科學(xué)家借助水滴成功模擬自然界“孿生彩虹” _科學(xué)

這是霧虹，小水滴使它看起來(lái)接近白色，科學(xué)家利用相匹配的水滴模擬霧虹
【科學(xué)家借助水滴成功模擬自然界“孿生彩虹”】

研究顯示，當(dāng)水滴下降時(shí) ，空氣壓力使它的底部變得平坦，形狀像一個(gè)漢堡包

從左至右：弓形主虹、主虹、雙彩虹、多重主虹、孿生彩虹

科學(xué)家模擬各種彩虹
美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校計(jì)算機(jī)系的科學(xué)家近日模擬了自然界中發(fā)現(xiàn)的所有彩虹，并解答了有關(guān)彩虹的物理問(wèn)題。他們通過(guò)模擬光如何與各種形狀和大小的水滴相互作用的方法創(chuàng)造了各種各樣的彩虹：主虹、副虹、夕陽(yáng)下的彩虹和霧虹。他們還利用新方法產(chǎn)生了逼真的、難以復(fù)制的“孿生彩虹（twinned rainbows）” 。研究結(jié)果發(fā)表在今年12月的頂級(jí)期刊《美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)圖形學(xué)匯刊》（ACM Transactions on Graphics）上。
加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布工程學(xué)院（(Jacobs School of Engineering）的畢業(yè)生伊曼•薩德格海（Iman Sadeghi）博士和他的導(dǎo)師、計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授亨里克•沃恩•揚(yáng)森（Henrik Wann Jensen），以及來(lái)自西班牙、英國(guó)和瑞士的科學(xué)家合作進(jìn)行此項(xiàng)模擬研究。揚(yáng)森說(shuō)：“這超越了計(jì)算機(jī)圖形，我們現(xiàn)在模擬出彩虹是如何形成的幾乎完整的畫面。” 揚(yáng)森對(duì)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)很精通。他在2004年利用計(jì)算機(jī)圖形創(chuàng)作了栩栩如生的動(dòng)畫人物皮膚，而獲得奧斯卡科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng) 。他曾為大量的好萊塢大片設(shè)計(jì)圖片，包括詹姆斯•卡梅隆執(zhí)導(dǎo)的《阿凡達(dá)》。
揚(yáng)森、薩德格海和同事最初模擬彩虹，以便更好地了解球形水滴如何與光相互作用，產(chǎn)生我們通常在雨后看到的明亮的多色弧。他們希望此項(xiàng)研究能夠提高動(dòng)畫電影和視頻游戲中使用的技術(shù) 。薩德格海現(xiàn)在是谷歌圣莫尼卡（Santa Monica）分公司的一名圖形軟件工程師，他說(shuō)：“實(shí)際上，美麗的彩虹比我們眼睛看到的復(fù)雜得多。”
科學(xué)家在進(jìn)行各種模擬時(shí)，他們意識(shí)到，光與球形水滴的相互作用無(wú)法解釋某些種類的彩虹，如孿生彩虹。研究顯示，當(dāng)水滴下降時(shí)，空氣壓力使它的底部變得平坦，形狀像一個(gè)漢堡包。揚(yáng)森和他的團(tuán)隊(duì)把這些輕微變形的水滴命名為“burgeroids” 。揚(yáng)森說(shuō)：“這不是一個(gè)數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)，但我們喜歡用它。” 研究人員的模擬實(shí)驗(yàn)采用所謂的burgeroids，而不是球形的水滴，他們成功模擬了在自然界中發(fā)現(xiàn)的各種彩虹。薩德格海說(shuō)：“我們第一次準(zhǔn)確地模擬了孿生彩虹。”
數(shù)百年前，人類就已經(jīng)很好地理解了關(guān)于彩虹形成的基本原理：是由于陽(yáng)光射到空氣的水滴里，發(fā)生光的反射和折射造成的。彩虹角度隨著光的顏色而變化，因此，太陽(yáng)光分離其光譜成分，形成我們?cè)谔炜罩锌吹降墓靶蔚钠卟实墓庾V 。薩德格海說(shuō)：“彩虹的外觀的變化是由于雨滴的大小和形狀的變化。” 在過(guò)去，杰出的科學(xué)家，包括物理學(xué)家牛頓和法國(guó)數(shù)學(xué)家笛卡爾，通過(guò)計(jì)算和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試圖解釋彩虹是如何形成的。揚(yáng)森表示，彩虹的物理現(xiàn)象還沒(méi)有完全被理解，這令人驚訝。
揚(yáng)森研究彩虹的物理學(xué)，使他有機(jī)會(huì)參加馬里蘭州圣瑪麗學(xué)院（St. Mary's College ）的“自然界中的光與色會(huì)議（Light and Color in Nature conference）” ，他擔(dān)任主講嘉賓，并見到了國(guó)際知名的彩虹專家菲利普•拉文(Philip Laven) ，隨后拉文成為了該項(xiàng)研究的合著者之一。拉文說(shuō)：“到現(xiàn)在為止，大多數(shù)模擬彩虹實(shí)驗(yàn)都把水滴假設(shè)成球形的，這不是真正的大雨點(diǎn)的形狀。在此項(xiàng)研究中，研究人員采取了完全不同的方法，并開發(fā)出一種更真實(shí)的模型重現(xiàn)彩虹。這次所示的仿真模擬使我們更好地了解真正的彩虹。我希望，下一步將使用這些新技術(shù)，模擬更精確形狀的雨滴產(chǎn)生的彩虹。”

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