6.127. Поляризация света неба

Почему свет большей части ясного неба слабо поляризован? Почему от некоторых участков исходит вообще не поляризованный свет?

Почему обычно свет от облаков не поляризован? Это помогает фотографировать облака: наденьте на объектив поляризационный фильтр и вращайте его до тех пор, пока облака не станут четко выделяться на фоне неба. Почему свет от облаков поляризован, если на закате солнца облака видны на востоке, а на восходе солнца — на западе? Если смотреть на такие облака через поляризационные очки или сверху, пролетая над ними в самолете, можно увидеть яркую дорожку, уходящую поверх облаков к расположенной напротив солнца части горизонта. Если поворачивать очки вокруг линии взгляда, дорожка исчезает. Почему появляется такая дорожка?

ОТВЕТ • Хотя прямой солнечный свет не поляризован, благодаря рассеянию на молекулах воздуха свет, идущий от большей части неба, поляризован. Рассмотрим такой пример. Пусть солнце находится низко на западе, а рассеивающие свет молекулы — в зените. Мы воспринимаем световые волны, в которых электрическое поле направлено (поляризовано) в направлении север — юг, и говорим, что свет горизонтально поляризован вдоль направления север — юг. Когда солнце низко, свет, идущий от большей части небосвода, поляризован вдоль той же оси. Однако при рассеянии на молекулах остаются участки неба на севере и на юге вблизи плоскости горизонта, где свет поляризован вертикально.

Свет, идущий от области неба почти напротив солнца (на востоке вблизи плоскости горизонта, если солнце низко на западе), должен был быть поляризован вдоль направления север — юг (рис. 6.46a). Однако свет, идущий оттуда, на самом деле поляризован вертикально, поскольку эту область скорее освещает свет от остальной части небосвода вблизи горизонта (где он вертикально поляризован), а не прямые солнечные лучи. Чуть выше этой области на небосводе есть место, где поляризация света отсутствует. Оно отделяет область небосвода вблизи горизонта, где доминирует вертикальная поляризация, и область выше над горизонтом, где свет поляризован вдоль направления север — юг.

Рис. 6.46 / Задача 6.127. a) Поляризация света неба. Устройство для наблюдения поляризации неба: чистая целлофановая лента прикрепляется к поляризационному фильтру (б); из треугольников складывается круг (в).

Можно сделать простой прибор, позволяющий получить красочную картину поляризации небосвода. Возьмите пластинку из поляризационного пластика и прижмите к ней параллельно друг другу нарезанные кусочки чистой целлофановой или лавсановой ленты так, чтобы они составляли угол 45° с направлением поляризации. Если у вас есть широкая целлофановая лента, можно обойтись и одной полоской. Если направление поляризации не указано, посмотрите через пластик на лужу. Вращайте пластик до тех пор, пока лужа не исчезнет. В таком положении ось поляризации направлена по вертикали. Добавьте второй слой полосок или вторую полоску поверх первой для усиления эффекта. Затем разрежьте пластинку на 12 равнобедренных треугольников с углом 30° при вершине и основанием, параллельным направлению поляризации (рис. 6.46б). Затем на чистом стекле уложите треугольники по кругу так, чтобы острые углы сходились в середине, а сторона поляризационного пластика с прижатыми кусочками ленты была повернута к вам. Теперь как можно меньшими кусочками клейкой ленты прикрепите основания треугольников и место, где сходятся вершины треугольников, к стеклу. Посмотрев на небо через этот прибор (треугольники должны находиться на противоположной от вас стороне стекла), вы увидите окрашенные в синий или желтый треугольники. Это результат поляризации света неба.

Хотя объяснить появление окрашенных участков нелегко, принцип работы такого прибора прост. Когда на устройство падает поляризованный свет неба, сначала он проходит через пленку определенной толщины. При этом вектор электрического поля световой волны поворачивается вокруг направления ее распространения. Электрические поля, соответствующие разным цветам, поворачиваются на разные углы. При выходе из пленки свет определенных цветов поляризован должным образом и проходит через поляризационный фильтр, и поэтому такие цвета видны. Другие цвета с «неправильной» поляризацией поглощаются фильтром и поэтому не видны. Если вам не хочется делать этот прибор, попробуйте сложить пленку и поляризационный пластик, посмотреть на небо и повращать этот «бутерброд».

Свет, рассеивающийся при прохождении через облака, обычно не поляризован. Это связано с тем, что в результате многократного рассеяния в облаках полностью «стирается память» о поляризации, которую свет мог бы иметь. Когда наблюдаешь за облаками на небе через поляризационный фильтр (или фотографируешь их), вращая фильтр, можно добиться того, что небо станет не таким ярким. Поскольку яркость облаков при вращении фильтра не меняется, контрастность увеличивается.

Однако, когда солнце низко, а угловое расстояние от точки строго напротив солнца до расположенных выше облаков составляет от 30° до 40°, прошедший через них свет может быть поляризован горизонтально. Какая-то часть солнечных лучей, освещающих облака, проходит внутрь составляющих их капель воды, отражается от противоположной поверхности капли, а затем выходит из капли. Такой свет образует туманную (или белую) радугу. Она очень напоминает обычную радугу за исключением того, что капельки воды слишком малы и разделения на цвета не происходит. Но зато этот процесс приводит к поляризации света в радуге.

Когда солнце совсем низко или только зашло за горизонт, облака на горизонте напротив солнца освещены главным образом не прямыми солнечными лучами, а рассеянным светом неба вблизи горизонта. Этот рассеянный свет поляризован почти вертикально, как и свет, идущий к наблюдателю от таких облаков. Если посмотреть на такие облака через поляризационные солнечные очки или из самолета, вертикально поляризованный свет проходит через стекла, и мы видим относительно яркие облака. Остальные облака, от которых исходит неполяризованный свет, выглядят темнее. Поэтому мы видим уходящую к горизонту напротив солнца тропинку из ярких облаков.

Согласно легенде, когда солнца не было видно, викинги определяли его положение с помощью волшебного камня. Сейчас считается, что это был кордиерит. Когда свет проходит через такой камень, его цвет меняется в зависимости от направления поляризации света. Викинг, смотревший через камень на свободное от туч небо, вращал камень вокруг направления своего взгляда. При вращении цвет камня менялся от светло-желтого до темно-голубого. Обладая определенным опытом и совершив осмотр разных участков неба, викинги могли определить положение солнца, даже когда оно опускалось за горизонт, что часто бывает в высоких широтах, где они плавали.