Свет, отраженный от неба

[Olena]

Люди, объясните пожалуйста, почему солнечный свет, отраженный от неба - поляризованный?

[LynxGAV]

Цитата:

почему солнечный свет, отраженный от неба - поляризованный?

Eto doslovno?

Svet - ploskaya begushaya elektromagnitnaya volna (polagaem vse velichini zavisyat ot odnoi koordinati i vremeni, f=f(x,t) - lyubaya iz komponent polya) , komponenti kotoroi sut´ elektricheskoe i magnitnoe polya svyazani sootnosheniem H=nxE (zd. vektornoe proizvedenie, n - edinichniy vektor v napravlenii rasprostraneniya), t.e. ostsilliruyut pod pryamim uglom drug k drugu i napravleniyu vektora n, prichem |H|=|E|. T.o. volna poperechnaya s dlinoi, "vidimoi chelovecheskomu glazu".

Sleduet otmetit´, chto ploskaya volna f=f_1expi(kr-wt), f_1=const-amplituda,- eto ne "real´naya" volna f(t,r)=a(t,r)expipsi(t,r), gde a(t,r)-amplituda, psi(t,r)-faza volni i vse velichini - vektornie. No inogda peal´nuyu volnu v nekotorih uchastkah prostranstva mojno passmatrivat´ kak ploskuyu. V etom slushae dlya "malih vremen i uchastkov prostranstva" faza psi(t,r) raskladivayut v ryad Taylor, kak funktsiyu dvuh peremennih, prichem r - vector.I esli amplituda a(t,r) malo menyaetsya na rasstoyaniyah poryadka dlini volni lambda,
a L-harakternaya dlina, na kotoroi menyayutsya parametri lambda<<L, to f=aexpi(psi_0+t(dpsi)/(dt)+rgradpsi). Teper´ k=gradpsi, w=-(dpsi)/(dt), gde psi - eikonal. Rasstoyaniya na kotorih volnu mojno schitat´ ploskoi lambda<<x<<L. Yslovie ipolnyaetsya tem luchshe, chem men´she dlina volni.

Rassmatrivaya E(t,r)= Re E_0expi(kr-wt), gde E_0=b_1+ib_2 - kompleksniy vector e (E_0)^2=|(E_0)^2|exp(-2ialfa) mojno poluchit´ E_y=b_1cos(wt-kr+alfa),
E_z=+/-b_2sin(wt-kr+alfa). (E_y)^2/(b_1)^2+(E_z)^2/(b_2)^2=1 (yravnenie ellipsa). T.e. v ploskosti (yz) konets vectora E opisivaet ellips. (Vrashenie protiv ili po chasovoi ctrelke - left/right hand polyarizatsiay ili naoborot, mogu oshibat´sya.) Esli b_1=b_2 - krugovaya polyarizatsiya. B obshem sluchae ellipticheskaya polyarizatsiya - superpozitsiya 2-x voln c razlichnoi amplitudoi, odinakovoi chastoti vo vzaimno perpendikulyarnih ploskostyah.

V pripode electromagnitnoe izluchenie chasto (vsegda) proishodit ot bol´shogo ansamblya individual´nih izluchatelei, proizvodyashih volni nezavisimo drug ot druga. Takoi svet - nekogerentniy. Net edinstvennoi chastoti, skoree imeetsya spektr raznih chastot. Odnako, polyarizatsiya - svoistvo ne tol´ko kogerentnogo izlucheniya. Takoe izluchenie mojno interpretirovat´ kak chastichno-polyarizovannoe. Vobshem nablyudaemoe volnovoe pole mojno opisat´ kak summu vduh chastei - absolutno nekogerentnoi bez correlyatsiy i absolutno cogerentnoi. I togda mojno opisat´svet v terminah stepeni polyarizatsii i parametrov polyarizatsionnogo ellipsa.

Ves´ svet, otrajenniy ot poverhnosti, po krainei mere, chastichno polyarizovanniy. V sluchae, kogda svet prohodit cherez atmosferu nablyudaetsya polyarizatsiya rasseyaniem (fotons).

Rasseyanniy svet chasto proizvodit na nebe "glare". Svechenie. T.e. nebo svetloe i yarkoe.(Na zakate ponablyudaite za gorizontom pod < = 90 degr). Drugoi effect - sil´noe umen´shenie yarkosti izobrajeniy neba i oblakov, otrajennih ot gorizontal´nih poverhnostei.

Esli Vi - student/ka, o polyarizatsii mojno posmotret´ v 1 chasti 2 toma Landau, Lifshits´a "Field Theory". Tam je razdel "Geometricheskaya optika". Esli znakomi s chastichno-volnovim dualizmom (svet-fotoni-bozoni so spinom 1) kak schitaetsya sechenie rasseyaniya mojno posmotret´ v kaltehovkih lektsiyah Feynmann´a "Quantum Electrodynamics". Tam pravda poslojnee. Knigi izvestnie, v nete est´.

**********************
Это дословно? :щинк:

Свет - плоская бегушая электромагнитная волна (полагаем все величини зависят от однои координати и времени, ф=ф(х,т) - любая из компонент поля) , компоненти которои сутґ электрическое и магнитное поля связани соотношением Х=нхе (зд. векторное произведение, н - единичниы вектор в направлении распространения), t.e. остсиллируют под прямим углом друг к другу и направлению вектора н, причем |Х|=|Е|. T.o. волна поперечная с длинои, "видимои человеческому глазу".

Следует отметитґ, что плоская волна ф=ф_1ехпи(кр-щт), ф_1=цонст-амплитуда,- это не "реалґная" волна ф(т,р)=а(т,р)ехпипси(т,р), где а(т,р)-амплитуда, пси(т,р)-фаза волни и все величини - векторние. Но иногда пеалґную волну в некоторих участках пространства мойно пассматриватґ как плоскую. В этом слушае для "малих времен и участков пространства" фаза пси(т,р) раскладивают в ряд Таылор, как функтсию двух переменних, причем р - vector.I если амплитуда а(т,р) мало меняется на расстояниях порядка длини волни ламбда,
а Л-характерная длина, на которои меняются параметри ламбда<<Л, то ф®хпи(пси_0+т(дпси)/(дт)+рградпси). Теперґ к=градпси, щ=-(дпси)/(дт), где пси - еиконал. Расстояния на которих волну мойно щитатґ плоскои ламбда<<х<<Л. Ысловие иполняется тем лучше, чем менґше длина волни.

Рассматривая Е(т,р)= Ре Е_0ехпи(кр-щт), где Е_0=б_1+иб_2 - комплексниы вецтор е (Е_0)^2=|(Е_0)^2|ехп(-2иалфа) мойно получитґ Е_ы=б_1цос(щт-кр+алфа),
Е_з=+/-б_2син(щт-кр+алфа). (Е_ы)^2/(б_1)^2+(Е_з)^2/(б_2)^2=1 (ыравнение еллипса). T.e. в плоскости (ыз) конетс вецтора Е описивает еллипс. (Врашение против или по часовои цтрелке - лефт/ригхт ханд поляризатсиаы или наоборот, могу ошибатґся.) Если б_1=б_2 - круговая поляризатсия. Б обшем случае еллиптическая поляризатсия - суперпозитсия 2-х волн ц различнои амплитудои, одинаковои частоти во взаимно перпендикулярних плоскостях.

В приподе елецтромагнитное излучение часто (всегда) проишодит от болґшого ансамбля индивидуалґних излучателеи, производяших волни независимо друг от друга. Такои свет - некогерентниы. Нет единственнои частоти, скорее имеется спектр разних частот. Однако, поляризатсия - своиство не толґко когерентного излучения. Такое излучение мойно интерпретироватґ как частично-поляризованное. Вобшем наблюдаемое волновое поле мойно описатґ как сумму вдух частеи - абсолутно некогерентнои без цоррелятсиы и абсолутно цогерентнои. И тогда мойно описатґсвет в терминах степени поляризатсии и параметров поляризатсионного еллипса.

Весґ свет, отрайенниы от поверхности, по краинеи мере, частично поляризованниы. В случае, когда свет проходит через атмосферу наблюдается поляризатсия рассеянием (фотонс).

Рассеянниы свет часто производит на небе "гларе". Свечение. T.e. небо светлое и яркое.(На закате понаблюдаите за горизонтом под < = 90 дегр). Другои еффецт - силґное уменґшение яркости изобрайениы неба и облаков, отрайенних от горизонталґних поверхностеи.

Если Ви - студент/ка, о поляризатсии мойно посмотретґ в 1 части 2 тома Ландау, Лифшитсґа "Фиелд Тхеоры". Там йе раздел "Геометрическая оптика". Если знакоми с частично-волновим дуализмом (свет-фотони-бозони со спином 1) как щитается сечение рассеяния мойно посмотретґ в калтэовких лектсиях Феынманнґа "Ьуантум Елецтродынамицс". Там правда послойнее. Книги известние, в нете естґ.
Переведено Штирлицем =))
Редактировал Dan_Te

[Olena]

Цитата:

Eto doslovno?

Sorry, ne ponyala - chto doslovno?
Ya znayu, chto takoe svet i chto takoe polyarizaciya , i chto takoe Releevskoe rasseyanie ) Menya vot chto interesuet - kogda solnechniy svet (nepolyarizovanniy) idet ne pryamo na zemlyu, a rasseivaetsya v atmosfere i tol'ko potom popadaet na zemlyu - pochemu on stanovitsya polyarizovaniy? T.e. ya ponimayu, chto esli by vse molekuly v atmosfere byli orientirovany odinakovo - to togda -da, svet, idushiy ot opredelennogo uchastka nabe byl by polyarizovanniy. No ved' molekuly orientirovany haotichno - pochemu ze togda vse ne usrednyaetsya i ne poluchaetsya 0? Vot chto mne ne ponyatno
A Feynmana ya uze vykachala, schas glyanu - mozet i pravda eto mne pomozet
****************************
Сорры, не поняла - что дословно?
Я знаю, что такое свет и что такое поляризация , и что такое Релеевское рассеяние ) Меня вот что интересует - когда солнечниы свет (неполяризованниы) идет не прямо на землю, а рассеивается в атмосфере и только потом попадает на землю - почему он становится поляризованиы? T.e. я понимаю, что если бы все молекулы в атмосфере были ориентированы одинаково - то тогда -да, свет, идушиы от определенного участка набе был бы поляризованниы. Но ведь молекулы ориентированы хаотично - почему зе тогда все не усредняется и не получается 0? Вот что мне не понятно
А Феынмана я узе выкачала, щас гляну - мозет и правда это мне помозет

[LynxGAV]

Цитата:

почему солнечный свет, отраженный от неба - поляризованный?

Kak-to ne sil´no zvuchit...

Цитата:

esli by vse molekuly v atmosfere byli orientirovany odinakovo

Цитата:

no ved´ molekuly orientirovany haotichno

Ya chto-to ne sovsem ponimayu, chto Vi etim hoteli skazat´. Chto znachit orientirovani? Kto ih orientiroval? U nih est´ moment? Utochnite pojaluista.

Цитата:

pochemu ze togda vse ne usrednyaetsya i ne poluchaetsya 0

Pochem, sobstvenno govorya, usrednyat´ budem? Po plotnosti? Chem blije k Zemle, tem gushye? Kakoe usrednenie Vi imeli vvidu?

[LynxGAV]

Ya ser´ezno..Davaite nazivat´ veshi svoimi imenami
A to ya ne predstavlyayu, kak Vi sebe predstavlyaete eto yavlenie?
Slishali/pol´zuetes´ S-matritsei?
I rasseyanie po hodu proishodit ne na molekulah.
**************************
Я сер?езно..Даваите називат? веши своими именами :ролл:
А то я не представляю, как Ви себе представляете это явление?
Слишали/пол?зуетес? С-матритсеи?
И рассеяние по ходу проишодит не на молекулах.

[ЛОЛКИН]

2LynxGAV http://www.translit.ru. Рекомендую.

[LynxGAV]

Спасибо. Я уже пишу по-человечески

[Борис Лейкин]

Olena писал(а):

Люди, объясните пожалуйста, почему солнечный свет, отраженный от неба - поляризованный?

Случайно наткнулся на статью в "Наука и жизнь" http://nauka.relis.ru/cgi/nauka.pl?34+9907+34907065+HTML

[LynxGAV]

На случай, если решите сюда заглянуть, оставляю Вам, Olena, сообщение.
Возвращался как-то раз преподаватель по курсу "Элементарные частицы" домой. Ехал на машине и любовался закатом. А на следующий день пришел на занятие и сказал: "Посчитайте дома сечение рассеяния света". Было это в аспирантуре и мне эта задача отнюдь не показалась легкой.

Цитата:

Почему солнечный свет, отраженный от неба - поляризованный?

Почему солнечный свет, рассеянный атмосферой - поляризованный?. А то можно подумать, что свет идет от Земли, достигает неба (атмосферы), отражается и приобретает поляризацию. Ему и идти никуда не надо, он сразу тусуется в атмосфере. Светящаяся Земля

Цитата:

Menya vot chto interesuet - kogda solnechniy svet (nepolyarizovanniy) idet ne pryamo na zemlyu, a rasseivaetsya v atmosfere i tol'ko potom popadaet na zemlyu - pochemu on stanovitsya polyarizovaniy? T.e. ya ponimayu, chto esli by vse molekuly v atmosfere byli orientirovany odinakovo - to togda -da, svet, idushiy ot opredelennogo uchastka nabe byl by polyarizovanniy. No ved' molekuly orientirovany haotichno - pochemu ze togda vse ne usrednyaetsya i ne poluchaetsya 0?

Принципиально, что Вас смутило? Пример: рассеяние частицы со спином половина на мишени со спином нуль. После рассеяния может возникнуть поляризация пучка даже в том случае, когда падающий пучок не поляризован.(!) И эффективное сечение рассеяния зависит от поляризации падающего и рассеянного пучков. И все остаются живы. Объяснение этого явления - чисто квантовый эффект.
Я только сейчас поняла, почему Вы привязались к молекулам. Этот вопрос Вам задали в рамках общей физики. Там релеевское рассеяние рассматривается с точки зрения рассеяния на шариках радиуса а, беспорядочно распределенных по объему, занятому средой. То бишь на молекулах (которые электронейтральны! можно поинтересоваться у врачей, как бы мы себя чувствовали, если бы нас атаковало столько ионов) и не более.
В более же общем виде с позиций классической релятивистской электродинамики релеевское рассеяние выводится как рассеяние линейно поляризованной волны линейным гармоническим заряженным осциллятором, то есть как рассеяние света на заряженной частице. Или проще - на электронах атомов, из которых состоят молекулы. Под действием поля волны заряды приходят в движение. Двигаясь с ускорением, начинают излучать во всех направлениях. Этот процесс удобно характеризовать дифференциальным сечением рассеяния. Итого: если излучение падает на атом, состоящий из Z связанных электронов и ядро с зарядом Ze, может иметь место испускание когерентного излучения (это наше релеевское рассеяние)(но! только в том случае, если электроны не получают достаточно энергии для возбуждения или ионизации атома).
Если волна не плоская, если падает естественный (неполяризованный) свет. Делаем следующее http://fotos.sapo.pt/lynxgav/pic/00008edq
Возникает вопрос: почему мы говорим о поляризации, а возимся с интенсивностями и сечением рассеяния? С математической точки зрения это означает, что о свойствах поляризации света делаются заключения, исходя из значений некоторых квадратичных функций его поля. Вводится эрмитовский тензор поляризации. (И интенсивность волны, измеряемая плотностью потока энергии в ней, выползает как шпур или след тензора).
Для шариков.
1 штука шарик. Если падающая волна поляризована линейно, то и рассеянный свет поляризован линейно. (Интенсивность - усредненное по времени численное значение вектора Пойнтинга.) Если падающий свет - естественный, рассеянный свет будет поляризован частично.
Шарики в объеме V. Интенсивность равна сумме интенсивностей, рассеиваемых отдельными
шариками. Интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Это закон Релея. Он справедлив для рассеивающих частиц, линейные размеры которых малы по сравнению с длиной волны.
Потом можно рассмотреть рассеяние фиксированного объемчика, рассеяние вызывется флуктуацией числа молекул в нем. Чтобы найти интенсивность света, рассеянного конечным объемчиком, то надо учесть, что разные объемчики рассеивают некогерентно. И тогда интенсивность от конечного объема равна интенсивности одного объемчика помноженной на число элементарных объемчиков. Короче, при сложении напряженности полей никогда не будет интерференционного гашения. Все не усредняется, ноль не будет из-за флуктуаций числа молекул в эл.об.
Наблюдение на досуге.
Белый свет при рассеянии становится синеватым. Синий цвет и поляризация неба определяются рассеянием солнечного света на "молекулах". Если бы рассеяния света не было, то небо было бы совершенно черным как у космонавтов. При восходе и закате большая часть коротковолнового излучения Солнца "съедается", теряется на рассеяние. До Земли доходят преимущественно красные лучи.

Последнее замечание. Такая задача решается в рамках квантовой механики и квантовой
электродинамики (как нам ставили). Свет - электромагнитная волна, волна - фотон. Фотон -
бозон, его спин 1. Следовательно спин может принимать проекции -1, 0, 1. 0 не уд. условиям, так как для фотона нет системы покоя, он всегда движется со скоростью света. Две другие проекции соответствуют двум поляризациям волны. Потом рассматриваются электроны - фермионы со спином 1/2. (Это Ваши ОТДАЛЕННЫЕ ассоциации с ориентацией молекул. Спин связан с "вращением электрона вокруг своей оси". Чисто квантовая характеристика частицы. Но электрон находится в атоме, а атом - кусок молекулы. Все равно пять баллов =)) Записывается S-матрица и пошли поехали.

Посоветовала Вам "Квантовую электродинамику" Фейнмана. Там и правда есть параграф "Рассеяние света", но не думаю, что стоит туда смотреть.

Настольные книги по теме:
1. Сивухин "Общий курс физики" 4 том "Оптика" - о релеевском рассеянии (шарики).
2. Левич "Курс теоретической физики" 1 том - о релеевском рассеянии (классическая электродинамика); 2 том - рассеяние в квантовой механике (есть хорошие примеры, конкретно с поляризацией рассеянием на примере элементарных частиц).
3. Ландау, Лифшиц "Курс теоретической физики" 2 том, 1 часть "Теория поля" - о поляризации волн, тензоре поляризации, том же рассеянии. Но сама релеевская поляризация, на мой взгляд, там дается хуже, чем в Левиче.
Можно посмотреть книги по атомной физике, но где конкретно - не знаю.

Вы задали такой простой вопрос, а объединили им классическую и квантовую физику. Только
подумайте: общая физика, классическая релятивистская электродинамика, молекулярная физика, атомная физика, квантовая механика и квантовая электродинамика.
Красота. Я помню примеры, где два раздела "дружат", ну, три. Но таких...Всем, кто пьет,
можно напиться. Всем, кто рядом с Вами, Вас расцеловать. А всем физикам порадоваться, что физика - такая прелесть.

И больше не думайте так. "При рассеянии на единичном рассеивающем центре волна поляризуется. Так как в задаче нет выделенного направления, при рассеянии на многих центрах все усредняется." Иногда такая логика не работает. Ок?

[Вася]

LynxGAV писал(а):

Всем, кто пьет,
можно напиться. Всем, кто рядом с Вами, Вас расцеловать. А всем физикам порадоваться, что физика - такая прелесть.

Ляпота

[LynxGAV]

Вася писал(а):

LynxGAV писал(а):

Всем, кто пьет,
можно напиться. Всем, кто рядом с Вами, Вас расцеловать. А всем физикам порадоваться, что физика - такая прелесть.

Ляпота

Об этом уже все забыли . Народ работает, народ трудится .

[Вася]

LynxGAV писал(а):

Вася писал(а):

LynxGAV писал(а):

Всем, кто пьет,
можно напиться. Всем, кто рядом с Вами, Вас расцеловать. А всем физикам порадоваться, что физика - такая прелесть.

Ляпота

Об этом уже все забыли . Народ работает, народ трудится .

Главное во время работы иногда поднимать голову и оглядываться вокруг.то бишь надо здраво без фанатизьму,имхо в физике сие черевато бооольшими заблуждениями...
чой то я расфилосовствовался не в тему,модер меня возьмет да транклюкирует

[Mick]

Господи, ну не могли на пальцах объяснить...

Приходящий в атмосферу свет содержит E и B, колеблющиеся в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света. Значит и колебания частиц, возбужденные этим светом, тоже будут происходить (с большей вероятностью) в той же плоскости. Значит и переизлученный свет тоже будет иметь некое выделенное направление - направление исходного источника.

Off: Да, чтобы все это расчитать аккуратно, нужно разгребать честное рассеяние и т.п.