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计算机模拟揭示了彩虹的物理现象

研究人员模拟了各种彩虹。在这里,他们的模拟被黑盒子包围着,被插入到真实彩虹的照片中。

加州大学圣地亚哥分校的计算机科学家们开始模拟自然界中发现的所有彩虹,最后也回答了有关彩虹物理学的问题。科学家们通过一种改进的方法来模拟光线与不同形状和大小的水滴相互作用,从而重现了各种各样的彩虹——初级彩虹、次级彩虹、日落时形成的红虹以及雾天形成的云虹。他们的新方法甚至产生了难以复制的“孪生”彩虹的真实模拟,这些彩虹将主虹一分为二。

加州大学圣地亚哥分校的校友Iman Sadeghi在雅各布工程学院攻读博士期间完成了这项研究,他的导师,计算机科学教授Henrik Wann Jensen以及来自西班牙、英国和瑞士的科学家们将发表他们的研究结果在ACM图形学报在今年12月。

詹森说:“这已经超出了计算机图形学的范畴。“我们现在已经大致了解了彩虹是如何形成的。”

当水滴下落时,气压会使水滴底部变平,形成汉堡的形状。基于所谓的类汉堡而不是球形水滴的模拟,使研究人员能够复制自然界中发现的各种彩虹。

詹森对计算机图形学的进步并不陌生。他在2004年获得了奥斯卡奖,因为他的研究为动画人物带来了栩栩如生的皮肤。他曾参与多部好莱坞大片的制作,包括詹姆斯·卡梅隆的《阿凡达》。

Jensen、Sadeghi和同事们最初开始模拟彩虹,以便更好地理解球形水滴与光的相互作用,从而产生我们在雨停或热带潮湿天气中习惯看到的明亮、多色的弧线。他们希望改进用于动画电影和电子游戏的技术。

Sadeghi现在是圣塔莫尼卡谷歌图形部门的一名软件工程师,他说:“通常你在写博士论文的时候是没有机会研究如此美丽的现象的。”“彩虹的内涵远比我们看到的要丰富得多。”

这是一个云虹的例子,小水滴使彩虹看起来几乎是白色的。研究人员通过匹配水滴的大小进行了模拟。(c) Les Cowley -大气光学

当他们开始进行各种模拟时,科学家们意识到光与球形水滴的相互作用不能解释某些种类的彩虹,比如双生彩虹。科学家们通过研究发现,当水滴下落时,气压会使水滴底部变平,并将其塑造成汉堡的形状。詹森和他的团队称这些轻微变形的水滴为“汉堡状水滴”。詹森说:“这不是一个非常数学化的术语,但我们喜欢用它。”基于所谓的类汉堡而不是球形水滴的模拟,使研究人员能够复制自然界中发现的各种彩虹。Sadeghi说:“我们是第一个精确模拟双生彩虹的人。”

彩虹形成的基本机理几百年来一直为人所熟知:一束光在水滴中被反射和折射,然后强烈地集中在水滴的“彩虹角”附近。彩虹的角度会随着光线的颜色而变化。结果,阳光分解成光谱成分,形成了我们在天空中看到的颜色。萨德吉说:“彩虹外观的变化是由于雨滴的大小和形状。”

延森说,令人惊讶的是,人们至今仍未完全理解彩虹的物理原理。过去,包括艾萨克·牛顿(Isaac Newton)和法国数学家勒内·笛卡尔(Rene Descartes)在内的著名科学家通过计算和实验来解释彩虹是如何形成的。但如今,彩虹研究的资金和相关研究都很稀缺。

Jensen的追求学习的物理彩虹让他自然光线和色彩的圣玛丽学院的会议在圣玛丽的城市,Md。他担任主讲人,见到菲利普•Laven彩虹国际知名专家,成为该研究的合著者之一。

一系列模拟彩虹:从左到右:基于主流模拟彩虹理论的彩虹,主虹带有多余的虹,主虹和双虹,主虹带有多余的虹和双虹,主虹分为两部分。

拉文说,到目前为止,大多数彩虹模拟都假设水滴是球形的,这对大雨滴来说是不正确的。他说,在这篇论文中,研究人员采用了一种完全不同的方法,开发了一种更真实的模型来重现彩虹。

“这篇论文中显示的模拟为更好地理解真正的彩虹提供了前景,”拉文说。“我希望下一步将是使用这些新技术来系统地研究由真实形状的雨滴形成的彩虹。”

Jensen、Sadeghi、Laven和他们的同事计划在2012年洛杉矶举行的SIGGRAPH会议上展示他们的发现。詹森还计划参加下一次在阿拉斯加举行的“自然中的光与色”会议。他接下来会尝试模拟北极光吗?他说他有可能。


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