Поляризация света в атмосфере

Поляризация света в атмосфере является прямым следствием взаимодействия электромагнитного излучения с молекулами газа, аэрозолями и каплями воды. При прохождении солнечного света через атмосферу часть его рассеивается. Этот процесс не только изменяет направление распространения света, но и влияет на ориентацию векторов электрического поля электромагнитной волны, что приводит к возникновению поляризации.

Наибольший вклад в поляризационные эффекты вносят:

  • молекулярное (рэлеевское) рассеяние,
  • рассеяние на аэрозолях и каплях (ми-рассеяние),
  • многократные отражения и преломления в облаках и у поверхности Земли.

Каждый из этих механизмов накладывает характерные особенности на степень и направление поляризации.

Рэлеевское рассеяние и его поляризационные свойства

При взаимодействии света с молекулами атмосферы, размеры которых значительно меньше длины волны, реализуется режим рэлеевского рассеяния. Электрическое поле падающей волны вызывает колебания дипольного момента молекулы, которая начинает излучать во все стороны вторичное излучение.

Особенностью этого процесса является угловая зависимость интенсивности и поляризации рассеянного света:

  • в направлении, перпендикулярном к падающему лучу, рассеянный свет поляризован почти полностью;
  • при малых углах рассеяния (вблизи направления солнечного диска) степень поляризации минимальна;
  • наибольшая поляризация наблюдается под углом 90° к направлению на Солнце.

Таким образом, небесный свод вблизи точки, отстоящей от Солнца на 90°, имеет наибольшую степень линейной поляризации. Именно это объясняет характерные распределения поляризации дневного неба.

Влияние аэрозолей и капель воды

Крупные частицы атмосферы — пыль, дым, морская соль, капли воды — рассеивают свет по законам ми-рассеяния, когда размеры частиц сравнимы с длиной волны. В отличие от рэлеевского рассеяния, поляризационные эффекты здесь существенно слабее и зависят от формы, состава и размеров частиц.

Особенности:

  • аэрозоли уменьшают степень поляризации неба, особенно вблизи горизонта, где концентрация частиц максимальна;
  • водяные капли в облаках практически уничтожают поляризацию, так как многократные отражения и преломления приводят к деполяризации;
  • ледяные кристаллы могут, напротив, создавать специфические поляризационные картины, связанные с гало и другими атмосферными оптическими явлениями.

Таким образом, состояние атмосферы, наличие тумана или облачности существенно изменяет поляризационное распределение.

Геометрия поляризационного рисунка неба

Поляризационный рисунок представляет собой карту направления и степени поляризации по всему небосводу. Основные свойства:

  • в ясную погоду наблюдается симметрия относительно большого круга, проходящего через Солнце и антисолнечную точку;
  • степень поляризации максимальна на дуге, отстоящей на 90° от Солнца;
  • направление вектора поляризации ориентировано перпендикулярно к плоскости, содержащей Солнце, наблюдателя и точку на небе.

Этот рисунок достаточно устойчив, что позволяет использовать его в навигационных целях.

Спектральные особенности поляризации

Поляризация зависит от длины волны:

  • в коротковолновой (синей) области спектра эффекты выражены сильнее, так как интенсивность рэлеевского рассеяния обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны;
  • в красной области поляризация слабее;
  • на ультрафиолетовых и ближних инфракрасных длинах волн распределения поляризации неба отличаются от видимых и более чувствительны к присутствию аэрозолей.

Практическое значение изучения поляризации

  1. Навигация живых организмов Многие насекомые (пчёлы, муравьи) и некоторые птицы используют поляризационный рисунок неба для ориентации даже при скрытом Солнце.

  2. Дистанционное зондирование атмосферы Измерения поляризации позволяют оценивать концентрацию аэрозолей, размеры частиц, наличие облачных структур, а также характеристики загрязнений.

  3. Астрономические наблюдения Атмосферная поляризация вносит искажения в наблюдения космических объектов, поэтому требуется её учёт и компенсация в приборах.

  4. Оптические технологии и экология Поляриметрические методы применяются для мониторинга окружающей среды, оценки прозрачности атмосферы, изучения распределения пыли и загрязняющих веществ.

Особенности поляризации вблизи горизонта и при закатах

Приближение к горизонту приводит к уменьшению степени поляризации вследствие увеличения пути света через атмосферу, усиления рассеяния на аэрозолях и неоднородностей. Во время закатов и рассветов поляризационный рисунок сильно искажается:

  • солнце располагается низко, и симметрия рисунка нарушается;
  • присутствует сильная зависимость от концентрации аэрозолей, что делает поляризационные измерения информативными для изучения климатических процессов.
Оглавление