motivo per cui si vede la dispersione.
Questo è esattamente corretto.
Un meccanismo diverso che in generale può verificarsi, anche se non credo sia il caso in questa fotografia, è che il punto in cui il raggio sembra fermarsi è il punto di fuga della prospettiva.Quindi, ad esempio, se una persona a 50 piedi di distanza da te punta la torcia * esattamente * verso la stella polare e tu guardi la stella polare, il raggio di luce che vedi non si estenderà oltre la stella polare.Ma mentre il raggio nella foto si assottiglia man mano che sale, non mi sembra convergere nel punto in cui scompare.
Oltre a ciò, c'è un altro effetto che deriva dal fatto che lo scattering è più forte in avanti.Quindi, se hai un forte fascio di luce (con assorbimento trascurabile, che disperde un mezzo omogeneo) che sale lungo l'asse $ z $ e sei nel piano $ x, y $, il raggio a $ z <0 $ sembrapiù luminoso del raggio a $ z> 0 $.Il [laser Siemens ora estinto ad Adlershof, Berlino] (http://i.stack.imgur.com/jlAOX.jpg) ne è stato un eccellente esempio - gran parte della diminuzione dell'intensità deriva dall'angolo di visione, come verificato daandare in giro.
Butch
2016-03-16 22:56:23 UTC
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Il problema con la tua teoria sta nella tua comprensione della luce. Anche se la luce si comporta come un raggio, in realtà è di natura particellare, da cui il fotone. La luce rientra nella legge dell'inverso del quadrato di Newton: la legge dell'inverso del quadrato è qualsiasi legge fisica che afferma che una quantità o intensità fisica specificata è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente di quella quantità fisica, così come i fotoni lasciano la loro sorgente regolarmente distanze i fotoni si distribuiscono in modo uniforme così mentre si diffondono diventano meno intensi o più deboli e questa diffusione dei fotoni continua fino a quando la concentrazione di fotoni è così sottile che la luce diventa impossibile da vedere senza aiuto, motivo per cui gli astronomi hanno bisogno di potenti telescopi per vedere luce che viene da così lontano. Tuttavia, anche la polvere atmosferica gioca un ruolo nel filtrare i fotoni. Anche nel caso del tuo spettacolo di luci quelle luci in particolare erano focalizzate con una lente fino a un punto sottile ma vale ancora la legge inversa.

È come quando ricevi una domanda in un test di cui non conosci la risposta, quindi scrivi solo molte informazioni rilevanti per le parole usate nella domanda sperando di ottenere un credito parziale.
@SeñorO: Tra i lati positivi, non stanno ripetendo le informazioni nella domanda all'OP con un punto alla fine per far sembrare una risposta, che è qualcosa che ho visto accadere anche in scenari in cui le persone non lo fannoconoscere la risposta....


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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