Lo primero que hay que saber es que ni el objeto que proyecta la sombra ni la propia sombra tienen nada que ver con la formación del efecto. Como veremos más adelante, el hecho de que la sombra se encuentre siempre en el centro del círculo es consecuencia de que los rayos de luz se retrodispersan en la dirección del observador.
La gloria no es un círculo completo arco iris . Un arco iris de círculo completo también está centrado en la sombra del observador, sin embargo su diámetro angular es $84^\circ$ mientras que el diámetro angular de la gloria es inferior a $20^\circ$ . A diferencia del arco iris, la gloria no puede explicarse sólo en términos de óptica geométrica. Por supuesto, los reflejos y la refracción juegan un papel importante, pero también la difracción.
El primer intento de explicación lo dio Fraunhofer, quien sugirió que la luz procedente del Sol es difractada por las gotas más primitivas de la nube (las que están cerca de la cabeza del observador) y luego simplemente reflejada por las porciones interiores de la nube (las que están delante del observador). El resultado neto sería una corona óptica . Sin embargo, esto no puede ser cierto, ya que existen diferencias fundamentales entre la gloria y la corona, como la distribución de la intensidad luminosa (como demostró B.B. Ray en 1923) y la polarización de la luz de los anillos. Ray intentó aplicar únicamente la óptica geométrica pero incluso considerando reflexiones múltiples no pudo ser capaz de explicar las glorias ya que la intensidad de la luz retrodispersada sería demasiado pequeña.
En 1947 van de Hulst propuso un mecanismo que podría explicar las glorias. Básicamente explica cómo un frente de onda plano incidente se transforma en un frente de onda curvo tras emerger la gota. La siguiente figura muestra un frente de onda plano incidente $a$ refracción, reflexión y emergencia de una gota como frente de onda curvo $b$ . Este último tiene un foco virtual F, que por simetría axial resulta ser un anillo. Por tanto, la luz retrodispersada emerge como un frente de onda toroidal. Van de Hulst propuso que la gloria surge como un patrón de interferencia de estos frentes de onda toroidales. ![enter image description here]()
Al igual que para la corona, el tamaño angular de la gloria depende del tamaño de las gotitas en la atmósfera (del orden de unas pocas micras), así como de la composición de estas gotitas. Por lo tanto, pueden utilizarse para determinar las propiedades atmosféricas de otros planetes .
El principal problema de la explicación de Van de Hulst es que el índice de refracción del agua (en torno al $1,33$ ) no es lo suficientemente grande como para provocar una retrodispersión. Hay $14^\circ$ como puede verse en la parte izquierda de la figura. La línea roja es la trayectoria real del rayo y la línea negra es una trayectoria de retrodispersión imposible. ![enter image description here]()
Van de Hulst sugirió que este $14^\circ$ podría superarse si la onda se desplazara por la superficie de la gota en las regiones próximas a las reflexiones (tanto reflexiones externas como internas), como indica la figura de la derecha. El problema de esta idea es que estas ondas superficiales decaen exponencialmente y, al perder demasiada energía, el rayo retrodispersado sería demasiado débil.
Philip Laven propuso un mecanismo para explicar el patrón de interferencia. Las ondas luminosas que penetran en la misma gota recorren caminos diferentes (como ondas superficiales) a lo largo de la gota y se retrodispersan con una fase diferente, dando lugar a una serie de máximos y mínimos.
A finales del siglo XX, Nussenzveig et al. propusieron que la tunelización clásica podría reforzar energéticamente las ondas que viajan en la gota. La dirección campo evanescente de una onda cercana pero exterior a la gota se acoplaría con la onda que viaja en su interior y, por tanto, le transferiría energía. Este efecto túnel es posible ya que el tamaño de la gotita se compara con la longitud de onda (y por lo tanto ocurre ahora en las gotas de lluvia) y sería la "fuerza motriz" de la onda emergente. Nótese que en su modelo no es necesario suponer las ondas superficiales.
Nussenzveig et al. realizaron estudios cuantitativos comparando los tres posibles efectos que originan las glorias y descubrieron que la retrodispersión propuesta por Ray es insignificante y que las principales contribuciones son, por tanto, las ondas superficiales de Van de Hulst y su onda túnel, el siendo este último el más dominante . Según él, las glorias son un efecto macroscópico del túnel de luz clásico.
Parece que hasta ahora no se ha entendido del todo la formación de la gloria. El propio Nussenzveig encontró esta nueva descripción basada en la tunelización cuando trataba de encontrar una teoría más sencilla, dado que las disponibles son demasiado complejas. Puede que los conocimientos actuales sigan siendo complicados y oculten algunos conceptos más básicos. Al parecer, todavía hay gente trabajando en el tema.
Referencias:
http://www.atoptics.co.uk/droplets/glory.htm
http://www.philiplaven.com/Publications/AO-44-27-p5675.pdf
https://www.scientificamerican.com/article/the-science-of-the-glory/
Nussenzveig, Diffraction effects in semiclassical scattering, Cambridge University Press, 1992.
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¿Se observan fenómenos similares debajo de globos meteorológicos u otros objetos a gran altitud? ¿Alguien ha estudiado la dependencia de la velocidad del objeto (por ejemplo, la mayoría de los reactores comerciales producen una pequeña cantidad de luz refractada cerca de sus cuerpos debido al aire comprimido y que fluye rápidamente, pero en general es débil)? Por último (tengo mis dudas al respecto), ¿tienen alguna importancia la pintura y la capa transparente?
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@honeste_vivere Las páginas web enlazadas tienen mucha ejemplos tomadas fuera de los aviones, por ejemplo, por personas que se encuentran en la cima de una montaña. Como tales, la velocidad aerodinámica y la capa de pintura obviamente no importan.
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@EmilioPisanty - Ah, esto es muy impar...