Файл: Жевандров, Н. Д. Анизотропия и оптика.pdf

зуется в угол по отношению к направлению вертикально вверх (противоположно силе тяжести). Многочисленные наблюдения показали, что видимость Солнца не обязатель­ на для танцующей пчелы. Изучение зависимости направле­ ния прямого пробега от различных внешних условии приве­ ло к выводу, что определяющим условием является поляри­ зация света голубого неба. Пчела правильно ориентирует своп танец только в том случае, если видит хотя бы не­

Следовательно, по поляризации отдельного участка сине­ го неба можно определить направление на Солнце (глав­ ную ось «пчелиной системы координат»).

Предположение о поляризационном механизме навига­ ции пчел подтверждено довольно убедительными опыта­ ми. Вот краткие сведения о некоторых нз них. Горизон­ тальные соты ¡помещаются в темную кабинку. В стенке ее имеется окошко, направленное на северную часть безоб­ лачного небосклона. Прямые пробеги направлены на за­ пад (корм к западу от улья). Если же зеркалом попра­ вить через окошко на соты свет от южной стороны небо­ склона, то ориентация танца меняется на '180° и прямые пробеги указывают на восток. Если небо закрыто облака­ ми, пробеги хаотичны. В последующих опытах окошко покрывалось поляроидом. Если направление колебаний, пропускаемых поляроидом, совпадало с преимуществен­ ным направлением поляризации света неба, то прямые пробеги тапцев пчел были ориентированы так же, как и до введения поляроида. Если же поляроид поворачивали на некоторый угол, прямые пробеги отклонялись на та­ кой же угол.

Если поворот поляроида в одну сторону неизменно от­ клоняет пробеги, например, вправо, то поворот в другую сторону дает всегда отклонение пробегов влево. Таким образом можно получить отклонение пробегов на любой угол, но не более 50—60°. При большем отклонении про­ беги становятся хаотичными. Оценка экспериментальных ошибок показала статистическую достоверность опытов. Подобные опыты, несомненно, доказывают наличие высо­ кой поляризационной чувствительности органов зрения пчел. Позже было показано, что пчелы чувствуют

122

обладают очень многие членистоногие (насекомые, пауки, ракообразные и др.). Список видов, у которых обнаруженг. и описана эта способность, насчитывает десятки назва­ ний. Но только у пчел имеется столь четкий элемент по­ ведения — направленный танец, позволяющий ставить указанные эксперименты. У большинства остальных видов экспериментальное доказательство наличия поляризаци­ онной чувствительности сводится к тому, что поворот по­ ляроида над движущимся животным вызывает отклоне­ ние его пути в ту же сторону. Кроме того, у многих чле­ нистоногих (пчел, мух, мечехвостов, клопов и др.) способность чувствовать поляризацию независимо подтвер­ ждена методом электроретпнограмм. Электроответ зри­ тельной клетки при повороте плоскости поляризации па 90° меняется обычно на 15—20%, что примерно соответ­ ствует изменению, которое можно получить, меняя интен­ сивность вдвое, т. е. результат вполне ощутимый.

Способность, столь широко распространенная в мире членистоногих, конечно, не случайна. Она песет важную биологическую функцию, играя в зрительной ориента­

Считается доказанным, что' навигационная ориентация членистоногих основана именно на этих трех элементах небесного компаса — Солнце, поляризации неба и Луне. Следует отметить, что, поскольку этот «компас» непостоя­ нен во времени, животному необходимы достаточно точ­ ные внутренние часы. Оказалось, что членистоногие обла­ дают такими часами, причем разных систем.

Одпако этот интересный вопрос уже выходит за рамки нашей темы.

Каковы возможные механизмы анализа поляризации света насекомыми?

Прежде всего можно предположить, что их глаза реа­ гируют не собственно па поляризацию, а на те специфи­ ческие вариации интенсивности, которые возникают при отражении, преломлении и рассеянии поляризованного света в окружающей среде. Эта косвенная реакция на

m

поляризацию, по-видимому, играет свою роль, однако со­ вокупность всех известных фактов ие может быть сведена только к пей.

Несомненно, существуют внутриглазные (интраокуляр­ ные) устройства, реагирующие на состояние поляризации света.

Имеются две гипотезы. Первая сводится к косвенному восприятию поляризации непосредственно в глазных сре­ дах. Преломление п отражение на многочисленных грани­ цах, разделяющих разные участки и слои этих сред, су­ щественно завпсят не только от угла падения и показате­ ля преломления, но также и от состояния поляризации. При прохождении различно поляризованного света через многослойные среды глаза освещение сетчатки будет, вообще говоря, различным. Несомненно, этот тип реакции имеет место, ио с его помощью невозможно объяснить большинство сложных форм поведения насекомых под действием поляризации света (в частности, их навига­ ционные способности).

Вторая гипотеза по существу похожа на гипотезу Гельмгольца, объясняющую фигуру Хайдингера. Важней­ шая особенность, отличающая глаза членистоногих от глаз позвоночных,— фасеточное строение. Их глаза являются не единообъемным, но сложным образованием, составлен­ ным из очень мелких шестигранников — фасеток. Число фасеток в глазу разных насекомых колеблется от сотен до десятков тысяч. Каждая фасетка служит линзой (хру­ сталиком) для отдельной светочувствительной единицы — омматидия. В каждом омматидии имеется пучок несколь­ ких зрительных клеток, главной функциональной частью которых является особая сложная структура, называемая рабдомером. Рабдомеры зрительных клеток омматидия объединены в образование — рабдом, занимающий в омма­ тидии центральное положение (в прямом и переносном смысле).

Рабдом представляет собой центрально-симметричную структуру, построенную из сложных анизотропных моле­ кул. Естественно предположить, что рабдом (розетка рабдомеров) ведет себя, как радиальный поляроид. Напри­ мер, у пчелы в омматидии восемь зрительных клеток. Следовательно, для модели соответствующего радиального поляроида, описанного выше, достаточно восьми секторов. Если смотреть на разные участки голубого небосвода через

124

такой поляроид, то видны разные, легко отличимые одна от другой фигуры.

Это предположение подтверждается данными электроретииограмм, причем из этих данных получена важная информация и о физиологии зрения насекомых. Напри­ мер, при освещении одного омматидия вспышками поляри­ зованного света с разным направлением поляризации ЭРГ омматидия дает одинаковые ответы, ио ответы на естест­ венный свет различны. Отсюда следует вывод, что сигнал о состоянии поляризации дает не омматидий в целом, а отдельная зрительная клетка по своему собственному нервному волокну.

При отведении сииала ЭРГ непосредственно от отдель­ ных зрительных клеток оказалось, что лишь 50% их реа­ гирует на поляризацию. Есть основания полагать, что это клетки, чувствительные к коротковолновому излучению. Поэтому глаз насекомого и не реагирует на поляризацию длинноволновых лучей. Таким образом, поляризационная чувствительность и цветовое зрение насекомых тесно свя­ заны.

Анизотропия астрономических объектов

Свет различных небесных светил и космических объектов во многих случаях оказывается поляризованным. Исследо­ вание этой поляризации дает существенную информацию о свойствах планет, звезд, туманностей, межпланетной и межзвездной среды и т. д. Поляриметрия — важный раз­ дел астрофизики.

Степенью поляризации света в астрофизике обычно на­ зывают отношение интенсивности поляризованной компо­ ненты к интенсивности всего исследуемого светового потока. Для экспериментальных исследований в последнее вре­ мя характерна (как и в других областях применения по­ ляризации света) замена визуальных полярископов и по­ ляриметров на фотоэлектрические. Разумеется, поляриза­ ционные исследования в астрономии представляют смысл и ценность только в совокупности с другими астрофизи­ ческими методами — фотометрическим, спектроскопичес­ ким, радиоастрономическим. Сопоставление данных раз­ ных методов, взаимное дополнение и контроль результа­ тов дают возможность более серьезной и надежной про­ верки различных гипотез.

125

Свет Луны частично поляризован, причем преиму­ щественное направление колебаний перпендикулярно пло­ скости, проходящей через Луііу, Солнце и Землю. Это полностью согласуется с тем фактом, что Луиа светит отра­ женным светом Солнца. Такую поляризацию лунного све­ та принято считать положительной. Разные исследовате­ ли измеряли поляризацию света, отражаемого Луной в целом п ее отдельными образованиями («морями» и «ма­ териками»), зависимость поляризации от фазы Луны и от длины волны света. Наибольшая поляризация соответст­ вует фазе в одну четверть, наименьшая — полнолунию. Максимальные значения в квадратуре у разных исследова­ телей получались довольно разными, доходя до 47% У «морей» и до 17% У «материков». Около полнолуния (прп фазах порядка 10°) поляризация становится отрицатель­ ной и имеет малые значения. Причина изменения зпака поляризации не совсем понятна, ее приписывают влиянию многократных отражений на неровностях лунной поверх­ ности. Сравнение поляризации разных областей Луны с поляризацией света, диффузію отраженного различными земными породами, привело некоторых экспериментато­ ров к выводу, что поверхность лунных «морей» покрыта породами, похожими на лаву, а поверхность «материков» — глинистыми песками. Спектральная зависимость поляри­ зации лунного света такова: степень поляризации меньше всего в инфракрасной области, больше в видимой (напри­ мер, в зеленой), еще больше в ультрафиолетовой. С по­ мощью исследования поляризации света иа участках не­ освещенной части лунного диска, непосредственно приле­ гающих к освещенной, делались попытки обнаружить лун­ ную атмосферу, хотя бы и очень разреженную.

Эти опыты, одиако, очень осложнены эффектами зем­ ного происхождения (поляризация рассеяния в атмосфе­ ре Земли и пр.). С учетом пли устранением этих помех было получено, что плотность атмосферы у поверхности Лупы но крайней мере в ІО9 раз меньше, чем у поверхно­ сти Земли.

Недавно советским ученым удалось поляриметрическим методом обнаружить па Луне в районе кратера Аристарх извержение газов.

Поляризация света плап'ет позволяет решать в основ­ ном те же задачи, что и в отношении Луны,— исследова­ ние поверхности планет и их атмосферы.

126

Зависимость поляризации от фазы для Меркурия ока­ залась такой же, как и для Луиы. Поскольку оп и фотоме­ трически сходен с Лупой, предполагают, что структура их поверхностей аналогична. Поверхность Меркурия, по-види­ мому, представляет собой гористую, сильно изрытую ка­ менистую пустыню. Различие поляризации в зеленой и красной областях спектра и возрастание поляризации от центра диска к краям объясняют наличием у Меркурия очень разрежеипой атмосферы (1.«.« рт. ст. у поверхности), рассеивающей зеленые лучи сильнее, чем красные.

Исследование поляризации света, рассеянного в атмос­ фере Венеры, в частности сравнение с земными облачными образованиями, привело к выводу, что рассеяние происхо­ дит на сравптельио крупных частицах (типа водяных ка­ пель в земных облаках). Природа этих частиц (капли это, кристаллики или пылинки) долгое время оставалась неиз­ вестной. Спектральная зависимость поляризации оказалась такой же, как у Луиы, наибольшая поляризация наблю­ дается в ультрафиолетовой области. Особое и интересное свойство Венеры состоит в том, что преимущественное на­ правление колебаний в ультрафиолетовой области отлича­ ется иа 90° от направления в видимой области. Это поро­ дило гипотезу о наличии двух типов рассеивающих частиц.

Проведенное в последние годы более тщательное изу­ чение поляризации солнечного света, отраженного от об­ лаков Венеры, показало, что они состоят из капелек диа­ метром около одного микрона, с показателем преломле­ ния '1,5. Пока ие удалось установить, какое вещество из имеющихся в венерианской атмосфере могло бы существо­ вать в капельно-жидком состоянии и иметь такой показа­ тель преломления. Советскими и американскими учеными было высказано предположение, что облака Венеры со­ стоят из капель аномальной (полимерной) воды, сконден­ сировавшихся на мельчайших силикатных ядрах — про­ дуктах выветривания венерианских пород (в лаборатор­ ных опытах установлено, что полимерная вода конденси­ руется иа кварце).

Фазовая зависимость поляризации Марса также похо­ жа на лунную. Поляризация определяется двумя фактора­ ми — поверхностью Марса и его атмосферой. Поляризация светлых областей («материков») и темных пятен («мо­ рей») сопоставлялась с поляризацией различных назем­ ных образований. Оказалось, что светлым областям апа-

127

логичны вулканические пеплы, в то время как глины, пе­ ски и скалы не дали похожих результатов. Темные же об­ ласти в ряде случаев оказались похожими по своим поля­ ризационным свойствам на поверхность, покрытую расти­ тельностью. Более детальные исследования позволили установить существенные различия экваториальных и се­ верных «морей». Свет от полярных шапок Марса оказался поляризован сильнее, чем от земных снежных покровов. Однако лабораторное сравпение с инеем показало хорошее сходство.

Наличие атмосферы вносит в поляризацию определен­ ные изменения. Например, появление облаков и помутне­ ний в атмосфере Марса вызывает отличия поляризации Марса от лунной. По поляризации наличие таких образо­ ваний можно обнаружить даже тогда, когда они не впдпы в телескопы. Существенную деполяризацию вносят так на­ зываемые желтые вуали (предполагается, что это пыль­ ные бури). Из этих явлений исследователи получали оцен­ ки плотности и давления марсианской атмосферы, сопоста­ вляя их с данными других методов. Результаты разных авторов довольно сильно различаются (от 18 до 60 мм рт. ст. *), но более или менее согласуются с данными фо­ тометрии, рассеяния, определения яркости и контрастнос­ ти. Среднее значение, полученное из сравнения результа­ тов всех методов,— 65 мм рт. ст. Спектральная зависимость поляризации Марса имеет тот же характер, что у Луны и Венеры.

Поляризация диска Юпитера различна в разных ме­ стах. Она больше у краев, чем в центре диска, и различна у восточного и западного краев планеты. Отмечается по­ стоянство поляризации полярных областей. Некоторые ав­ торы считают, что значение степени поляризации и ее рас­ пределение по диску планеты говорят в пользу того, что под облачным слоем Юпитера атмосфера очень разрежена. У Юпитера обнаружено также радиоизлучение, одна из компонент которого поляризована. С ее помощью получены интересные данные о физических процессах и ионосфере Юпитера.

На диске Сатурна поляризация полярных областей то­ же отличается от поляризации других частей планеты, но в отличие от Юпитера она непостоянна и подвержена силь­ ным изменениям. У Сатурна есть уникальные образова-

1 Данные с учетом ускорения силы тяжести.

128

ния — три кольца: внешнее Л, среднее В и внутреннее С. Поляризационные свойства колец различны. Особенности поляризации кольца А достаточно сложны, и их пока не удалось интерпретировать. Свойства кольца В близки к земным материалам. Изучая поляризацию света, отражен­ ного этим кольцом, астрофизики пришли к выводу, что частицы кольца покрыты ледяными кристаллами и что эти частицы вытянуты или изборождены в направлении сво­ его орбитального движения.

Поляризация света обнаружена в хвостах комет. С ее помощью показано, что непрерывный спектр хвостов обу­ словлен рассеянием солнечного света пылевыми частицами.

Плодотворным методом изучения пятен на Солнце оказался эффект Зеемана — расщепление спектральных лпипй в магнитном поле пятен. Важнейшим признаком, подтверждающим зеемаиовскую природу расщепления, яв­ ляется поляризация компонент. Методически очень важен выбор спектральных линий для работы. Удобнее всего линии с наиболее простой собственной формой и наиболь­ шим расщеплением простого типа (триплетным). Этот метод широко используется для топографии, системати­ зации и изучения магнитных полей солнечных пятен, для определения направления и напряженности магнитных полей. В большинстве пятен на солнечном диске обнару­ живается продольный эффект Зеемана. Это означает, что направление магнитного поля перпендикулярно солнеч­ ной поверхности. В соответствии с этим у пятен на краю диска ожидался и был обнаружен поперечный эффект. Данные этого эффективного метода, несомненно, сыграют большую роль в решении вопроса о происхождении маг­ нитных полей солнечных пятен.

С помощью советских приборов на спутниках «Иптер- космос-1» и «Иитеркосмос-4» была обнаружена поляри­ зация рентгеновского излучения вспышек на Солнце. На основании этих данных астрофизики пришли к выводу, что рентгеновское излучение возникает в результате взаимодействия с плазмой быстрых потоков направлен­ ных электронов из более высоких слоев вглубь солнечной атмосферы. Несомненно, эти результаты очень важны для дальнейшего изучения механизма вознпкновенпя вспышек на Солнце, при которых иногда выделяется ко­ лоссальная энергия, превышающая энергию взрывов мил­ лиардов атомных бомб.