Tudománynépszerűsítő rovatunkban elsőként a fény polarizációjával foglalkozunk. Ez a jelenség kulcsszerepet tölt be abban, hogy a vízirovarok képesek megtalálni a vizes élőhelyeiket.
Fotó: Kriska Ferenc
Számos állattal ellentétben az ember látósejtjei nem érzékenyek a fény polarizációjára, bár az emberi szem ideghártyáján az éleslátás helye, a sárgafolt polarizáció-érzékeny, amit Haidinger fedezett fel az 1840-es években. Vajon a fény erősségén (intenzitásán) és színén (hullámhosszán) túl a polarizáció milyen információt szolgáltathat az optikai környezetről? Minőségileg annyival többet, mint amennyivel több információ rejlik a színekben a fényerősség hordozta információhoz képest. Míg például egy zöld levelű és piros virágú növény szürke tónusú (fekete-fehér) fényképén a fényintenzitás alapján általában nem, csak az alak felismerésével különíthetők el a virágok a levelektől, addig a színes fényképen a színük alapján rögtön felismerjük a zöld levelek közt megbújó piros virágszirmokat.
Pipacs színes és fekete-fehér fotója (Fotó: Kriska György)
De a zöld árnyalatainak segítségével többnyire azt is megállapíthatjuk, hogy mely levelek a fiatalabbak (a világos zöldek), melyek az öregebbek (a sötétebb zöldek), melyeket világít meg napfény, melyeket kék égboltfény, melyek állnak úgy, hogy a napfényt a szemünkbe verik vissza, s melyek úgy, hogy az általuk áteresztett napfény jut el hozzánk. Egy másik színes példával élve, egy gyümölcs-csendélet fekete-fehér fényképén a fényintenzitás és az alak alapján sokszor még a gyümölcsök fajtája sem azonosítható, mert sok gyümölcs hasonló alakú (például gömbölyded) és közel egyforma erősségű fényt ver vissza. Viszont a színes képen nemcsak a gyümölcsök fajtája, hanem érettségi foka is megbecsülhető. A színek tehát a fényerősségen túl fontos információk hordozói, ezért is fejlődött ki az evolúció során rengeteg állatfajban a színlátás képessége. Például az őserdő talaján mászkáló gyümölcsevő majmok a magas fákon függő gyümölcsök színe alapján becsülik meg a táplálékuk érettségét, s döntik el, hogy érdemes-e felmászni értük a fákra. A még éretlen gyümölcsök többnyire zöldek; az ilyeneket még nem érdemes leszakítani, mert még élvezhetetlen az ízük. Ezt a növények gyümölcseik zöld színével üzenik a majmoknak. A növények haszna, hogy megmenekülnek a még éretlen gyümölcseik, melyek képtelenek lennének továbbterjeszteni a magokat. Mikor a gyümölcsökben a magok már megértek, s terjeszthetik a gazdanövényt, ezt színváltozással jelzik a majmoknak, amelyek felmásznak a fákra a sárgára, vörösre változott színű, érett gyümölcsökért. E példában a színek fontos üzenet közvetítői a növények és a majmok között, melyek mindegyikének egyaránt hasznára válik a színjelek kibocsátása és felfogása.
Alma színes és fekete-fehér fotója (Fotó: Kriska György)
A fény polarizációja további fontos információk forrása lehet. Példánknál maradva, a növényekről visszaverődő fény polarizációfokából következtetni lehet a levél- és sziromfelületek simaságára: A polarizációfok kis, illetve nagy értékei érdes, illetve sima felületre utalnak adott megvilágítás és irányulású levél/szirom mellett.
A fény elektromágneses hullám, melyben az elektromos és mágneses térerősségvektorok egymásra és a terjedési irányra is merőlegesen szinuszosan rezegnek azonos fázisban. A fény színe a l hullámhosszal kapcsolatos (l csökkenése az érzékelt színnek a vöröstől a kék felé való eltolódását eredményezi), míg az intenzitása az elektromos térerősség maximumának (amplitudójának) négyzetével arányos. Ha egy adott hullámhosszúságú fényben az elektromágneses rezgés egyetlen irányban történik, akkor teljesen lineárisan poláros fényről beszélünk, a rezgéssík irányát pedig polarizációiránynak nevezzük. Ekkor a lineáris polarizációfok 100 %. Ilyen teljesen lineárisan poláros fény tükröződik például a vízfelületről az úgynevezett Brewster-szögben.
A polarizálatlan és a teljesen lineárisan poláros fény keveréke részlegesen lineárisan poláros fényt eredményez, melyben minden irányú rezgéssík előfordul, de a teljesen poláros fény rezgéssíkja kitüntetett, mert ebben az irányban maximális az intenzitás. E kitüntetett irányt nevezzük polarizációiránynak, a lineáris polarizációfok pedig azt adja meg, hogy az összintenzitás hányad részét képezi a teljesen poláros fényé. A földi természetben leggyakrabban részlegesen lineárisan poláros fény fordul elő a fényvisszaverődésnek vagy fényszóródásnak köszönhetően. Ilyen például a szórt égboltfény és szinte minden (nem-fémes) tárgy ilyen fényt ver vissza.
Az emberi szem számára a lineárisan poláros fényt lineáris polárszűrővel lehet érzékelhetővé tenni. Ezek áteresztési irányuknak megfelelően csak egyetlen rezgéssíkú poláros fényt engednek át, amit a szűrő áteresztési irányának nevezünk. Az erre merőleges rezgéssíkú fényt a szűrő szinte teljesen elnyeli. Ilyen szűrőket úgy állítanak elő, hogy egy speciálisan színezett műanyagot melegen vékony lappá hengerelnek, miközben a műanyag jelentősen megnyúlik, minek hatására a hosszú láncmolekulái közel párhuzamosan rendeződnek. Mivel egy láncmolekula annál több fényt nyel el, minél kisebb szöget zár be a hossztengelyével a poláros fény rezgéssíkja, ezért a műanyag fólia gyakorlatilag csak egyetlen rezgéssíkú fényt enged át, azaz lineáris polárszűrőként működik. A vékony, hajlékony fóliát keretbe foglalt vékony üveglapok közé szokás szorítani.
A természetben előforduló egyik legfeltűnőbb fénypolarizációs jelenséget a tiszta égbolton figyelhetjük meg. Egy lineáris polárszűrőt szemünk előtt forgatva az égbolt poláros részei hol besötétednek, hol pedig kivilágosodnak. Ha különböző polárszűrő állásokkal fényképfelvételeket készítünk az égboltról, akkor meghatározhatók az ég emberi szem számára egyébként láthatatlan fénypolarizációs mintázatai. Ezzel a témával a következő blogbejegyzésben foglalkozunk.
Forrás
