Радуга и отражение света

Экспериментальные наблюдения показали, что ночью при лунном свете поляризация рассеянного небом света по своему распределению и свойствам аналогична поляризации дневного неба (разумеется, аналогична по отношению к ночному светилу).

Свет, рассеянный в толще морской воды, также сильно поляризован, подобно рассеянному в атмосфере. Наилучшие условия для наблюдения этого явления имеются, по-видимому, в глубоких тропических морях, отличающихся чистотой воды. Наблюдая морскую глубину через поляризатор, можно заметить различие цвета в направлении, перпендикулярном солнечным лучам и вдоль них. В первом случае это темный цвет индиго, во втором — ярко-голубой. Дело в том, что во втором случае рассеянный свет почти не поляризован и не срезается поляризатором.

Однако эти наблюдения осложняются тем обстоятельством, что кроме света, рассеянного в водной толще, мы наблюдаем также и свет, отраженный от водной поверхности и также сильно поляризованный. Чтобы избавиться от этого и исследовать только поляризацию рассеянного в воде света, надо, очевидно, проводить такие опыты под водой. Современное оборудование аквалангистов позволило это сделать. Эксперименты по измерению поляризации света, рассеянного в морской воде на разных глубинах и по разным направлениям, проводились в нескольких морях, в частности в Атлантическом океане и в Средиземном море. Как и следовало ожидать, степень поляризации максимальна в направлении, перпендикулярном видимому под водой направлению на Солнце. В основном рассеяние света в море это не молекулярное рассеяние, а рассеяние на частицах суспензий, взвешенных в морской воде. Как показали результаты опытов, поляризация является чувствительным индикатором для дифференцировки различных водных масс и течений.

Не менее часто встречается в природе поляризация света, отраженного от водных поверхностей. Неполяризованный 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 помощью поляроида, ориентировав вертикально его ось пропускания, легко погасить эти отраженные блики. Этим часто пользуются на практике при различного рода работах, так как блики мешают видеть расположенные под водой предметы. Очень полезен поляризационный фильтр при работе с навигационным прибором секстантом. С его помощью достигается гораздо лучшая видимость горизонта на море. Вообще-то в секстанте полезно иметь пару поляроидов; например, при наводке на Солнце, частично скрещивая их, можно ослабить яркость до желательной.

Очень эффектно наблюдение поверхности моря с помощью поляроида в ветреную погоду. Если его ось вертикальна, то море кажется гораздо более бурным, чем после поворота поляроида на 90°. В первом случае гасится отраженный свет, поверхность моря кажется темнее, а пена гораздо эффектнее (ее свет почти неполяризован). Иногда лучше наблюдать это явление в очках. Также как и женские оправы для очков так и сами солнцезащитные очки можно найти в сети. Как уже было сказано ранее, при отражении света может возникать некоторая разность фаз между компонентой, поляризованной в плоскости падения и перпендикулярной. Величина этой разности фаз зависит от угла падения и коэффициентов преломления сред, а также от состояния поверхности раздела (наличие пленок на поверхности жидкостей и пр.). В результате этого отраженный свет иногда может быть частично эллиптически поляризован, если падающий свет поляризован частично линейно. Иногда это происходит, когда рассеянный свет ясного неба отражается от больших водных поверхностей (например, поверхности моря). Тончайшие, но обширные жировые пленки растительного, животного или технического происхождения на поверхности моря — обычное явление. Таким образом, в естественных условиях в природе есть возможности возникновения эллиптически (и в частности, циркулярно) поляризованного света. Представим себе два таких отраженных, частично эллиптически поляризованных луча, симметричных относительно плоскости наблюдатель — зенит — Солнце. Они будут также полностью симметричны и в отношении эллиптичности, если не учитывать влияния магнитного поля Земли. Учет же его приводит к тому, что вследствие поворота плоскости поляризации падающих, рассеянных небом лучей в магнитном поле Земли (в одну и ту же сторону) нарушится симметрия относительно указанной выше плоскости и в данном месте земного шара возникнет преобладание одной из циркулярных (или эллиптических) форм поляризации. Более подробный анализ показывает, что эта форма правая. Это преобладание будет устойчивым, меняясь только с изменением магнитного поля Земли (в течение интервалов времени, соизмеримых с геологическими эпохами). Возможно, это и было первопричиной преимущественного образования правых форм оптически активных веществ, играющих столь важную роль в живой природе.

Далее следует упомянуть еще об одном интересном природном поляризационном явлении — о поляризации света радуги. Радуга обязана своим происхождением преломлению и отражению света в дождевых каплях. Как мы знаем, тот и другой процессы связаны с поляризацией света. В итоге свет радуги оказывается довольно сильно поляризованным. Преимущественное направление световых колебаний параллельно кольцу радуги. Расчет на основе теории отражения дает различное поляризационное отношение параллельной и перпендикулярной компонент для радуг разных порядков. Для первой оно составляет 21 (поляризация очень высока), для второй 8, для последующих еще меньше. Экспериментальные данные полностью подтвердили эти расчеты.

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

Поляризация света обнаружена и в одном из грандиознейших и красивейших оптических явлений природы — в северных сияниях, а также в свечении ночного неба.

Поляризацию в северных сияниях можно ожидать потому, что, во-первых, первичные возбуждающие частицы (электроны) имеют преимущественное выделенное направление и, во-вторых, спектральные линии испытывают расщепление на поляризованные компоненты вследствие эффекта Зеемана в магнитном поле Земли. Поэтому наблюдаемая поляризация должна зависеть от взаимной ориентации направления наблюдения, направления движения возбуждающих электронов и направления земного магнитного поля. Подробно теория явления еще не разработана, но имеются соображения, что среди важнейших спектральных линий северных сияний зеленая линия атомарного кислорода не должна быть поляризована, красная же линия может обладать некоторой степенью поляризации. Экспериментально удалось обнаружить довольно высокую степень поляризации (30%) низкоширотного красного сияния. Поляризация в коротковолновой области спектра, несмотря на специальные поиски, не была обнаружена. Экспериментальных данных по этому вопросу пока мало, но надо надеяться, что поляризация поможет разобраться в сложном механизме полярных сияний.

Немногочисленны также (и к тому же противоречивы) наблюдения поляризации свечения ночного неба, а от них можно было бы ожидать помощи в решении ряда вопросов — разделения в этом свечении атмосферной и внеатмосферной компонент и др. Пока можно считать установленным, что это свечение частично поляризовано, причем преимущественное направление поляризации в течение ночи следует за движением Солнца под горизонтом, оставаясь примерно перпендикулярным к плоскости Солнце — полюс мира — наблюдатель.