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科学家借助水滴成功模拟自然界“孪生彩虹”

2011-12-08 09:33
华静一
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  据国外媒体报道,美国加州大学圣地亚哥分校计算机系的科学家近日模拟了自然界中发现的所有彩虹,并解答了有关彩虹的物理问题。他们通过模拟光如何与各种形状和大小的水滴相互作用的方法创造了各种各样的彩虹:主虹、副虹、夕阳下的彩虹和雾虹。他们还利用新方法产生了逼真的、难以复制的“孪生彩虹(twinned rainbows)”。研究结果发表在今年12月的顶级期刊《美国计算机协会图形学汇刊》(ACM Transactions on Graphics)上。

  科学家在进行各种模拟时,他们意识到,光与球形水滴的相互作用无法解释某些种类的彩虹,如孪生彩虹。研究显示,当水滴下降时,空气压力使它的底部变得平坦,形状像一个汉堡包。扬森和他的团队把这些轻微变形的水滴命名为“burgeroids”。扬森说:“这不是一个数学术语,但我们喜欢用它。” 研究人员的模拟实验采用所谓的burgeroids,而不是球形的水滴,他们成功模拟了在自然界中发现的各种彩虹。萨德格海说:“我们第一次准确地模拟了孪生彩虹。”

图1 从左至右:弓形主虹、主虹、双彩虹、多重主虹、孪生彩虹

  数百年前,人类就已经很好地理解了关于彩虹形成的基本原理:是由于阳光射到空气的水滴里,发生光的反射和折射造成的。彩虹角度随着光的颜色而变化,因此,太阳光分离其光谱成分,形成我们在天空中看到的拱形的七彩的光谱。萨德格海说:“彩虹的外观的变化是由于雨滴的大小和形状的变化。” 在过去,杰出的科学家,包括物理学家牛顿和法国数学家笛卡尔,通过计算和进行实验,试图解释彩虹是如何形成的。扬森表示,彩虹的物理现象还没有完全被理解,这令人惊讶。

图2 科学家模拟各种彩虹

  扬森研究彩虹的物理学,使他有机会参加马里兰州圣玛丽学院(St. Mary's College )的“自然界中的光与色会议(Light and Color in Nature conference)”,他担任主讲嘉宾,并见到了国际知名的彩虹专家菲利普•拉文(Philip Laven),随后拉文成为了该项研究的合著者之一。拉文说:“到现在为止,大多数模拟彩虹实验都把水滴假设成球形的,这不是真正的大雨点的形状。在此项研究中,研究人员采取了完全不同的方法,并开发出一种更真实的模型重现彩虹。这次所示的仿真模拟使我们更好地了解真正的彩虹。我希望,下一步将使用这些新技术,模拟更精确形状的雨滴产生的彩虹。”
 

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