Источники поляризованного света

Прямой солнечный свет, свет в мутной воде, собственное свечение атмосферы, огонь, молния, флуоресценция, триболюминесценция, сонолюминесценция и прямой свет от полной луны и планет за пределами Солнечной системы являются неполяризованными. Солнечная корона, небесный свет, радуга, гало, зодиакальный свет, кометы, подводный свет в океане, отражённый свет, красное полярное сияние, эмиссия горячих металлов, лавы и турмалина, а также свет от неполной луны и планет Солнечной системы иногда является поляризированным. За двумя исключениями (которые мы рассмотрим через мгновение), вторую группу от первой отличает наличие рассеяния.

В природе поляризованный свет появляется за счёт рассеяния. Однако не все виды рассеяния одинаково эффективны для поляризации света. Два вида работают лучше всего. Первый – однократное рассеяние частицами, намного меньшими чем длина волны падающего света. Помните уравнение 8 из главы 5, в котором показано, как малые частицы рассеивают свет?

Я добавил выражение 1 + cos² θ без каких-либо объяснений, сказав, что я доберусь до него позже. Ну, будущее уже здесь, как говорится.

Это уравнение на самом деле представляет собой сумму двух выражений, по одному для каждой из двух перпендикулярных поляризаций падающего света. Это связано с тем, что поляризация падающего света влияет на то, как малая частица рассеивает его. Представьте себе, что луч света проходит слева направо, а затем ударяет маленькую частицу, приклеенную к странице (рисунок 8.2).

Для одной поляризации, называемой «параллельной», поскольку она параллельна странице, свет рассеивается в основном вперед и назад, и совсем не рассевается по сторонам. Уравнение:

Для другой поляризации, называемой «перпендикулярной», поскольку она перпендикулярна первой поляризации, свет рассеивается одинаково во всех направлениях:

Не беспокойтесь чрезмерно об уравнениях. Кроме того, не беспокойтесь о «параллельном» и «перпендикулярном» – они являются частью договора о наименованиях, который редко появляется в биологии. Важно часть в том, что, когда угол θ равен 90°, весь рассеянный свет будет иметь одинаковую ось e-вектора. Другими словами, он будет полностью поляризован. Свет, рассеянный под другими углами, будет частично поляризован, за исключением света, рассеянного непосредственно вперед или назад, который будет неполяризован, поскольку косинус 0° и 180° равен единице.

Как мы обсуждали в главе 3, голубой цвет неба является результатом однократного рассеяния света малыми частицами (в данном случае молекулами азота и кислорода), что также объясняет, почему свет сильно поляризован. Как и следовало ожидать, поляризация небесного света наиболее слаба вблизи Солнца и около 180° от Солнца, и наиболее сильна около 90° от Солнца (Вклейка 8).

Значения не соответствуют точь-в-точь 0°, 180° и 90°, поскольку наше небо не идеально. Лучший способ увидеть поляризацию небесного света – это смотреть на небо сквозь солнцезащитные очки Polaroid на рассвете или в сумерках. Когда вы вращаете головой, появляется и исчезает большая тёмная полоса, разделяющая небо на солнечную и антисолнечную половину. Около 5% людей могут видеть вариант этого эффекта без очков Polaroid. Вместо тёмной полосы они видят блёклые жёлтые песочные часы, известные как «щётка Гайдингера». Точная причина этого неизвестна, но считается, что это связано с дихроизмом в лютеине, жёлтом пигменте, расположенном в центральной ямке глаза (Bone and Landrum, 1983).

Поляризация небесного света может быть значительной, но никогда не достигает 100%. Конечный размер Солнца, асимметрия молекул в воздухе, большие частицы в воздухе и многократное рассеяние уменьшают максимальное значение поляризации примерно до 80%. Одним из главных виновников является множественное рассеяние. Часто утверждается, что множественное рассеяние разбавляет степень поляризации, подразумевая, что каждое событие рассеяния является искажающим процессом, в результате которого идеальный и сильно поляризованный фотон после декадентского пути приходит к неполяризованным останкам. Однако каждое событие рассеяния на малых частицах создает сильно поляризованный свет, но только на 90° к направлению первоначального движения фотона. В туманной атмосфере мы теряем эту направленность. Когда мы смотрим на участок ясного голубого неба, находящийся в 90° от Солнца, большая часть света, который мы видим, поступает прямо от Солнца, а затем рассеивается на 90° к нашему глазу. Однако, если небо мглисто, то рассматриваемый нами участок также освещён светом, исходящим из других мест, и, следовательно, он не был рассеян на 90°. Добавление этого света наряду с уменьшением прямого солнечного света, достигающего нашего участка неба, и снижает поляризацию.

Ось e-вектора участка поляризованного небесного света примерно перпендикулярна линии между солнцем и участком. Поэтому, если вы можете видеть несколько лоскутов ясного неба, то теоретически можете с помощью триангуляции определить положение Солнца, даже если оно скрыто за облаками или ландшафтом. Этот факт открыл целую отрасль исследований в области навигации животных, к которой мы вскоре обратимся.

Тот же процесс однократного рассеяния отвечает за подводную поляризацию, основное отличие состоит в том, что свет преимущественно рассеивается молекулами воды, а не кислородом и азотом. Вода также намного плотнее и мутнее воздуха, с множественным рассеянием и рассеянием на капельках воды и пылевых частицах (где поляризация рассеянного света ниже), поэтому степень поляризации обычно ненамного превышает 30%, даже в прозрачной океанской воде. Как и в случае поляризации небесного света, подводная поляризация является максимальной, когда вы смотрите на 90° в сторону от основного направления распространения света, и минимальной при направлении взгляда как по направлению распространения света, так и от него. Таким образом, вблизи поверхности поляризация минимальна при взгляде по направлению или прямо в обратную сторону от видимого солнца (как преломляемого поверхностью воды). Опускаясь глубже, независимо от положения солнца, самый яркий свет идёт сверху вниз, поэтому поляризация минимальна, если смотреть прямо вверх и прямо вниз, и максимальна, если смотреть горизонтально. Таким образом, если не приближаться к поверхности во время захода солнца, поляризация обычно значительная, если смотреть горизонтально. Угол e-вектора в этом направлении примерно горизонтальный, с фактическим углом в зависимости от положения солнца и оптических свойств воды (рис. 8.3).

Другой способ, с помощью которого рассеяние может создавать поляризованный свет, – это когерентное рассеяние, в частности отражение от гладких веществ, таких как стекло, вода и многие листья, или структурно окрашенных объектов, таких как радужные за счёт иризации крылья бабочек. Законы отражения от поверхностей такого рода немного сложны (и приведены в приложении F), но поляризация зависит от угла падающего света довольно простым способом (рис. 8.4).

Если входящий неполяризованный свет попадает на поверхность перпендикулярно, отраженный свет остаётся неполяризованным. Однако по мере увеличения угла между направлением падения света и перпендикуляром к поверхности поляризация отраженного света возрастает до тех пор, пока она не достигнет 100% на так называемом «угле Брюстера». При углах падения света больше угла Брюстера поляризация отраженного свет снова падает до тех пор, пока она не достигнет нуля, когда падающий свет просто слегка касается поверхности. Угол Брюстера легко рассчитать; его тангенс равен m, отношению показателя преломления поверхности материала к показателю преломления окружающей среды. Таким образом, в случае света, отскакивающего от поверхности моря, угол Брюстера представляет собой арктангенс 1,33/1, что составляет 53°. Однако, не слишком сильно концентрируйтесь на точном угле. Поляризация отраженного света высока в широком диапазоне с каждой стороны угла Брюстера.

Несмотря на часто написанное в учебниках, свет, отраженный от металлов, также может быть поляризован, особенно от тех, что плохо проводят электричество, например железо и хром. Степень поляризации примерно достигает только 50%, и поверхность должна быть облучена светом под довольно продольным углом (~ 10° от поверхности), поэтому её реже наблюдают, но если вы её ищете, она там. Единственными естественными исключениями, которые я знаю из правила «рассеяние является причиной поляризации», являются красное полярное сияние (поляризованное земным магнитным полем) и свет, передаваемый через дихроичные минералы, такие как турмалин (одно из немногих дихроичных веществ реального размера в природе). Поэтому, если вы не заинтересованы полярным освещением в безлунные ночи или жизнью жука в турмалинном руднике, поляризация на основе рассеяния покрывает явление целиком. Большой открытый вопрос заключается в том, имеет ли какое-либо животное линейно поляризованную биолюминесценцию. Этот вопрос исследовался только на небольшом числе видов и может заслуживать дальнейших исследований. Интересно отметить, что личинки светлячков имеют биолюминесценцию круговой поляризации (Wynberg et al., 1980). Вероятно, это просто побочный эффект передачи света через спиральные молекулы кутикулы, но, возможно, стоит приглядеться повнимательнее.

← Предыдущая страница ❋ Следующая страница →