книги из ГПНТБ / Жевандров, Н. Д. Анизотропия и оптика

Глава V

ОПТИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ В ПРИРОДЕ

Оптическая анизотропия атмосферы и гидросферы

Существует яркий пример поляризации света в естествен­ ных природных условиях. Это поляризация дневного света неба. Причина этого явления — поляризация при молеку­ лярном рассеянии. Из-за поперечиости световых воли свет, рассеянный изотропными молекулами в направлении, пер­ пендикулярном первоначальному, линейно поляризован. Степень полярпзацип света голубого неба различна в раз­ ных точках небосвода (от 0 примерно до 80 % ). Если Солн­ це находится вблизи горизонта (на восходе или на закате), то наибольшей степень поляризации света синего неба бу­ дет па большом круге, плоскость которого проходит через зенит и перпендикулярна направлению на Солнце. Направ­ ление электрического вектора рассеянного света всегда нормально к плоскости, определяемой тремя точками: Солн­ це — наблюдатель — точка рассеяния. Следовательно, элек­ трический вектор горизонтален в зените и вертикален вблизи горизонта. Наименьшая поляризация, грубо говоря, соответствует направленням «иа Солнце» и «от Солица».

Состояние поляризации в различных точках небосвода зависит от положения Солнца, т. е. от времени дня. Каче­ ственное исследование распределения поляризации ио яс­ ному небосводу можно произвести с помощью поляроида или любого другого анализатора. Для более точных изме­ рений наиболее часто применяются полярископ Canapa или фотоэлектрические поляриметры.

На рис. 52 показан график азимутального распределе­ ния степени поляризации по большому кругу небосвода, проходящему через зенит и Солнце. Положительной счи­ тается поляризация с горизонтальным преимущественным направлением колебаний. Максимум поляризации пример­ но соответствует углу 90° от Солнца. Вблизи направления иа Солнце поляризация дважды меняет знак, проходя че­ рез нулевые значения. Это так называемые нейтральные

ИО

точки. Выше Солица расположена нейтральная точка Ба­ бине, а ниже — нейтральная точка Брюстера. Если Солн­ це очень близко к горизонту, нижней нейтральной точки не видно, но зато появляется другая нейтральная точка — точка Aparo на противоположной стороне небосвода. В направлении прямо на Солнце поляризация очень невели­ ка, ио имеет другой знак — преимущественное направле­ ние колебаний вертикально. Как правило, свет неба час­ тично линейно поляризован. Однако иногда удается об­ наружить небольшую эллиптическую поляризацию.

Рис. 52. Азимутальная зави­ симость поляризации псбосвода

Азимутальная зависимость, полученная для ясного неба экспериментально, хорошо совпадает с расчетной зависи­ мостью для молекулярного рассеяния. Если иа опыте об­ наруживаются отступления от этой зависимости, они ука­ зывают на присутствие рассеяния на облаках водяного па­ ра, аэрозолях и других включениях, создающих мутность атмосферы. Поляризация рассеянного света вообще очень хороший индикатор процесса рассеяния. Так, поляризация света, рассеянного облаками, всегда намного меньше, чем поляризация света, рассеянного ясным небом. Этим поль­ зуются, например, в фотографии, усиливая с помощью по­ ляроида контрастность облаков. Для цветной фотографии это единственный способ, так как желтыми и оранжевыми фильтрами пользоваться нельзя. Точно так же дым не поляризует рассеянный свет, что можно использовать для обнаружения иа фоне неба лесных пожаров с больших расстоянии. С помощью детальных поляризационных из­ мерений можпо исследовать загрязненность атмосферы аэрозолями.

111

Большое влияние иа поляризацию оказывает и состоя­ ние земной поверхности. Например, спежиый покров за­ метно ослабляет поляризацию небесного света. Поляриза­ ция может служить тонким методом изучения чистоты атмосферы, турбулеитпости воздушных масс, поэтому ее наряду с традиционными методами синоптики можно ис­ пользовать для прогнозирования погоды. Если, например, в ясную погоду уменьшается поляризация, значит, по не­ бу уже идут облака, по очень слабые, еще незаметные глазу. Иногда таким образом можно предсказать измене­ ние погоды значительно раньше, чем с помощью других методов. Этот метод может, например, служить для пред­ сказания приближения тапфуиов. Методом предсказания погоды может служить также измеиепие положепия на не­ бе нейтральных точек. Так, удаление их от Солнца — при­ знак устойчивой хорошей погоды, а приближение к Солн­ цу предвещает перемену погоды.

Большую научную и практическую пользу принесут исследования атмосферной поляризации со спутников и космических кораблей. В печати уже были сообщения об исследовании советскими космонавтами поляризации сол­ нечного света, отраженного атмосферой и земной поверх­ ностью, во время полетов космического корабля «Союз-8» и орбитальной станции «Салют».

Поляризация рассеянного света неба была использова­ на для создания поляризационного небесного компаса. Такой компас полезен на территориях, расположенных вблизи магнитных полюсов Земли, где непригодны обыч­ ные магнитные компасы. Поляризационный компас приме­ няется в дневное время, ио когда невозможно прямое на­ блюдение Солнца, например когда имеется значительная (но не сплошная) облачность или когда Солнце за горизон­ том (незадолго перед восходом или вскоре после заката). Поскольку распределение поляризации по небосводу од­ нозначно для данного времени дня, то ясно, что, найдя направление преимущественных колебаний в некоторой точ­ ке (например, в зените), можно определить истинное на­ правление иа север. Точность прибора порядка 2°.

Своеобразны поляризационные явления в сумерках. По­ ляризация света неба в зените при низком положении Солн­ ца иемоиотоиио зависит от его высоты. Она то возрастает, то убывает, причем по-разному в разные дни. Кроме того, с уменьшением высоты Солнца наблюдается «блуждание»

112

нейтральных точек. Причина этих явлений, по-видимому, в том, что во время сумерек происходит интенсивное пере­ распределение плотности в атмосфере, возникают потоки воздуха, меняется состояние ионосферы и т. д. Большее значение начинают также играть и процессы многократно­ го рассеяния света, не учитываемые в простейшей теории.

Не менее любопытны сведения о вращении плоскости поляризации на больших высотах, а также во время сол­ нечного затмения. Эти наблюдения относятся к областям вблизи нейтральных точек, где особенно велпка роль мно­ гократного рассеяния и различных вторичных эффектов. К сожалению, экспериментальные данные здесь пока очень немногочисленны и неполны.

Экспериментальные наблюдения показали, что ночью при лунном свете поляризация рассеянного небом света по распределению и свойствам аналогична поляризации днев­ ного неба (разумеется, аналогична по отношению к ночно­ му светилу).

Свет, рассеянный в толще морской воды, тоже сильно поляризован. Лучше всего наблюдать это явление в глу­ боких тропических морях, отличающихся чистотой воды. Через поляризатор можно заметить, что цвета воды в на­ правлении, перпендикулярном солнечным лучам, и в на­ правлении вдоль лучей различны. В первом случае это темный цвет иидпго, во втором — ярко-голубой. Дело в том, что во втором случае рассеянный свет' почти не по­ ляризован и не срезается поляризатором.

Наблюдения осложняются тем, что кроме света, рас­ сеянного в водной толще, мы наблюдаем еще и свет, отра­ женный от водной поверхности и также сильно поляризо­ ванный. Чтобы исследовать только поляризацию света в воде, надо проводить опыты под водой. Современное обо­ рудование аквалангистов позволяет это сделать. Экспери­ менты по измерению поляризации света, рассеянного в морской воде, на разных глубинах и по разным направле­ ниям производились в нескольких морях, в частности в Атлантическом океане и в Средиземном море. Как и сле­ довало ожидать, степень поляризации максимальна в на­ правлении, перпендикулярном видимому под водой на­ правлению на Солнце. Рассеяние света в море —это не молекулярное рассеяние, а рассеяние на частицах суспен­ зий, взвешенных в морской воде. При помощи поляриза­ ции дифференцируют различные водные массы и течения.

113

Не менее часто встречается в природе поляризация све­ та, отраженного от водных поверхностей. Неполярпзозапнып луч, отражаясь от поверхности воды, приобретает частичную линейную (а при падении под углом Брюстера и полную линейную) поляризацию. Преимущественная компонента («гладящая») при этом горизонтальна. С по­ мощью поляроида, ориентировав вертикально его ось про­ пускания, легко погасить этп отраженные блики. Этим часто пользуются на практике, так как бликп мешают видеть расположенные под водой предметы. Очень поле­ зен поляризационный фильтр при работе с навигацион­ ным прибором секстантом. С его помощью достигается го­ раздо лучшая впдпмость горизонта на море. Вообще-то в секстанте полезно иметь пару поляроидов, поскольку, на­ пример, прп наводке на Солнце, частично скрещивая пх, можно ослабить яркость до желательной.

Очень эффектно наблюдение поверхности моря с по­ мощью поляроида в ветреную погоду. Если его ось вер­ тикальна, то море кажется гораздо более бурпым, чем

а пена гораздо эффектнее (ее свет почти не поляризован). При отражении света может возникать некоторая раз­ ность фаз между компонентой, поляризованной в плоско­ сти падеппя, и перпендикулярной компонентой. Величина этой разности фаз зависит от угла падения и коэффициен­ тов преломления сред, а также от состояния поверхности раздела (иалпчия пленок па поверхности жидкостей и пр.). В результате отраженный свет может быть частично эллип­ тически поляризован, если падающий свет поляризован час­ тично лпиейпо. Иногда это происходит, когда рассеянный свет ясного неба отражается от больших водных поверх­ ностей (например, от поверхности моря). Тончайшие, по обширные жировые пленки растительного, животного или технического происхождения па поверхности моря — обычное явление. Таким образом, в естественных услови­ ях в природе может возникнуть эллиптически-поляризо- ванпый (и, в частности, циркулярпо-поляризовапный) свет. Представим себе два таких отраженных частпчио эллпптпческн-полярпзоваппых луча, симметрпчпых отно­ сительно плоскости наблюдатель — зенит — Солпце. Лучп также полностью симметричны п в отношении эллиптичпости, если пе учитывать влияпия магнитного поля Зем­

114

ли. Учет магнитного поля приводит к тому, что вследствие поворота плоскости поляризации падающих, рассеянных небом лучей в магнитном поле Земли (в одну и ту же сто­ рону) нарушается симметрия относительно указанной вы­ ше плоскости и в данном месте земного шара возникает преобладание одной из циркулярных (или эллиптических) форм поляризации. Более подробный анализ показывает, что это правая форма. Преобладание оказывается устой­ чивым, меняясь только при пзмепеишт магнитного поля Земли (в течение интервалов времепп, соизмеримых с гео­ логическими эпохами). Возможпо, это п было причиной преимущественного образования асимметричных форм оп­ тически активных веществ, играющих столь важную роль в живой природе.

Следует упомянуть еще об одном интересном природ­ ном поляризационном явлении — о поляризации света радуги. Радуга обязана своим происхождением преломле­ нию и отражению света в дождевых каплях. Как мы знаем, тот и другой процессы связаны с поляризацией света. Поэ­ тому свет радуги довольно сильно поляризован. Преиму­ щественное направление световых колебании параллельно кольцу радуги. Расчет поляризационного отношения па­ раллельной и перпендикулярной компонент для радуг раз­ ных порядков дает различные значения. Для первой оно составляет 21 (поляризация очень высока), для второй — 8, для последующих еще меньше. Экспериментальные дан­ ные полностью подтвердили эти расчеты.

Аналогично радуге образуется другое распространенное световое небесное явление — солнечное гало. Это световые кольца вокруг Солнца, возникающие вследствие преломле­ ния света в мелких кристалликах льда. Свет гало тоже поляризован. В отличие от радуги световые колебания здесь сильнее в направлении, перпендикулярном кольцу. Дело в том, что главный физический процесс в радуге — отражение, а в гало — преломление света. Степень поляри­ зации у гало значительно меньше, чем у радуги.

Поляризация света обнаружена и в одном из грандиоз­ нейших її красивейших оптических явлений природы — в северных сияниях, а также в свеченип ночного неба.

Поляризацию в северных сияниях можно ожидать по­ тому, что, во-первых, первичные возбуждающие частицы (электроны) имеют преимущественное выделенное на­ правление и, во-вторых, спектральные линии испытывают

115

расщепление па поляризованные компоненты в магнитном поле Земли (эффект Зеемана). Поэтому наблюдаемая по­ ляризация должна зависеть от взаимной ориентации на­ правления наблюдения, направления движения возбуждаю­ щих электронов н направления земного магнитного ноля. Подробно теория явления еще не разработана, но полага­ ют, что среди важнейших спектральных линий северных сияний зеленая линия атомарного кислорода (Â = 5577 А) не должна быть поляризована, красная же линия (Â = = 6300 Â) может обладать некоторой степенью поляриза­ ции. Экспериментально удалось обнаружить довольно высо­ кую степень поляризации (30%) иизкоширотного красного сияипя. Поляризация в коротковолновой области спектра, несмотря на специальные поиски, не была обнаружена. Экспериментальных данных по этому вопросу пока мало, но надо падеяться, что поляризация поможет разобраться в сложном механизме полярных сияний.

Наблюдения поляризации свечения ночного неба не­ многочисленны (и к тому же противоречивы), а от них можно было бы ожидать помощи в решепип ряда вопро­ сов — разделения в этом свечении атмосферной и внеат­ мосферной компонент и др. Пока можно считать установ­ ленным, что это свечение частично поляризовано, причем преимущественное направление поляризации в течение ночи следует за движением Солнца под горизонтом, оста­ ваясь примерно перпендикулярным плоскости Солнце — полюс мира — наблюдатель.

Анизотропия органов зрения

Глаз — очень чувствительный оптический инструмент. Он способен воспринимать и различать интенсивность света, изменяющуюся в чрезвычайно широких пределах (пример­ но в миллиард раз, вплоть до потоков всего в несколько де­ сятков квантов), различать сотни разных оттенков цвета. С помощью глаза мы получаем информацию о форме и про­ странственном, трехмерном расположении объектов.

Оказывается, невооруженный глаз человека способен реагировать и на поляризацию света. К сожалению, поля­ ризационная чувствительность глаза не идет ни в какое сравнение с его спектральной или яркостной чувствитель­ ностью. Глаз человека реагирует на поляризацию, прямо скажем, плохо, однако все же реагирует, и об этом стоит

116

рассказать. Кроме того, следует сказать, что этим свойст­ вом обладают глаза ие всех людей. Сколь часто оно встре­ чается, до сих пор неизвестно, и мнения по этому позоду различны.

Впервые возможность обнаружения поляризации све­ та невооруженным глазом открыл Хайдингер в 1844 г. Наблюдатель, одаренный этим свойством, глядя на однород­ ное поле, освещенное линейно-поляризованным белым светом, в течение нескольких секунд видит своеобразную слабо выраженную бледно-желтую фигуру на голубоватом

, Направление поляризации

гол yóoù

U----------------- г Охало 3°-------------------- М

Рис. 53. Фигура Хайдннгсра

фоне. По своим очертаниям фигура напоминает сноп с рас­ ширяющимися концами. Ее принято называть фигурой Хайдингера (рис. 53). Ось фигуры перпендикулярна на­ правлению поляризации. Если изменить направление электрического вектора иа 90°, наблюдатель вновь увидит фигуру, но ее положение окажется повернутым иа тот же угол. Если поле освещено синим светом, контрастность фи­ гуры увеличивается.

Фигура бывает видна даже в частично поляризованном свете, например на фоне голубого неба.

Аналогичное по своей природе явление открыл в 1940 г. Нейбергер, наблюдавший через поляризатор и пластинку Савара1 (без анализатора!) слабую систему интерферен-

1 О пластинке Савара см. стр. 146.

117

циониых полос. При этом осп симметрии интерференцион­ ной картины совпадают с осями фигуры Хайдиигера, а контуры фигуры соответствуют местам перехода одной си­ стемы полос в другую, дополнительную.

Это говорит о том, что оба явления имеют общую при­ чину, и причина эта — некий анализатор, расположенный в самом глазу. Еще Гельмгольц высказал предположение, что этот анализатор связан с дихроизмом радиальных воло­ кон (так называемых мюллеровых нитей), покрывающих сетчатку глаза вблизи желтого пятна. Дихроизм, по-ви­ димому, объясняется упорядоченным, а не хаотическим расположением анизотропных молекул желтого пигмента на радиальных волокнах. Анализ фигуры Хайдиигера по­ казывает, что молекулярные осцилляторы поглощения пигмента должны быть направлены перпендикулярно ра­ диальным волокнам. Таким образом, желтое пятно пред­ ставляет собой своеобразный «радиальный поляроид», схе­ ма которого изображена на рис. 54.

Такой анализатор ослабляет разные участки лпиейиополяризованиого (пли частично линейно-поляризованно­ го) поля в различной степени. Это различие имеет свои пространственные закономерности, которые и определяют форму фигуры Хайдиигера.

Нетрудно изготовить модель радиального поляроида (рис. 55). Для этого полоску поляроида с направлением пропускаемых колебаний вдоль длинной стороны надо раз­ резать на секторы — равнобедренные треугольники. Сло­ жив их затем как секторы многоугольника, получим по­ добие радиального поляроида. Для вполне хорошего вос­ произведения его свойств достаточно 12 секторов. Можно стереть резкие границы между секторами, если быстро вращать многоугольпик вокруг оси, проходящей через его центр. С помощью этого устройства можно объективно воспроизвести и продемонстрировать поляризационные яв­ ления в сетчатке. Если поместить радиальный поляроид между проектором и экраном, а перед проектором устано­ вить линейный поляризатор, то на экране возникнет фигу­ ра Хайдиигера. Если дополнительно после линейного по­ ляризатора поместить пластинку Савара, на экране будут видны интерференционные фигуры Нейбергера. И та и другая картины в общих чертах воспроизводят соответст­ вующие субъективные ощущения в сетчатке.

Желтую окраску фигуры Хайдиигера связывают со

118

спектром поглощения желтого пигмента. Именно поэтому поляризационные энтоптические1 явления проявляются только в синей области спектра. Экспериментально опре­ деленные спектральные границы видимости фигуры Хайдингера составляют интервал 400—510 нм, наиболее отчетливое видение около 490 нм. Происхождение голубо­ го фона, на котором виден сноп, объясняют цветовым

контрастом.

Впрочем, в ряде новых работ содержатся веские воз­ ражения против гипотезы Гельмгольца, связанной с мюллеровыми нитями и желтым пигментом. В них говорится,

Рис. 5ó. Схема радиального поляроида Рис. 55. Изготовление модели радиального поляроида

что желтый пигмент не обладает дихроизмом, что он не связан с мюллеровымн нитями, что голубая окраска фона значительно превосходит ожидаемую по явлению контра­ ста и т. д. Предлагается новая анатомическая гипотеза о

непосредственно внутри ее среди палочек и колбочек, а может быть, и связана с ними. Кроме того, все свойства (форма, окраска и пр.) фигуры Хайдингера удается объя­

зу, связанные со свойствами глазных систем п структур.

119