Поляризация небесного свода

Представим себе, что атмосфера идеально чистая и сухая и поэтому в ней происходит только молекулярное рассеяние. Солнце находится на горизонте. Каким должно быть распределение степени поляризации по небосводу, согласно формуле (2.3). Степень поляризации должна быть равной 0% в направлении на Солнце (θ = 180°) и на антисолярную точку (θ = 0°). В направлении на зенит (θ =90°) она должна составлять 100%.

В действительности эта формула выполняется в самом грубом приближении только в областях неба, далеких от Солнца и от горизонта, даже при очень высокой прозрачности атмосферы. Фактически наблюдаемая картина распределения степени поляризации по небосводу довольно сложная. Оказывается, на небе не две точки, как предсказывает теория Рэлея, в которых степень поляризации равна нулю, а четыре. Их назвали нейтральными точками. Только от этих четырех точек небосвода рассеянный свет оказывается совсем не поляризованным (естественным). Весь остальной небосвод посылает рассеянный свет частично поляризованный, с разной степенью и с разным положением плоскости поляризации.

Нейтральные точки носят имена ученых, их впервые обнаруживших. Это точки: Араго (Л), Бабине (Ва), Брюстера (Вr) и IV точка, которую "открыли" позднее остальных уже при наблюдении с высотных самолетов. Все нейтральные точки располагаются в плоскости солнечного вертикала, точки Ва и Вr над и под Солнцем, точки А и IV над и под антисолярной точкой (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Нейтральные точки небосвода

Расстояние нейтральных точек от Солнца и антисолярной точки не остается постоянным, оно изменяется от 12 до 30° в зависимости от высоты Солнца, степени замутнения атмосферы, альбедо земной поверхности и длины волны света. При средней мутности атмосферы и низком Солнце это расстояние составляет 16 - 18°.

При поднятии Солнца точки Ва и Вr приближаются к Солнцу, а А и IV - к антисолярной точке и вместе с нею уходят под горизонт. При увеличении мутности атмосферы или альбедо Земли нейтральные точки удаляются от Солнца и антисолярной точки.

Максимальная степень поляризации наблюдается в зените при положении Солнца на горизонте или при небольшом угле погружения под горизонт. По мере поднятия Солнца область максимальной поляризации уходит из зенита, оставаясь вблизи солнечного зенита.

Максимальная измеренная степень поляризации нигде, ни при каких условиях наблюдения не достигала 100%. Приведем максимальные значения, отмеченные за многолетние периоды систематических измерений в разных точках Советского Союза: в Павловске (под Ленинградом) 82%, в Свердловске 83,7%, в Крыму на г. Ай-Петри 84,7%.

В чем же причина таких низких значений максимальной степени поляризации по сравнению с теоретическими предсказаниями? Причин несколько. Во-первых, это постоянное присутствие в атмосфере аэрозоля, рассеяние на котором, как уже говорилось, заметно уменьшает степень поляризации во всех направлениях и тем сильнее, чем крупнее частицы аэрозоля и чем их больше. Во-вторых, это многократное рассеяние света, также всегда происходящее в атмосфере. Свет, рассеянный многократно, оказывается менее поляризованным по сравнению с однократно рассеянным. Поэтому "добавка" многократного рассеяния в общий пучок рассеянного света, идущего из любого направления, увеличивает его яркость и одновременно снижает степень поляризации. Есть и третья причина - это некоторые особенности в строении молекул основных газов, составляющих воздух (так называемая анизотропия молекул), которые снижают степень поляризации примерно на 5%.

Распределение положения плоскости поляризации по небосводу сильно изменяется с увеличением высоты Солнца и мутности атмосферы.

Степень поляризации небосвода чувствительно реагирует на всякое уменьшение прозрачности воздуха, вызванное, например, большими по площади лесными или степными пожарами. Особенно резкое снижение степени поляризации наблюдалось после мощных извержений вулканов взрывного типа: Кракатау в 1883 г., Катмая в 1912 г., Агунга в 1963 г. и других. Максимальная степень поляризации над обширными площадями земного шара, и не только в районе извержения, а и в других частях света, не превышала 50%. Пониженная по сравнению с "нормой" степень поляризации держалась на протяжении одного-двух лет после извержения. Вскоре после извержений появлялись четыре новые нейтральные точки: две слева и справа от Солнца и две аналогично около антисолярной точки. Эти точки также наблюдались в течение одного-двух лет.