A fénypolarizációban rejlõ többletinformáció

Írásunk fõcímében a „rejtett” jelzõ arrautal, hogy – számos állattal ellentétben –az ember számára szabad szemmel nemhasznosítható a fény sarkítottsága, másnéven polarizációja. Vajon a fény erõssé-gén (intenzitásán) és színén (hullámhosz-szán) túl a polarizáció milyen informáci-ót szolgáltathat az optikai környezetrõl?Minõségileg annyival többet, mintamennyivel több információ rejlik a szí-nekben a fényerõsség hordozta informá-cióhoz képest. Míg például egy zöld le-velû és piros virágú növény szürke tónu-sú (fekete-fehér) fényképén a fényinten-

zitás alapján általában nem különíthetõkel a virágok a levelektõl – ehhez az alakfölismerése is szükséges –, addig a színesfényképen a színük alapján rögtön fölis-merjük a zöld levelek közt megbújó pirosvirágszirmokat. De a zöld árnyalatainaksegítségével többnyire azt is megállapít-hatjuk, mely levelek a fiatalabbak (a vilá-gos- vagy sárgászöldek), melyek az öre-gebbek (a sötétebb zöldek), melyeket vi-lágít meg napfény, melyeket kék égbolt-fény, melyek állnak úgy, hogy a napfényta szemünkbe verik vissza, s melyek úgy,hogy az általuk áteresztett napfény jut elhozzánk.

A színek tehát a fényerõsségen túl fon-tos információk hordozói, ezért is fejlõ-

dött ki az evolúció során rengeteg állatfaj-ban a színlátás képessége. Például az õser-dõben élõ gyümölcsevõ majmok a fákonfüggõ gyümölcsök színe alapján becsülikmeg a táplálékuk érettségét, s döntik el,hogy megéri-e kimászni értük a fák ágai-ra. A még éretlen gyümölcsök többnyirezöld színûek; az ilyeneket még nem érde-mes leszakítani, mert még élvezhetetlenaz ízük. A növények haszna, hogy ígymegmenekülnek éretlen gyümölcseik, me-lyek képtelenek lennének továbbterjeszte-ni a még éretlen magokat. Mikor a magokmár megértek, a gyümölcs színváltozássaljelez a majmoknak, amelyek megszerzikaz érett gyümölcsöket.

A fény polarizációja további fontos in-formációk forrása lehet. Például a növé-nyekrõl visszaverõdõ fény lineáris polarizá-ciófokából (lásd késõbb) következtetni le-het a levél- és sziromfelületek simaságára.

Poláros fény

A fény elektromágneses hullám, melybenaz E elektromos és M mágneses tér-erõsségvektorok egymásra és a terjedésiirányra is merõlegesen szinuszosan rezeg-nek azonos fázisban. A fény színe a λ hul-lámhosszal kapcsolatos (λ csökkenése azérzékelt színnek a vöröstõl a kék felé valóeltolódását eredményezi), míg az intenzi-tása az elektromos térerõsség maximumá-nak (amplitudójának) négyzetével ará-nyos. Ha egy adott hullámhosszúságúfényben az elektromágneses rezgés egyet-len irányban játszódik le, akkor teljesen li-neárisan poláros fényrõl beszélünk, a rez-géssík irányát pedig polarizációiránynaknevezzük. Ekkor a lineáris polarizációfok,p = 100%. Ilyen teljesen lineárisan poláros

395Természettudományi Közlöny 138. évf. 9. füzet

HORVÁTH GÁBOR–BARTA ANDRÁS–SUHAI BENCE–VARJÚ DEZSÕ

A poláros fény rejtett dimenzióiElsõ rész

Sarkított fény a természetben, polarizációs mintázatok

AZ ATOMOKTÓL A CSILLAGOKIG

Mivel az emberi szem fotoreceptorai érzéketlenek a fény polarizációjára, többnyire nem is tudjuk, mennyi különféle fénypolarizációsmintázat vesz bennünket körül. A biológiai evolúció legutoljára kifejlõdött állatcsoportja, a polarizációvak emlõsök legfejlettebb agy-gyal rendelkezõ fajaként mi, emberek – összetett gondolkozásunknak köszönhetõen – pótoltuk szemünk egyik hiányosságát, a polarizá-cióérzéketlenséget. Miután a kulturális és technikai evolúció eredményeként fölfedeztük a fény polarizációját, hamarosan megalkottuka polarimétereket, és ezekkel a mûszerekkel föltérképeztük a természet polarizációs mintázatait. Cikkünk elsõ részében röviden megis-mertetjük az olvasót a fény polarizációjával, a méréséhez használatos polariméterekkel, majd a természet legjellemzõbb polarizációsmintázataival. A második részben az állatok polarizációlátását tárgyaljuk.

1. ábra. Hõlégballonról a spektrum kék (450 nm) tartományában mért földfény (A) és égbolt-

fény (B) p lineáris polarizációfokának változása a szoláris és antiszoláris meridián mentén

mérve a nadírtól, illetve a zenittõl számított θ szögtávolság függvényében, napkeltekor. Az

Arago-, Babinet- és Brewster-pontokból, valamint a negyedik neutrális pontból polarizálatlan

(p = 0) fény jön

fény tükrözõdik például a vízfelületrõl azúgynevezett Brewster-szögben, mikor avisszavert és a vízben tovahaladó megtörtfénysugár egymásra merõleges.

Ha például azonos amplitúdójú és hul-lámhosszúságú, de sok eltérõ rezgéssíkúteljesen lineárisan poláros fényt keverünkössze, akkor polarizálatlan fényhez jutunk(p = 0%). Ilyen a Nap fénye, melyben arezgéssík minden lehetséges iránya elõfor-dul. Ugyancsak polarizálatlan fény jön azégbolt Arago-, Babinet- és Brewster-féleneutrális pontjaiból (1. ábra), valamint avastag felhõkbõl. A világos és érdes (matt)felület, például a porhó vagy a fehér ho-mok is gyakorlatilag polarizálatlan(p ≈ 0%) fényt ver vissza.

A polarizálatlan és a teljesen lineárisanpoláros fény keveréke részlegesen lineári-san poláros fényt eredményez (0% < p <100%), melyben minden irányú rezgéssíkelõfordul, de a teljesen poláros fény rez-géssíkja kitüntetett, mert ebben az irány-ban maximális az intenzitás. E kitüntetettirányt nevezzük polarizációiránynak, a plineáris polarizációfok pedig azt adja meg,hogy az összintenzitás hányad részét ké-pezi a teljesen poláros fényé. A földi ter-mészetben leggyakrabban részlegesen li-neárisan poláros fény fordul elõ a fény-visszaverõdésnek vagy fényszóródásnakköszönhetõen. Ilyen például a szórt ég-boltfény (2. ábra, lásd a hátsó borítót),és szinte minden (nemfémes) tárgy ilyenfényt ver vissza.

Mikor adott hullámhosszúságú fényelektromos amplitudóvektorának vége egykör mentén az óramutató járásával egyezõ-en (jobbra) vagy ellentétesen (balra) kör-be-körbe forog, jobbra, illetve balra cirku-lárisan poláros fényrõl beszélünk. A földitermészetben a poláros fény ilyen fajtájúmegjelenése meglehetõsen ritka. Ilyenfényt bocsátanak ki bizonyos szentjános-bogarak, s egyes fémfényû szkarabeuszbo-garak kitinpáncéljáról tükrözõdõ fénybenis van balra cirkulárisan poláros kompo-nens (3. ábra, lásd a hátsó borítót).

Ha azonos hullámhosszúságú teljesenlineárisan poláros és cirkulárisan polárosfényt keverünk össze, akkor elliptikusanpoláros fényhez jutunk, melyben az elekt-romos térerõsség amplitudóvektoránakvége jobbra vagy balra körbe-körbe forogegy ellipszis mentén. Ekkor a polarizációsellipszis nagytengelyének irányát hívjukpolarizációiránynak, a lineáris, illetve cir-kuláris polarizációfok pedig az intenzitásazon hányadát jellemzi, amely teljesen li-neárisan, illetve cirkulárisan poláros.

Polárszûrõk és polarimetria

Az emberi szem számára a lineárisan po-láros fényt például a fényképészeti boltok-ban kapható lineáris polárszûrõkkel lehet

észlelhetõvé tenni. Az ilyen szûrõk csakegyetlen rezgéssíkú poláros fényt enged-nek át, amit a szûrõ áteresztési irányánaknevezünk. Az erre merõleges rezgéssíkúfényt a szûrõ szinte teljesen elnyeli. Ilyenszûrõket úgy szoktak elõállítani, hogy egyspeciálisan színezett mûanyagot melegenvékony lappá hengerelnek, miközben amûanyag jelentõsen megnyúlik: ennek ha-tására hosszú láncmolekulái közel párhu-zamosan rendezõdnek. Mivel egy láncmo-lekula annál több fényt nyel el, minél ki-sebb szöget zár be a hossztengelyével apoláros fény rezgéssíkja, a mûanyag lap(fólia) gyakorlatilag csak egyetlen rezgés-síkú fényt enged át, azaz lineáris po-lárszûrõként mûködik. A vékony, hajlé-kony fóliát keretbe foglalt, kis vastagságúüveglapok közé szokás szorítani.

Ha egy forgó lineáris polárszûrõn át né-zünk egy lineárisan poláros fényforrást,akkor szinuszosan változó fényintenzitástészlelünk. Ezzel az egyszerû módszerrelmagunk is föltérképezhetjük környeze-tünkben a lineárisan poláros fény forrása-it: a szemünk elõtt kell csak ide-oda for-gatnunk egy lineáris polárszûrõt és keres-ni látóterünk azon részeit, ahol szinuszosfényintenzitás-változást tapasztalunk. Aszemüvegboltokban kapható olyan sötét-szürke szemüvegfeltét, amely függõlegesáteresztési irányú lineáris polárszûrõbõláll. Ha ezt fölcsíptetjük a szemüvegünkre,akkor részben kiszûri az optikai környeze-tünkbõl jövõ vízszintesen poláros fényt.Az ilyen polárszûrõs szemüvegfeltét jószolgálatot tesz napszemüvegként, mertjelentõsen csökkenti a fényintenzitást, éspéldául autóvezetéskor megszûri az asz-faltutakról a vezetõ szemébe verõdõ, za-varó poláros fény vízszintes rezgéssíkúösszetevõjét.

Ha egy lineáris polárszûrõre egy d = λ/4nvastagságú, úgynevezett egytengelyû kris-tálylapkát úgy ragasztunk föl, hogy apolárszûrõ áteresztési iránya ±45o-os szö-get zár be a kristálytengellyel, ahol n akristály törésmutatója, λ pedig egy adottfényhullámhossz a vákuumban, akkor a +vagy – elõjeltõl függõen jobbra vagy bal-ra cirkuláris polárszûrõhöz jutunk. A jobb-ra, illetve balra cirkuláris polárszûrõ ki-szûri a balra, illetve jobbra cirkulárisanpoláros fényt és átereszti a jobbra, illetvebalra cirkulárisan polárosat. Ha példáulegy zöld és vörös fémfényû szkarabeusz-bogarat nézünk jobbra cirkuláris polár-szûrõn át, akkor teljesen feketének látjuk,mivel a szûrõ nem engedi át a bogár kül-takarójáról visszaverõdõ, balra cirkulári-san poláros zöld és vörös fényt (3. ábra).Egy balos és jobbos cirkuláris polárszûrõnát váltakozva nézve tehát megállapíthat-juk, hogy van-e az optikai környezetünk-ben cirkulárisan poláros fényforrás, és haigen, akkor annak milyen értelmû a for-gásiránya (cirkularitása).

E polárszûrõkkel persze csak kvalitatívmódon térképezhetõ föl a poláros fénykörnyezetbeli eloszlása. A polarizációpontos vizsgálatához, vagyis az I(λ) inten-zitás, az α(λ) polarizációirány, valamint apL(λ) lineáris és pC(λ) cirkuláris polarizá-ciófok adott λ hullámhosszon való méré-séhez megfelelõ eszközre, úgynevezettpolariméterre van szükség. Az ilyen mérõ-eszközök egy adott hullámhossz mellettáltalános esetben minimum négy függet-len mérést végeznek a poláros fényen anégy I(λ), α(λ), pL(λ) és pC(λ) paramétermeghatározása céljából. Mérhetõ példáula fény intenzitása három eltérõ áteresztésiirányú lineáris polárszûrõn és egy cirkulá-ris polárszûrõn keresztül, s a négy mért in-tenzitásértékbõl kiszámíthatók az I, α, pLés pC értékei. A pontforrású polariméterekcsak egy adott szûk térszögbõl jövõ fénytvizsgálnak egy adott pillanatban, míg aképalkotó polariméterekkel a tér rengetegirányában mérhetjük egyszerre a fénypo-larizációt a polariméter látóterének nagy-ságától függõen.

A pontforrású polarimetria már régi,évszázados módszere a fizikai optikának,az elsõ képalkotó polariméterek azonbancsak az 1980-as években jelentek meg.Mivel a képalkotó polarimetriával egyet-len méréssel igen sok polarizációs adatnyerhetõ, e módszer alkalmazása forradal-masította a természetben elõforduló pola-rizációs mintázatok (2. ábra) föltérképe-zését és vizsgálatát: segítségével olyan op-tikai jelenségek polarizációját is lehetetttanulmányozni, melyeket pontforrású po-larimetriával lehetetlenség volt. Ilyenekpéldául az idõben viszonylag gyorsan vál-tozó vagy csak rövid ideig, megjósolhatat-lan helyen és idõben föllépõ légköroptikaijelenségek, például az égbolt polarizáció-jának mérése napkelte vagy napnyugtakörnyékén, mikor gyorsan változnak afényviszonyok, vagy mikor felhõk mo-zognak az égen, vagy ha napfogyatkozás-kor a holdárnyék nagy sebességgel söpörvégig a Föld felszínén, s emiatt gyorsanváltoznak a megvilágítási viszonyok, deemlíthetjük a szivárványt, a ködívet (4.ábra), a glóriát és a különféle halókat is.Cikkünkben olyan polarizációs mintáza-tokkal foglalkozunk, melyeket hordozhatóképalkotó polariméterekkel mértünk a te-repen, az érintetlen, illetve az ember általmegbolygatott földi természetben. A pola-rimetriát gyakran ellipszometriának is ne-vezik, utalva az elliptikusan poláros fénypolarizációs ellipszisére.

A természet polarizációs mintázatai

Mivel a földi természetben a cirkulárisanpoláros fény csak ritkán fordul elõ, az op-tikai környezetünkbõl jövõ fény cirkuláris

Természet Világa 2007. szeptember396

AZ ATOMOKTÓL A CSILLAGOKIG

polarizációfoka általában elenyészõ. Így atovábbiakban csak a leggyakrabban föllé-põ lineáris polarizációs mintázatokkalfoglalkozunk.

Az égbolt polarizációjaAz égboltfény polarizációját DominiqueFrancois Jean Arago (1786–1853) franciafizikus fedezte föl 1809-ben, s hamarosanegy egyszerû kézi polariszkóppal kvali-tatíve föl is térképezte a polarizációfok el-oszlását az égbolton. A jelenség fizikaiokait 1871-ben John William Strutt(1842–1919), más néven Lord Rayleighangol fizikus a napfénynek a levegõ mole-kuláin és sûrûségingadozásain való szóró-dásában lelte meg. 1810-ben Arago fölfe-dezte az ég késõbb róla elnevezett egyikkitüntetett pontját, ahonnan polarizálatlanfény jön (1/B ábra). Ez az Arago-féle ne-utrális pont, ami a Nappal szemközti pont,az anti-Nap fölött van 20–35o-ra, a napál-lástól függõen. 1840-ben Jacques Babinet(1794–872) francia meteorológus és fizi-kus fedezte föl az ég második olyan pont-ját, ahonnan polarizálatlan fény származik(1/B ábra). A Babinet-féle neutrális pont aNap fölött helyezkedik el 20–35o-ra, anapmagasságtól függõen. 1842-ben DavidBrewster (1781–1868) skót fizikus fedez-te föl az égbolt harmadik neutrális pontját,mely a Nap alatt van 20–35o-ra, annak ál-lásától függõen (1/A ábra). Elméleti meg-fontolásokból, majd a légkörben szóródófény polarizációjának számítógépes szi-mulációjából késõbb világossá vált, hogyléteznie kell egy negyedik neutrális pont-nak is az anti-Nap alatt 20–35o-ra. Ezazonban nem látható a Föld felszínérõl,csak megfelelõ magasságból. E negyedikneutrális pont létét hõlégballonról végzettképalkotó polarimetriai vizsgálatokkal ku-tatócsoportunk (Horváth Gábor, BernáthBalázs, Barta András, Suhai Bence és Ba-kos Attila) mutatta ki elsõként 2001. júni-us 28-án (1/A ábra).

A neutrális pontok tanulmányozásának– a légkörfizikai alapkutatásokon túl – az1950-es évekig az volt a gyakorlati jelen-tõse, hogy a neutrális pontoknak a Naptólés anti-Naptól mért szögtávolságát a lég-köri aeroszolkoncentráció becslésére

használták. Kiderült ugyanis, hogy minélszennyezettebb a légkör, azaz minél na-gyobb az aeroszol sûrûsége, annál na-gyobb szögtávolságra van az Arago-,Babinet- és Brewster-féle neutrális pont azanti-Naptól, illetve a Naptól. Ezért szor-galmas meteorológusok megmérték, hogya Nap horizont fölötti magassága függvé-nyében miként változik a neutrális pontokhelye a tiszta égbolton, normál légköri vi-szonyok között, amikor alacsony az aeros-zolkoncentráció. Ennek ismeretében a ne-utrális pontok helyének a normálistól valóeltérésébõl következtetni lehetett a légköriaeroszol mennyiségére. Az 1950-es évek-tõl az aeroszolszint meghatározását a ne-utrális pontok helyének mérésén alapulómódszernél pontosabb légkördiagnosz-tikai módszerek váltották föl.

A tiszta (felhõtlen) égbolt polarizációjaadott hullámhosszon mérve két mintázat-tal jellemezhetõ. A p lineáris polarizáció-fok a Napnál, anti-Napnál és a neutrálispontoknál nulla, az ég többi részén ennélnagyobb. p a Naptól távolodva fokozato-san nõ, majd a Naptól 90o-ra eléri maxi-mumát, ahonnan az anti-Nap felé haladvafokozatosan csökken (2. ábra). Az égbolt-fény polarizációfoka erõsen függ a levegõaeroszolkoncentrációjától: minél párá-sabb, ködösebb, füstösebb, porosabb vagyfelhõsebb az ég egy adott része, annál ki-sebb polarizációfokú az onnan származóégboltfény, mivel a többszörös fényszórásdepolarizáló hatású (2. ábra).

Az ég polarizációjának az állatok navi-gációja szempontjából fontos jellemzõje,hogy az égboltfény polarizációirány-min-tázata szinte minden meteorológiai körül-mény között hasonló, és jellegzetes tükör-szimmetriát mutat, melynek szimmetria-tengelye a szoláris és antiszoláris meridián(2. ábra). Ez teremt arra lehetõséget, hogya polarizációérzékeny állatok még akkoris meghatározhassák a Nap irányát (aminappal térbeli tájékozódásuk legfontosabbviszonyítási iránya, „szoláris iránytûje”),mikor azt felhõ vagy köd takarja. Polari-metriai vizsgálataink szerint a tiszta, arészben felhõs, a teljesen borult, a füstösés a ködös égbolt mind stabil, a Nappalegyütt forgó polarizációs iránymintázattal

rendelkezik, melybõl meghatározható aNap azimutszöge, ha az égboltfény polari-zációfoka nem kisebb, mint a polarizáció-érzékenység küszöbe. Ha e küszöb megfe-lelõen alacsony, akkor az állat akár telje-sen felhõs, borult, ködös vagy füstös égalatt is képes lehet a nem látható Nap irá-nyát az égbolt polarizációirány-mintázatá-ból megbecsülni. Könnyen beláthatómindennek az állatok túlélésében játszottfontos evolúciós elõnye.

Mikor a Napot éjjel a telihold váltja föl,gyakorlatilag semmi sem változik az ég-bolt polarizációeloszlásában. Az éjjeli teli-holdas tiszta ég képalkotó polarimetriaivizsgálatával bizonyítottuk, hogy a hold-fényes éjszakai égbolt polarizációfokánakés -irányának ugyanolyan a mintázata,mint azonos napállás mellett a nappali ég-nek (2. ábra). Ebbõl az is következik,hogy a polarizációlátású állatok az égbolt-fény polarizációját holdvilágos éjjelekenis használhatják navigációra, amennyibenszemük érzékelni képes a légkörben szó-ródott nagyon kis intenzitású polárosholdfényt. Egy naplemente után aktivizá-lódó dél-afrikai galacsinhajtó bogárról ép-pen ez derült ki nemrég (lásd cikkünk má-sodik részét).

Jean Baptiste Biot (1774–1862) franciafizikus 1811-ben fölfedezte, hogy a szi-várvány fénye is lineárisan poláros. Kide-rült, hogy a szivárvány a földi természet-ben elõforduló második legerõsebben po-láros fényû tünemény; az elsõ a vízfelület-rõl Brewster-szögben tükrözõdõ fény, amiteljesen lineárisan poláros (p = 100%) víz-szintes rezgéssíkkal. A szivárvány fõ-, il-letve mellékívének fénye p ≈ 96%, illetvep ≈ 90% polarizációfokú lenne, ha nemjönne a háttérbõl égboltfény. A szivárványfényének polarizációs iránya mindig a szi-várványívvel párhuzamos (4. ábra). A szi-várvány polarizációs mintázatát elõszörnekünk sikerült mérnünk, amit szintén anagy látószögû képalkotó polarimetria tettlehetõvé. A szivárvány nagy polarizáció-foka és érintõleges rezgéssíkja arra vezet-hetõ vissza, hogy a napfény az esõcseppekbelsõ faláról a Brewster-szöghöz közeliszögben verõdik vissza. A szivárvány po-larizációs sajátságainak leírásához szinteaz egész klasszikus fizikai optika appará-tusát föl kell vonultatni, ami jól mutatja,milyen bonyolult légköroptikai jelenség-rõl van szó, aminek vizsgálata még napja-inkban is ad kenyeret a fizikusoknak. (Aszivárvány fizikai alapjairól lapunk ideimájusi és júniusi számában írtunk.)

Jelenleg is a Föld körül kering egy fran-cia mûhold (a POLDER III.), aminek azaz egyik fõ feladata, hogy a földfelszín fe-lé fordulva nagy látószögû polarizációsmintázatokat mérjen a spektrum néhánytartományában. Ezekbõl aztán a földi ûr-központban meg lehet határozni példáulazt, hogy a képalkotó polariméter látóteré-

397Természettudományi Közlöny 138. évf. 9. füzet

AZ ATOMOKTÓL A CSILLAGOKIG

4. ábra. Egy arktiszi ködív (fehér szivárvány az anti-Nap körül) lineáris polárszûrõn át készí-

tett 180o látószögû halszemoptikás fényképei, ahol a kettõs fejû fehér nyilak a polárszûrõ át-

eresztési irányát mutatják. Mivel a ködív fehér fénye az ívvel párhuzamos rezgéssíkú és erõsen

lineárisan poláros, a képeken csak egyes ívdarabjai látszanak, a többit a polárszûrõ kiszûri

ben lévõ felhõ vízcseppekbõl vagy jég-kristályokból áll-e. Erre az ad módot,hogy ha egy felhõ vízcseppekbõl áll, ak-kor a polarizációs mintázatán jól fölismer-hetõk a nagy polarizációfokú szivárvány-ívek, ha viszont a felhõ jégkristályokattartalmaz, akkor nem alakul ki szivárvány.Miután a mûhold többször megkerüli aFöldet, amely folyamatosan elfordul alat-ta, a polariméter letapogatja a Föld felszí-nének nagy részét, így végül megkaphatóa Föld adott idõszakra vonatkozó átlagosfelhõborítottsága és becsülhetõ a felhõkvíz-, illetve jégtartalma. Mindez fontosszerepet játszik a földi meteorológia és ég-hajlat változásának kísérleti, távérzékelésitanulmányozásában.

A felhõk polarizációját azonban nem-csak fölülrõl, mesterséges holdakról érde-mes mérni, hanem alulról, a Föld felszíné-rõl is. A meteorológiai állomásokon általá-ban mérik az égbolt felhõfedettségét is,amit egyszerû vizuális becsléssel szokásregisztrálni. Ez egyrészt nagyon szubjek-tív, másrészt többéves tapasztalatot igé-nyel. Ezért merült föl annak igénye, hogyaz ég felhõfedettségét pontos mérésekrealapozva határozzák meg. Korábban csakaz égboltról a spektrum különbözõ tarto-mányaiban készített fényintenzitás-mintá-zatok számítógépes kiértékelésével pró-bálták meg fölismerni a felhõket. Kutató-csoportunk kifejlesztett egy hatékony eljá-rást a felhõk polarimetrikus detekciójára.Ennek során 180o látószögû képalkotó po-

larimetriával mérjük a teljes égbolt fény-intenzitásának, lineáris polarizációfoká-nak és -irányának mintázatát a spektrumvörös, zöld és kék tartományában (2. áb-ra), s egy számítógépes algoritmussal is-merjük föl e mintázatokon a felhõket. Kí-sérletileg igazoltuk, hogy az égboltfény li-neáris polarizációjának ismeretében na-gyobb pontossággal, megbízhatóbban le-het fölismerni az égen a felhõket, mintpusztán a fényintenzitás ismeretében.Módszerünk továbbfejlesztésén és auto-matizált mûszaki megvalósításán jelenlegegy mikrovállalkozás dolgozik.

Az égboltfény polarizációja jelentõsenmegváltozik, amikor a Nap korongját aHoldé takarja el napfogyatkozáskor. Az1999. augusztus 11-i magyarországi teljesnapfogyatkozáskor mértük az égbolt pola-rizációs mintázatát. Ezzel néhány korábbielméleti jóslatot sikerült igazolnunk, vala-mint több olyan polarizációs jellemzõt isfölfedeztünk, aminek elméleti magyaráza-ta még hátravan. Az égboltpolarizációnapfogyatkozáskori változása azon állatok(például a háziméhek) viselkedését is mó-dosíthatja, melyek a poláros égboltfénysegítségével tájékozódnak, amikor a Na-pot nem láthatják.

A talajfelszín polarizációjaNemcsak fölfelé, az égboltra érdemesnéznünk egy polariméterrel, hanem lefe-lé, a talajra is. Az úgynevezett Umow-szabály szerint a spektrum adott tartomá-

nyában minél sötétebb egy tárgy, annálnagyobb polarizációfokú fényt ver vissza.Mivel a nedvesebb talaj sötétebb, mint aszárazabb, a nagyobb víztartalmú talajpolárosabb fényt ver vissza a szárazabb-nál. Ha mérjük egy adott talajról vissza-vert fény p lineáris polarizációfokát avíztartalom függvényében, akkor aztkapjuk, hogy p monoton nõ a nedvesség-gel. E jelenséget arra használják, hogyrepülõgéprõl vagy mûholdról távérzéke-léssel mérjék a talajfelszín polarizációsjellemzõit, amibõl a talajnedvesség mér-tékére következtethetnek. Ez azért fon-tos, mert a talaj nedvességtartalmának is-meretében lehet csak eldönteni, mikorkell öntözni a mezõgazdasági mûvelésalatt álló területeken.

Az Umow-szabály érvényesül a per-nyemezõk esetében is, melyek akkor ke-letkeznek, amikor õsszel vagy tavasszalfölégetik például a nádasokat, a mezõk el-száradt füvét vagy az aratás után vissza-maradt tarlót. Az ilyen égetések után a föl-det borító fekete hamuréteg erõsen polárosfényt ver vissza a sötét és/vagy nedves ta-lajokhoz hasonlóan.

A vízfelszín polarizációjaPolarimetriával meghatározhatjuk a vízfe-lületek polarizációs mintázatát is (5. áb-ra). Széles körben elterjedt téves véleke-dés, hogy a természetben a sima vízfel-színrõl mindig vízszintesen poláros fényverõdik vissza. Ez azonban csak akkorigaz, ha teljesen borult az ég, vagyis ami-kor a vizet megvilágító égboltfény polari-zálatlan. Ha az égboltfény, mint általában,részlegesen lineárisan poláros, akkor nembiztos, hogy a vízfelszínrõl visszaverõdvevízszintes lesz a rezgéssíkja.

Egy víztest polarizációs jellemzõitugyanis befolyásolja a víz alól visszaszó-ródó fény is, amely részlegesen lineárisanpoláros függõleges domináns rezgéssík-kal. Minél több fény jön a vízbõl, annál ki-sebb a vízrõl származó fény eredõ polari-zációfoka, s annál kisebb a vízszintesenpoláros vízfelszíni régió. A sötét vizek(melyekbõl csak kevés fény jön a víztest-bõl) felületének nagy a vízszintesen és ki-csi a függõlegesen polarizáló hányada, avilágos vizeknél (melyekbõl sok fény jöna víztestbõl) fordított a helyzet. Ráadásulmindez függ a Nap állásától, ami megha-tározza az égbolt polarizációs mintázatátis. A vizekre általában jellemzõ, hogyamint a Nap horizont fölötti magasságanõ, egyre csökken a vízfelület vízszinte-sen poláros részaránya. Mint cikkünk má-sodik részében látni fogjuk, mindennek avízirovarok polarotaktikus vízkeresésistratégiájában van nagy jelentõsége.

A vizek felületérõl tükrözõdõ fény po-larizációját repülõgéprõl történõ távérzé-keléssel azért is szokták mérni, hogy a víz-felszín tükrözõdési-polarizációs mintáza-

Természet Világa 2007. szeptember398

AZ ATOMOKTÓL A CSILLAGOKIG

5. ábra. A spektrum kék (450 nm) tartományában egy sima vízfelületrõl tükrözõdõ égboltfény

p lineáris polarizációfokának (A), függõlegestõl számított polarizációszögének (B) és a vízfel-

szín R reflektivitásának (C) 180o látószögû képalkotó polarimetriával mért mintázata, vala-

mint a vízfelület azon részei, melyeket egy polarotaktikus vízirovar a polarizáció alapján (p > 5%

és 85o < α < 95o) víznek tekint (D), mikor a fehér, illetve fekete ponttal jelzett Nap éppen a ho-

rizonton van. A C mintázat közepén lévõ két tojásdad fekete területen R≤ 2%, onnan kifelé ha-

ladva R– minden egyes fekete-fehér határon átlépve – ∆R = 1% lépésközzel fokozatosan nõ. A

legkülsõ fehér gyûrûben R > 10%. Az A mintázaton jól látszik a gyûrû alakú, erõsen és vízszin-

tesen poláros Brewster-zóna

tán fölismerhessék és behatá-rolhassák például a vízfelületenelterülõ olajszennyezõdést egy-egy olajszállító hajó elsüllyedé-sét követõen. Egy vízen úszóolajfolt sokszor nem vagy csakalig látható a vízrõl készült szí-nes fényképeken a víz és azolajfolt közti csekély spektráliskülönbség miatt, ellenbengyakran jól fölismerhetõ a víz-felület polarizációfok-mintáza-tán, mert az olajfolt polarizá-ciófoka jelentõsen eltérhet avízfelületétõl.

A növényzet polarizációjaMég mindig a szárazföldönmaradva, polariméterrel vizs-gálhatjuk a növények fénypo-larizáló-képességét is (6. ábra, lásd ahátsó borítót). Ha a Föld felszínét borítónövényzetrõl visszaverõdõ fénynek nem-csak az intenzitását, hanem a polarizáció-fokát is mérjük a spektrum különbözõtartományaiban egy repülõgéprõl, akkorolyan hasznos optikai információkhozjuthatunk, amelyekbõl például a haszon-növények (pl. búza, kukorica) egészségiállapota vagy a termés érettségi foka na-gyobb pontossággal állapítható meg,mintha csak a spektrális jellemzõket is-mernénk. A növényi levelek által vissza-vert fény polarizációja ugyanis bonyolultmódon függ a levelek felületi struktúrái-tól, korától, irányulásától, színétõl és amegvilágítási viszonyoktól, azaz attól,hogy árnyékban vannak-e a levelek vagyközvetlen napfény éri õket, milyen maga-san van a Nap a horizont fölött és milyenaz égbolt felhõzöttsége (6. ábra).

A földfelszínt fedõ növényzet polarizá-cióirány-mintázata is fontos információkhordozója lehet. Mivel a levelekrõl vissza-verõdõ fény rezgéssíkja függ a levélleme-zek irányulásától is, ha az utóbbi térbelieloszlása például a szárazság miatt lecsök-kent növényi turgornyomás miatt megvál-tozik, akkor a növényzet polarizációirány-mintázata is módosul. Ebbõl a mintázatbóltehát a magasból következtetni lehet arra,hogy mely növények mennyire szenved-nek a vízhiánytól, s el lehet rendelni az ön-tözést a megfelelõ helyen és idõben. Táv-érzékeléssel egyszerre hatalmas területeknövényzetérõl kaphatunk információkat,amelyek helyszíni mintavételezéssel nemvagy csak nagyon idõigényesen és költsé-gesen lennének beszerezhetõk.

Amikor hõlégballonról 180o látószögûképalkotó polarimetriával fölülrõl mértüka közvetlen napfény által megvilágítottföldi növényzet polarizációját, azt tapasz-taltuk, hogy a növénytakaró polarizáció-irány-mintázata gyakorlatilag ugyanolyan,mint a tiszta égbolté. Finnországi erdõkképalkotó polarimetriai vizsgálatával azt

is megmutattuk, hogy az erdõkben a nap-fény által megvilágított lombokon ugyan-olyan polarizációirány-mintázat keletke-zik, mint ami az égboltra jellemzõ (2. áb-ra). Ez azért fontos, mert az erdõkben aNap többnyire nem látható a lombok mi-att, ugyanakkor a polarizációlátású erdeiállatok a föléjük boruló lombsátor polari-zációirány-mintázatából meg tudják álla-pítani a szoláris-antiszoláris meridián irá-nyát, mint ahogy erdõn kívüli társaik azégboltéból. Az ég polarizációs mintázatátfelhasználó orientáció, vagyis az „égi po-larizációs iránytû” tehát nemcsak nyílt te-repen, hanem az erdõben, a lombok alatt ismûködik.

A víz alatti világ polarizációjaVégül, ha a szárazföldrõl a vízbe merü-lünk egy vízálló polariméterrel, megért-hetjük, mit látnak a polarizációérzékenyvízi állatok. Ha a vízbõl a levegõre né-zünk, akkor az égbolt polarizációs mintá-zatát láthatjuk a Snellius-ablakon át (7.ábra). E mintázat azonban kissé módosul,mivel az égboltfény polarizációja többé-kevésbé változik a vízfelszíni fénytörésmiatt. Mindezt izraeli tengerbiológusok-kal együttmûködve kísérletileg igazoltakutatócsoportunk. E változás azonbannem olyan nagy, hogy egyes polarizá-cióérzékeny vízi állatok ne tudnának avízben a szárazföldi állatokhoz hasonlóantájékozódni a vízbõl látható égbolt polari-zációs mintázata alapján.

Amikor nem a vízfelület, hanem a fe-nék felé vagy a vízszinteshez közeli irány-ban nézünk, akkor a víz alatt egészen máspolarizációs mintázatot tapasztalunk, amiazonban lényegében a légkörben keletke-zõ polarizációs mintázathoz hasonlít. Avízben megfelelõ mélységben lebegve egypolarizációérzékeny állat egy erõsen polá-ros gyûrût lát maga körül, melynek forgás-tengelye átmegy az állaton és párhuzamosa vízfelszínen megtört, vízben haladó nap-fény irányával (7. ábra). Ezen maximáli-

san poláros gyûrû irányától tá-volodva fokozatosan csökken apolarizációfok, mígnem a nul-lára csökken a megtört napfényirányában, azzal ellentétesen,valamint a szoláris és antis-zoláris meridián mentén elhe-lyezkedõ neutrális pontokban.Egy polarizációérzékeny hal avízben lényegében teljesen ha-sonló polarizációs mintázatotlát maga körül, mint egy leve-gõben magasan repülõ polar-izációérzékeny madár. Azegyik lényeges eltérés, hogy avíz alatti polarizációs mintázatszimmetriatengelye nem a Na-pot a megfigyelõvel összekötõegyenes, hanem az az egyenes,amely a megfigyelõn megy át

és párhuzamos a vízfelszínen megtört,vízben haladó napfénnyel. A másik fõ el-térés, hogy míg a levegõben legalább né-hány száz méter vastag légrétegen való át-haladás után szóródik csak a napfény kel-lõ intenzitással a polarizációs mintázat ki-alakulásához, addig a vízben – annak tisz-taságától függõen – mindez néhány méte-ren vagy deciméteren belül megvalósul avíz levegõénél jóval nagyobb sûrûségénekköszönhetõen.

A vízben a tárgyak láthatósága sokkalrosszabb, mint levegõben, azaz a sûrû víz-ben sokkal kisebb távolságból lehet fölis-merni egy tárgyat, mint a jóval hígabb le-vegõben. A látótávolságot tovább csök-kentik a vízben lebegõ részecskék (hidro-szol). Mivel azonban a vízben haladó fénymár rövid távolság megtétele után is erõ-sen polárossá válik a vízbeli intenzív szó-rás miatt, a polarimetria lehetõséget ad avízbeli látótávolság növelésére. Nem kellmást tenni, mint mérni a vízi optikai kör-nyezet polarizációs mintázatát, s annak is-meretében egy megfelelõ számítógépes al-goritmussal kiszûrni a vízben szórt polá-ros fényt. Ezáltal a vízbeli erõs fényszórásmiatt láthatatlan vízbeli tárgyak láthatóváválnak, mert a róluk eredõ, közelítõleg po-larizálatlan fényt nem nyomja el a vízbenszórt poláros fény. A tenger alatti emberimunkálatok során manapság már ezzel avíz alatti polárszûrési módszerrel növelhe-tõ meg a vízbeli látótávolság, aminek kü-lönösen a zavaros vizekben nagy a gya-korlati jelentõsége. Egyes polarizációlátá-sú lábasfejûek e módszerhez hasonlóanképesek fölismerni zsákmányukat a zava-ros vízben.

AJÁNLOTT IRODALOMHorváth, G. & Varjú, D. (2003) Polarized Light in

Animal Vision Polarization Patterns in Nature.Springer-Verlag, Heidelberg–Berlin–New York

Az ELTE Biológiai Fizika Tanszék Biooptika Labora-tóriumának honlapjáról számos magyar és angolnyelvû cikk tölthetõ le a természet polarizációsmintázatai és az állatok polarizációlátása témakö-rökben: http://arago.elte.hu

399Természettudományi Közlöny 138. évf. 9. füzet

AZ ATOMOKTÓL A CSILLAGOKIG

7. ábra. A sima vízfelszín Snellius-ablakán át a vízbe hatoló napfény víz-

beli szóródása miatt kialakuló erõsen lineárisan poláros gyûrû (sötét-

szürke sáv) a vízbe merült megfigyelõ körül, amikor a Nap a zeniten (A),

illetve a horizonton (B) van. A maximálisan poláros gyûrûbõl származó

fény rezgéssíkjának irányát szaggatott vonal mutatja

Természet Világa 138: 395-399 + borító 3. o. Horváth G., Barta A., Suhai B., Varjú D. 1

2. ábra: Tiszta, részben felhős, teljesen borult, ködös, erdőtűztől füstös és lomboktól zömében

takart égbolt 180o látószögű halszemoptikás fényképe, valamint a spektrum kék (450 nm)

tartományában képalkotó polarimetriával mért p lineáris polarizációfokának és a helyi

meridiántól számított α polarizációszögének mintázata. A napkorong egyik égbolton sem

látszik, mert vagy a horizont alatt van (tiszta ég), vagy pedig felhők vagy köd vagy füst vagy

lombok takarják.

Természet Világa 138: 395-399 + borító 3. o. Horváth G., Barta A., Suhai B., Varjú D. 2

3. ábra: A Potosia aeruginosa jousselini fémfényű szkarabeusz bogár balra (az óramutató

járásával ellentétesen), illetve jobbra (az óramutató járásával egyezően) cirkuláris polárszűrőn

át készült fényképe. A képpáron jól látszik, hogy a bogár kültakarójáról visszaverődő fémes

zöld és vörös fény balra cirkulárisan poláros, amit a jobbos cirkuláris polárszűrő nem enged

át, ezért a jobb képen a bogár teljesen fekete a fémfényért felelős réteg alatt húzódó feketén

pigmentált kitinpáncél miatt.

Természet Világa 138: 395-399 + borító 3. o. Horváth G., Barta A., Suhai B., Varjú D. 3

6. ábra: Egy piros virágról és zöld leveléről visszaverődő fény p lineáris polarizációfokának

és függőlegestől számított α polarizációszögének a spektrum zöld (550 nm) tartományában

képalkotó polarimetriával mért mintázata.