Рассмотрим, как происходят колебания электрического поля. Мы уже говорили выше, что они совершаются перпендикулярно направлению распространения световой волны. Однако в плоскости, перпендикулярной к этому направлению, они могут быть ориентированы самым различным образом (рис. 35, 1). В так называемом естественном свете, который, например, посылает Солнце, электрические колебания происходят по всем возможным направлениям, лежащим в этой плоскости.
Поместим на пути такого света плоскопараллельную пластинку, вырезанную из кристалла, свойства которого различны по разным направлениям (кристалл анизотропен). Через пластинку пройдут лишь те световые волны, у которых колебания электрического поля происходят параллельно оси кристалла.
Свет, в котором электрические колебания совершаются лишь в одном-единственном направлении, носит название линейно (или плоско) поляризованного света (рис. 35, 2). Наглядное представление о таком свете можно получить, рассматривая колебания длинного резинового шнура. Если быстро поднимать и опускать свободный конец привязанного шнура, то по шнуру побежит волна, причем каждая его точка будет колебаться строго вертикально в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Перед нами вертикально поляризованная волна. Примерно то же самое происходит и в световой волне, только там мы имеем дело не с механическими колебаниями частиц шнура, а с периодическими изменениями электрического поля. Если двигать конец шнура не вертикально (вверх — вниз), а горизонтально (влево — вправо), то по шнуру побежит горизонтально поляризованная волна. Возможны и другие, более сложные типы поляризации: круговая или эллиптическая (рис. 35, 3, 4). Для этого нужно быстро вращать конец шнура по кругу или эллипсу.
Существуют специальные оптические устройства, позволяющие получать поляризованный свет любого из указанных выше типов. Эти устройства получили название поляризаторов.
Рис. 35. Колебания электрического поля в плоскости, перпендикулярной направлению распространения световой волны:
1 — естественный свет; 2 — различные случаи линейно поляризованного света; 3 — круговая поляризация; 4 — различные случаи эллиптической поляризации
Поляризация света редко бывает полной: обычно рвет поляризован частично, т. е. представляет собой смесь естественного и поляризованного света. Полнота поляризации характеризуется степенью поляризации, которая представляет собой отношение интенсивности полностью поляризованной компоненты к общей интенсивности пучка. Степень поляризации обычно выражают в процентах: 0 % соответствует естественному свету, 100 % — полностью поляризованному.
Не следует думать, что поляризованный свет возникает только искусственным путем. Совсем наоборот, поляризация света — очень распространенное явление в природе: оно происходит и при отражении, и при преломлении, и в процессе рассеяния.
Еще в 1809 г. французский астроном Доминик Араго обнаружил, что солнечный свет, рассеянный атмосферой, поляризован. За 160 лет, прошедших со времени этого открытия, ученые-оптики добились больших успехов в исследовании поляризации света в атмосфере, и сейчас это явление уже хорошо изучено.
Первые измерения поляризации дневного света под водой были проведены лишь в 1954 г. На 20 лет раньше началось изучение поляризации света при отражении от поверхности моря. В настоящее время это явление практически используется в морском деле: поляризаторы, устанавливаемые в наблюдательных приборах, отсекают отраженный поверхностью моря свет, мешающий наблюдению за подводными объектами.
Максимальная глубина, на которой проводилось измерение подводной поляризации, — 200 м. Установлено, что рассеянный свет под водой поляризован линейно, и отмечалась довольно высокая степень поляризации — до 60 %. С глубиной степень поляризации уменьшается, причем в поверхностном слое (20–30 м) это уменьшение происходит особенно быстро. На больших глубинах степень поляризации остается практически постоянной.
Особенный интерес, проявляемый к поляризации света в море, связан с одним любопытным явлением. Оказывается, поляризация света влияет на поведение некоторых водных организмов и определяет во многих случаях закономерности их передвижения.
Способность ориентироваться по положению плоскости поляризации линейно поляризованного света была обнаружена впервые в 1948 г. у медоносной пчелы. Австрийский биолог Карл Фриш обратил внимание, что пчела-разведчица, указывая посредством «виляющего танца» направление к месту взятка, правильно ориентирует свой танец только тогда, когда видит хотя бы кусочек голубого неба. Но ведь свет небесного свода всегда поляризован. Вот Фриш и предположил, что этот поляризованный свет неба является для пчел своеобразным компасом, позволяющим им правильно ориентироваться в пространстве. Он поставил ряд опытов, которые полностью подтвердили справедливость его гипотезы. Позднее способность реагировать на поляризацию света была обнаружена и у многих других членистоногих: жуков, бабочек, муравьев, пауков. Свойством различать линейно поляризованный свет с разным направлением колебаний обладает и человеческий глаз. Однако если у человека это просто любопытная и даже мало кому известная особенность зрения, то для беспозвоночных такая способность играет в ряде случаев важную роль в их жизни. Например, рачок-бокоплав может правильно ориентироваться в воде лишь тогда, когда видит над собой Солнце или участок голубого неба. Если поместить над ним поляризатор и медленно вращать его, то соответственно начинает поворачиваться и рачок. К поляризации света чувствительны и многие другие водные животные: плавающие ветвистоусые раки, дафнии, водяные клещи, мечехвосты.
Механизм этого интересного явления в настоящее время еще полностью не выяснен.
Как измеряется естественный свет в море
Как уже упоминалось, измерениям света в море многие годы сопутствовало одно принципиально ошибочное представление: желание найти глубину, которую дневной свет уже не достигает. Совершенно естественно, что такая граница не найдена и до сего времени, так как с усовершенствованием методов измерений и повышением чувствительности приемников, реагирующих на излучение, свет и регистрировался все на больших и больших глубинах. Весь вопрос заключается в том, о каких количествах световой энергии идет речь: десятки ли это люксов (если говорить об освещенности) или отдельные фотоны, регистрируемые высокочувствительными приборами.
Первые попытки измерений света в толще моря, предпринятые во второй половине XIX в., были связаны с использованием фотохимической реакции в некоторых жидкостях и газах. При этом исходили из известного закона Бунзена о том, что продукция фотохимической реакции пропорциональна произведению интенсивности облучения на время экспозиции. На этом принципе был основан хлористоводородный актинометр Реньяра, в котором воздействие света оценивалось по убыли газовой смеси. В 30-е годы нашего века Аткинс предложил фотохимический фотометр, в котором использовалось разложение щавелевокислого урана. Достоинство этих приборов — относительная простота устройства, но они измеряли освещенность только в самых верхних слоях моря, и то при условии очень длительной экспозиции.
Примерно в то же время начинают применяться фотографические пластинки, а несколько позже — и фотопленки. При всем разнообразии конструкций фотометров с использованием фотографических пластинок принцип измерения сводился к следующему.
Помещенная в герметический корпус со стеклянным иллюминатором пластинка погружалась в море на ту или иную глубину. Затем с помощью грузика, опускавшегося по тросу, открывался затвор фотометра. После определенной выдержки (время которой фиксировалось) второй грузик закрывал затвор. Под воздействием света пластинка темнела. Сравнивая степень потемнения этой пластинки с аналогичной, но подвергшейся освещению эталонным источником света, определяли (с учетом времени экспозиции) условия освещенности на глубине проведения измерений. Когда вместо пластинок применялась фотопленка, в прибор устанавливался часовой механизм, через определенные промежутки времени перематывавший пленку.
Обработка результатов измерений требовала исключительной скрупулезности, а точность полученных результатов была весьма невысока. С помощью таких фотометров удавалось обнаружить свет на глубинах, превышающих 1000 м. Правда, для этого требовалось экспонировать пластинку более часа. Известен опыт, при котором пластинка выдерживалась на глубине 1700 м в течение двух часов, но не обнаружила признаков почернения.
