2015 a FÉNY ÉVE 74 FIZIKAI SZEMLE 2015 / 3

Átírás

1 2015 a FÉNY ÉVE A márciusi szám ennek megfelelõen a fényrõl szól. Nem feltétlenül a látható fényrõl, hanem a távli infravöröstõl a röntgenfényig található elektrmágneses hullámkról, ftnkról. Több kézirat szól a fényrõl, mint amennyi a Fizikai Szemle egyetlen számába beleférhet. Ezért az egész 2015-ös évben feltûnõ módn a lap élõlábában a fény éve lgójával kiemeljük a fényrõl írt cikkeket. Azkat is, amelyek még meg sem születtek, de év végéig megjelennek. Kérjük leendõ szerzõinket, hgy minél több írással népszerûsítsék a fényt! A HOLD ÉS NAP ÁLTAL MEGVILÁGÍTOTT ÉGBOLT POLARIZÁCIÓÁTMENETE BIOLÓGIAI VONATKOZÁSOKKAL: A SZÜRKÜLETI ÉG RENDELLENES POLARIZÁCIÓJA RÉSZLEGES HOLDFÁZIS IDEJÉN Hrváth Gábr, Száz Dénes ELTE Bilógiai Fizika Tanszék, Környezetptika Labratórium Egri Ádám, Farkas Alexandra ELTE BFT KOL + MTA Öklógiai Kutatóközpnt, Duna-kutató Intézet, Budapest Barta András, Barta Pál Estrat Kutató és Fejlesztő Kft., Budapest Kvács József, Csák Balázs, Jankvics István ELTE Gthard Asztrfizikai Obszervatórium és Multidiszciplináris Kutatóközpnt, Szmbathely Szabó Gyula ELTE GAO MKK, Szmbathely, MTA CSFK, Csillagászati Intézet, Budapest Az égbltfény plarizációjának fôbb tulajdnságai már jól ismertek [1]. Ezen ismeretek jelentôs ütemben bôvültek az elmúlt évtizedekben flytattt 18 látószögû képalktó plarimetriai vizsgálatknak köszönhetôen [2]. Az égblt plarizációs mintázatát vizsgálták már tiszta, részlegesen felhôs, teljesen felhôs, ködös és erdôtüzektôl füstös körülmények között, erdei lmbzat alatt, valamint lyan különleges visznyk között is, mint a teljes napfgyatkzásk és az arktiszi jég és tenger peremén [2]. Az égblt-plarizációs mintázatkat hld nélküli alknyatban [2] és telihld mellett [2] is mérték, tvábbá a tiszta ég plarizálatlan (neutrális) pntjainak helyét is meghatárzták [2] és elméletileg is leírták [3]. Az égblt-plarizációról eddig megszerzett tudás jelentôs bilógiai vnatkzáskkal bír, mivel sk állat (például madarak, hüllôk, kétéltûek, halak, rvark Kutatásunkat az OTKA K (Égblt-plarimetria a felhôk felismerésére és a plarimetrikus viking-navigációnak kedvezô meterlógiai visznyk vizsgálatára) pályázata támgatja. Hrváth Gábr köszöni a német Alexander vn Humbldt Alapítvány mûszeradmányát és egy regensburgi ösztöndíjat (3.3-UNG/ STP, június 1. augusztus 31). Szabó Gyula köszöni az MTA Blyai Jáns kutatási ösztöndíját, az ELTE GAO MKK pedig Szmbathely várs S számú támgatását. és rákk) az égbltfény plarizációja segítségével tájékzódik, amikr a t felhô vagy köd takarja [2]. Ezen állatk tájékzódásának fô vnatkztatási iránya a szláris meridián, amely a zeniten és a n átmenô égi fôkör és egyben az égbltfény plarizációirány-mintázatának tükörszimmetria-tengelye is. E tengely akkr is meghatárzható, amikr a nem látható. Olyankr, amikr az égblt plarizációs mintázata például füst vagy teljes napfgyatkzás miatt rendellenes [2], az e mintázat segítségével tájékzódó rvark el is tévedhetnek [4, 5]. Bár a szürkületi (a napnyugta utáni alknyati és a napkelte elôtti pirkadati) égblt plarizációját szórványsan már tanulmányzták [6], tvábbá összehasnlíttták a telihld, illetve a által megvilágíttt tiszta égblt plarizációs mintázatait [2], a és a által megvilágíttt ég plarizációs jellemzôinek szürkületkri váltzását még nem vizsgálták. E hiány pótlására 18 látószögû képalktó plarimetriával mértük az égbltfény plarizációs mintázatainak váltzását szürkületkr részleges hldfázis (78% és 72%) és telihld (100%) mellett. E váltzás ka, hgy például napnyugtakr a légkörben szórt napfény intenzitása flyamatsan csökken, amit fkzatsan elnym az 74 FIZIKAI SZEMLE 2015 / 3

2 a) fénykép b) p plarizációfk c) a plarizációszög 03:33 (100%) e) f) 04:23 g) h) i) 05:13 (napkelte) kitakart, CCD-mentes, vagy túlexpnált terület fénykép p plarizációfk a) b) c) (72%) p lineáris 0% 100% plarizációfk a plarizációszög ábra. Mint az 1. ábra, április 26-án napkelte elõtt, telihldkr (100%-s hldfázis mellett). (a, b, c) 03:33. (d, e, f) 04:23. (g, h, i) 05:13. : szláris Arag-pnt. : szláris Babinet-pnt. : lunáris Babinet-pnt. : lunáris Arag-pnt. a helyi meridiántól mért a plarizációszög 03:04 e) f) 03:28 CCD-mentes túlexpnált g) h) i) 03:56 (napkelte elõtt) CCD-mentes 4. ábra. Mint az 1. ábra, június 28-án napkelte elõtt, 72%-s hldfázis mellett. (a, b, c) 03:04. (d, e, f) 03:28. (g, h, i) 03:56. : szláris Arag-pnt. : szláris Babinet-pnt. : lunáris Babinet-pnt. : lunáris Arag-pnt. : szláris neutrális pnt. : lunáris neutrális pnt. HORVÁTH, FARKAS, SZÁZ, EGRI, BARTA, BARTA, KOVÁCS, CSÁK, JANKOVICS, SZABÓ: A HOLD ÉS NAP ÁLTAL MEGVILÁGÍTOTT ÉGBOLT 75

3 p max p max 0,7 a) március 22., lunáris napnyugta, 78% szláris 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 19:09 nappal szürkület 0 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 1:00 idõ (GMT + 1 óra) 0,7 c) április 26., lunáris/szláris napkelte, 100% 0,6 0,5 0,4 0,3 p max p max 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 b) nappal 19:57 szürkület lunáris/szláris április 25., napnyugta, 100% 19:23 20:23 21:23 22:23 23:23 0:23 1: június 28., napkelte, 72% lunáris szláris 0,2 5:46 nappal 0,1 szürkület 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 0,1 0 szürkület nappal 2:07 2:37 3:07 3:37 4:07 4:37 5:07 5:37 5. ábra. Az égbltfény p lineáris plarizációfkának p max maximuma és szórása a spektrum tartmányában az idô függvényében az 1. (a), 2. (b), 3. (c) és 4. ( ábra négy különbözô szituációjára. A p-értékeket kis, kör alakú égi területeken átlagltuk a tól (üres körök) és a tól (vastag fekete körök) 9-ra. A beillesztett képek tipikus p-mintázatkat mutatnak, amelyek idôpntját nyilak jelzik. A fehér és fekete pntk a és a helyzetét mutatják. A kitakart égrészeket kckás mintázat jelöli. 5:00 erôsödô szórt hldfényé. Emiatt a napfény által megvilágíttt égblt plarizációs mintázata fkzatsan alakul át a hldfény által megvilágíttt égblt plarizációs mintázatává. Cikkünkben megmutatjuk, hgy miben tér el a csak a vagy csak a által megvilágíttt ég plarizációs mintázata a hldfényes szürkületi égbltétól. Elemezzük tvábbá e plarizációátalakulás lehetséges hatásait az éjjel vagy szürkületkr aktív, plarizációérzékeny állatk, valamint a feltételezetten plarizáló napköveket használó viking hajósk tájékzódására [7]. Mérési és számítási módszerek A 18 látószögû égblt-plarimetriai méréseinket az Estrat Kutató és Fejlesztô Kft. által épített képalktó plariméterrel végeztük, amit a szmbathelyi Gthard Obszervatórium egyik épületének tetejére telepítettünk (47 15,481 É, 16 36,213 K). E mûszernek 3 kamerája van (Imaging Surce DFK41BU02, Németrszág), amelyek egy-egy halszemptikával (FE185C046HA-1, Japán) és közvetlenül a kamerák CCD-lapkája elé helyezett lineáris plárszûrôvel (Edmund Optics, , USA) rendelkeznek. A plárszûrôk áteresztési iránya 100,27, 45,39 és 142,28 szöget zár be a kamerák belsô visznyítási irányával az óramutató járásával megegyezô irányban. A kamerák a lineáris plarimetriáhz szükséges plarizációs felvételeket azns beállításk mellett készítették. Mivel a kamerák által láttt égi bjektumk a kamerák közti távlságkhz képest igen távl helyezkednek el, ezért a parallaxishiba elhanyaglható mértékû. A kamerák kimenetén megjelenô nyers képeken a vörös, zöld és kék digitális intenzitásértékek a fényintenzitással egyenes arányban állnak. Mindhárm kamerában a halszemptikák által alkttt, 4,6 mm átmérôjû kör alakú kép vetül a 4,4 mm 5mm méretû CCD-érzékelôre, ezért e kép egy-egy vékny körszelete alul és felül lemaradt. A és azimut- és elevációszögét csillagászati-földrajzi számításkkal határztuk meg, számításba véve a légköri fénytörést is. Az égblt α plarizációszög-mintázatának minden egyes képpntja a helyi meridiánhz képesti rezgéssík irányát adja meg az ég adtt pntjában. E mintázat antiszimmetrikus a szláris-antiszláris meridiánra 76 FIZIKAI SZEMLE 2015 / 3

4 a) c) azimutszög égblt-plarizáció szimmetriatengelye (72%) azimutszög (100%) égblt-plarizáció szimmetriatengelye szürkület nappal 02:00 03:00 04:00 05:00 06: b) 2 nappal szürkület szürkület nappal 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00 08: zenitszög 5 4 zenitszög szürkület nappal 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 1 nappal szürkület szürkület nappal 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 6. ábra. (a) A és a azimutszöge, valamint az égblt α 9 -mintázatának szimmetriatengelye (ahl α az égbltfény plarizációszöge) az idô függvényében (nyári idôszámítás, greenwichi világidô + 2 óra) képalktó plarimetriával mérve a spektrum, zöld (550 nm) és tartmányában Szmbathelyen (47 15,481 É, 16 36,213 K) június 28-án, 72%-s hldfázis esetén. (b) Az lunáris Babinet-pnt (másnéven szláris Arag-pnt) zenittôl mért szögtávlsága az idô függvényében ugyanarra az esetre, mint (a). (c, : Mint (a) és (b), április án telihldkr, a 2., 3. és 5.b c ábrák szituációjával megegyezôen. nézve, aznban a szögértékbôl 9-t kivnva, majd abszlútértéket képezve kapjuk a már szimmetrizált α -mintázatt minden képpntra: θ = 1 2 arctan 2 μ 11. μ 20 μ 02 (4) α = α 9. (1) A szimmetrizált α -mintázat szimmetriatengelyének irányát a képi mmentumk segítségével határztuk meg. Egy kép M jk mmentumait adtt spektrális tartmányban a következôképpen számítjuk: M jk = f (x, y) x j y k dx dy, (2) ahl f (x,y) az intenzitás értéke a kép (x,y) krdinátájú pntjában adtt spektrális tartmányban, M 00 a kép össz-intenzitása, M 10 /M 00 = x c és M 01 /M 00 = y c pedig a kép középpntjának krdinátái. A kép centrális mmentumainak definíciója: μ jk = f (x, y)(x x c ) j (y y c ) k dx dy. (3) A szimmetrizált α -mintázat szimmetriatengelyének irányát jellemzô szög egy referenciairánytól mérve: Az égblt lineáris plarizációfk-mintázatán kiválasztttuk azn régiókat, amelyeken a p plarizációfk kisebb, mint a p * = 10% küszöbérték. E küszöb alkalmas megválasztása esetén minden p -mintázatn csak két kis plarizációfkú tartmány adódtt, amelyek középpntjaiban vltak a plarizálatlan (p = 0%) neutrális pntk. E neutrális pntk helyét az azimutés zenitszöggel jellemeztük. A, illetve által megvilágíttt égblt közötti plarizációátmenet számítógépes mdellezésének céljából kiszámítttuk e két égi fényfrrás által létrehztt plarizációs mintázatk lineárkmbinációját. A és adtt állásai mellett a szórt égbltfény intenzitáselszlását az egyszeres szórásn alapuló Rayleigh-mdell alapján határztuk meg [1], míg a plarizációfk és -szög mintázatait a Berrymdell [3] segítségével számítttuk. Adtt - és -állás esetén az égblt minden egyes pntjában meghatárztuk az S =(I,Q,U) Stkes-vektrt az I in- HORVÁTH, FARKAS, SZÁZ, EGRI, BARTA, BARTA, KOVÁCS, CSÁK, JANKOVICS, SZABÓ: A HOLD ÉS NAP ÁLTAL MEGVILÁGÍTOTT ÉGBOLT 77

5 fénykép p lineáris 0% 100% plarizációfk kitakart, CCD-mentes, vagy túlexpnált terület helyi meridiántól mért a plarizációszög kitakart, CCD-mentes, vagy túlexpnált terület fénykép a) (72%) b) p lineáris plarizációfk a plarizációszög (72 %) a helyi meridiántól mért a plarizációszög a plarizációszög c) 7. ábra. Tiszta égblt 18 látószögû képalktó plarimetriával készített fényképe, valamint az égbltfény p lineáris plarizációfkának és a helyi meridiántól az óramutató járásával megegyezõ irányban mért a plarizációszögének mintázata a spektrum, zöld (550 nm) és tartmányában június 28-án 03:25-kr, napkelte elõtt Szmbathelyen 72%-s hldfázis mellett. A hriznt alatti és a hriznt fölötti helyét sárga és fehér pntk jelzik. Az a-mintázatn fekete és fehér flytns vnalak mutatják a szlárisantiszláris és lunáris-antilunáris meridiánkat, míg a szaggattt vnalak az a 9 -mintázatk szimmetriatengelyét jelölik. fénykép 03:00 03:32 03:52 a) b) c) a 90 p < 10% 0 90 a 90 plarizációszög és p < 10% e) a 90 plarizációszög és p < 10% e) (72%) kitakart, CCD-mentes, vagy túlexpnált terület 0 a ábra június 28-án napkelte elõtt Szmbathelyen 72%-s hldfázis mellett végzett mérések. (a, b, c) 03:00-kr, 03:32-kr és 03:52-kr készített fényképek. (d, e, f) Az ég a 9 mintázatai a spektrum tartmányában. A pirs színû égbltterületeken az égbltfény p lineáris plarizációfka < 10%. A sárga és fehér vnalak a szláris-antiszláris és lunáris-antilunáris meridiánkat mutatják. A hriznt alatti és a hriznt fölötti helyét sárga és fehér pntk jelzik., és, illetve, és : szláris, illetve lunáris Arag-, Babinet- és neutrális pnt. Zöld vnal: az a 9 -mintázat szimmetriatengelye. 90 f) p < 10% 9. ábra. (a) június 28-án 03:25-kr, 72%- s hldfázis mellett Szmbathelyen készült égbltfénykép. (b) Az égbltfény a plarizációszögének mintázata a spektrum kék (450 nm) tartmányában. A fekete pálcikák az átlags helyi plarizációirányt mutatják. (c) Szimulált a-mintázat w = 1 súlyzással, ami azt jelenti, hgy a szórt napfény és hldfény égbltplarizációhz való járuléka azns. ( Az ég a 9 -mintázata a spektrum tartmányában. A sárga és fehér vnalak a szláris-antiszláris és lunáris-antilunáris meridiánkat mutatják, a zöld vnal pedig az a 9 -mintázat szimmetriatengelyét jelöli. (e) Mint, ahl a pirs szín azn égbltterületeket jelöli, ahl a p lineáris plarizációfk kisebb, mint 10%., : szláris és lunáris neutrális pnt. A hriznt alatti és a hriznt fölötti helyét sárga és fehér pntk jelzik. 78 FIZIKAI SZEMLE 2015 / 3

6 tenzitás, p lineáris plarizációfk és α plarizációszög mért értékeibôl [2]. A hz és hz tartzó Stkes-vektr-mintázatkat kmpnensenként összeadtuk egy w súlyfaktr figyelembevételével, ami azt jelenti, hgy a járuléka a énak w -szerese (például w = 1 esetén a és szórt fénye azns mértékben járul hzzá az égblt-plarizációhz). Végül az eredô Stkes-vektr-mintázatk I, p és α összetevôit határztuk meg, és színkódlással ábrázltuk. Eredmények Az 1 4. ábrák a tiszta égblt fényképét mutatják a p lineáris plarizációfk és az α plarizációszög mintázataival együtt a spektrum tartmányában napnyugta után (1., 2. ábra) és napkelte elôtt (3., 4. ábra) különbözô napkn, amikr a hldkrng 78%-a (1. ábra), 100%-a (2., 3. ábra) és 72%-a (4. ábra) napsütöttnek látsztt. Amíg az égen a szórt napfény dminált (1.a ábra), addig a szláris Arag () és Babinet () plarizálatlan (neutrális) pntk jelentek meg az égblt-plarizáció p -mintázataiban (1.b ábra). Amikr a szórt hldfény vlt dmináns (1.g ábra), akkr a lunáris Babinet () és Brewster (lbr) neutrális pntk vltak megfigyelhetôk (1.h ábra). Az α-mintázatkban e neutrális pntk tt helyezkednek el, ahl az α plarizációszög hirtelen 9-t váltzik egy meridián mentén (1.c, 1.i ábra). E neutrális pntk mindig a szláris-antiszláris (1.b c ábra), illetve a lunáris-antilunáris (1.h i ábra) meridián mentén helyezkednek el, ha a szórt napfény (1.a ábra), illetve hldfény (1.g ábra) dminál. Ha aznban a szórt napfény és hldfény hasnló intenzitású (1.d ábra), akkr az szláris (hz közelebbi) és az lunáris (hz közelebbi) neutrális pntk a szláris-antiszláris és a lunáris-antilunáris meridiánn kívül helyezkednek el (1.e f ábra). A 2. ábrán jól látható, hgy telihldkr a szláris és, valamint a lunáris és neutrális pntk rendre a szláris-antiszláris és a lunáris-antilunáris meridián mentén helyezkednek el. Az átmeneti helyzetben, amikr a szórt napfény és hldfény közel egyfrma erôsségû (2.d ábra), a neutrális pntk elnevezése kettôs: a hz közelebbi neutrális pntt egyaránt hívhatjuk szláris Babinet- vagy lunáris Arag-pntnak, míg a hz közelebbit nevezhetjük lunáris Babinet- vagy szláris Arag-pntnak (2.e f ábra) is. A 3. ábrán látható, hgy telihldas napkelte elôtt a napfény és hldfény által megvilágíttt égblt plarizációs mintázatai közti átmenet hasnló a telihldas napnyugta után bekövetkezô átmenethez (2. ábra), csupán a váltzásk idôrendje frdíttt. A 4. ábra szerinti részleges (72%) hld idején az égblt-plarizáció hasnlóan megy át a napfény általi megvilágításból a hldfény általi megvilágításba, mint napnyugta után (1. ábra) részleges hldkr (78%), csupán a váltzásk idôrendje frdíttt. Az 5. ábra az égbltfény p max maximális plarizációfkát mutatja a spektrum tartmányában az idô függvényében az 1 4. ábrákn látható négy különbözô alknyati szituációra. Az 5.a ábra szerint napnyugta elôtt a szórt napfény által létrehztt p max jelentôsen nagybb, mint a szórt hldfény keltette maximális plarizációfk, de e két p max -érték fkzatsan csökken és összelvad napnyugta után. Ugyanez a jelenség játszódik le napkeltekr is, csak frdíttt srrendben (5.d ábra): napkelte elôtt a szórt nap- és hldfény által keltett p max -értékek majdnem aznsak, és napkelte után szétválnak úgy, hgy a nagybb p max -t hz létre, mint a. Telihldkr a szórt nap- és hldfény által keltett p max -értékek az égblt ugyanazn területén helyezkednek el. Amint az 5.c ábrán látható, p max az idôvel kissé csökken egészen napkeltéig, azután napkelte után gyrsan növekszik a maximális 61%-ig. Az 5.b ábrán ugyanez látható frdíttt idôbeli srrendben: p max röviddel napnyugta elôtt a legnagybb (63%), azután gyrsan csökken. Az 5.b ábrán p max napnyugta után ér el egy újabb, kisebb csúcsértéket. Ez utóbbi aznban egy kausztikának köszönhetô mûtermék, amit a képalktó plariméter mûanyag védôkuplájáról történô fényvisszaverôdés kztt. Az 5.b ábrán szaggattt vnal jelöli az elméleti várakzást. Mind részleges hld, mind telihld idején p max közvetlenül napkelte elôtt vagy napnyugta után minimális (5. ábra). A 6.a ábra a, a és az égblt-plarizáció szimmetriatengelyének azimutszögét mutatja az idô függvényében a spektrum, zöld (550 nm) és tartmányaiban, amikr a hldkrng 72%-a napsütötte a 4. és 5.d ábrák szituációira. A 6.a ábrán látható, amint a lunáris és, majd a szláris és lunáris, késôbb pedig a szláris és neutrális pntkn átmenô meridiánnal egybeesô szimmetriatengely a lunáris meridiántól a szláris meridiánig frdult. Amikr az égen a szórt hldfény dminált (4.a c ábra), akkr az égblt-plarizáció szimmetriatengelye egybeesett a lunáris-antilunáris meridiánnal. Ha a szórt napfény vlt dmináns (4.g i ábra), akkr a plarizáció szimmetriatengelye a szláris-antiszláris meridiánnal egyezett meg. Mikr pedig a szórt hldfény és napfény hasnló intenzitású vlt (4.d f ábra), akkr a szimmetriatengely iránya napkelte elôtt a lunáris-antilunáris meridiánból válttt át a szláris-antiszláris meridiánba (6.a ábra) és frdítva: napnyugta után a szláris-antiszláris meridiánból válttt át a lunáris-antilunáris meridiánba. E váltást megelôzôen a szimmetriatengely kissé lemaradt a lunáris-antilunáris meridiántól: az elôbbi azimutszöge kicsit nagybb vlt, mint az utóbbié az átmeneti idôszakban (6.a ábra). A szimmetriatengely lunáris-antilunáris és szláris-antiszláris meridián közti átmenete egy enyhe diszperzióval rendelkezett: az átmenet elôször a kék, azután a zöld, végül a vörös spektrális tartmányban történt meg (6.a ábra). A 6.b ábra az lunáris Babinet neutrális pnt θ Ba zenitszögét mutatja az idô függvényében ugyanazn szituációra, mint a 6.a ábrán. Az lunáris Babinet- HORVÁTH, FARKAS, SZÁZ, EGRI, BARTA, BARTA, KOVÁCS, CSÁK, JANKOVICS, SZABÓ: A HOLD ÉS NAP ÁLTAL MEGVILÁGÍTOTT ÉGBOLT 79

7 pnt mindhárm spektrális tartmányban elôször közeledett a zenithez, majd fkzatsan távldtt attól. A neutrális pntk az α plarizációszög mintázatában szereplô zöld-kék nylcas alakzat csúcsában helyezkednek el. A 6.b ábra szerint e nylcas alakzat sugárirányú kiterjedése elôször csökkent, majd növekedett az idôvel, amint a 4.c, 4.f, 4.i ábrákn is látható. Alknyatkr és napközben az neutrális pnt θ Ba zenitszöge növekedett a hullámhsszal, tvábbá θ Ba elôször a kék, majd a zöld, végül a vörös spektrális tartmányban érte el a minimumát (6.b ábra). A 6.c d ábra ugyanazt mutatja, mint a 6.a b, csak telihldkr (e szituációk ugyanazk, mint a 2., 3. és 5.b c ábrákéi). A 6.c ábra szerint telihldkr az égblt-plarizáció szimmetriatengelye gyakrlatilag megegyezik az egybeesô szláris-antiszláris és lunáris-antilunáris meridiánkkal. Éjszaka és késô alknyatkr e szimmetriatengely kissé eltér az említett meridiánktól, de ezen eltérés az égbltfény kis intenzitása által kztt zaj miatt is elôfrdulhat, és az alknyat végéhez közeledve a szórt napfény erôsödésével gyakrlatilag el is tûnik (6.c ábra). A 6.d ábra szerint telihldkr az lunáris Babinet-pnt θ Ba zenitszögének diszperziója és idôbeli váltzása hasnló ahhz, amit részleges hld (72%) idején figyeltünk meg (6.b ábra). A 7. ábrán az égblt-plarizáció szimmetriatengelyének diszperziója látható az α plarizációszög-mintázatn napkelte elôtt, részleges hld (72%) esetén: A és spektrális tartmánykban e szimmetriatengely közel van a lunáris-antilunáris meridiánhz, míg a kékben (450 nm) már a lunáris-antilunáris és a szláris-antiszláris meridiánk között helyezkedik el. E szituáció a 6.a ábrán is elôfrdul. A 8. ábrán hárm különbözô idôpntban azn égbltterületek láthatók, ahl p < 10% a spektrális tartmányban részleges hld (72%) esetén, amely szituáció azns a 4. és 5.d ábrákéval. A 8.d ábrán az lunáris Babinet és az lunáris Arag neutrális pntk a lunáris-antilunáris meridián mentén helyezkednek el, az égblt-plarizáció szimmetriatengelye pedig egybeesik a lunáris-antilunáris meridiánnal. A 8.e ábrán az szláris neutrális pnt és az lunáris neutrális pnt az égblt-plarizáció szimmetriatengelyén van. A 8.f ábrán az szláris Babinet és az szláris Arag neutrális pnt a szláris-antiszláris meridián mentén található, és az égblt-plarizáció szimmetriatengelye megegyezik a szláris-antiszláris meridiánnal. A 9.b és 9.c ábrák az égbltfény α plarizációszögének a spektrum tartmányában mért és szimulált mintázatait mutatják részleges hld (72%) esetén, amely szituációk a 4. és 5.d ábrákéival egyezôek. A szimuláció w = 1 súlyzással történt, azaz amikr a szórt hldfény és napfény égblt-plarizációhz való járuléka azns vlt. Bár a mért α-mintázat zajs, kvalitatíve hasnló a szimulált α-mintázathz. A 9.d ábra azt a szituációt mutatja, mikr az égblt-plarizáció szimmetriatengelye a szláris-antiszláris és a lunáris-antilunáris meridián közötti. A 9.e ábrán a szláris és lunáris neutrális pntk a p < 10% plarizációfkú égbltterületeken belül helyezkednek el az égblt-plarizáció szimmetriatengelye mentén. Az eredmények értelmezése és bilógiai vnatkzásai A földfelszínrôl nézve a tiszta égblt egyetlen dmináns égi fényfrrás (a vagy a ) esetén egyidejûleg két plarizálatlan (neutrális) pnttal rendelkezik [1, 2]. Alacsny napmagasság mellett (míg a a hriznttól mérve 25-3 alatt jár) 25-3-kal a fölött a szláris Babinet-pnt és 25-3-kal az anti- fölött a szláris Arag-pnt jelenik meg. Mikr a 25-3 fölött jár a hriznttól mérve, akkr a fölötti szláris Babinet-pnt mellett a kal a alatt található szláris Brewsterpnt van jelen az égen. 800 méternél nagybb földfelszín fölötti magasságkból a légkör negyedik szláris neutrális pntja is megfigyelhetô 2-3-kal az anti- alatt [1]. A lunáris neutrális pntk figyelhetôk meg, ha a a hriznt fölött tartózkdik [2]. A neutrális pntk rendesen mindig a szláris-antiszláris, lunáris-antilunáris meridián mentén helyezkednek el, tvábbá a tól, tól, valamint az anti-tól, anti-tól való szögtávlságuk a, magasságától, a légköri aerszl-kncentrációtól és a földfelszíni reflexióktól függ [1, 2]. Részleges hldfázis idején a szürkületi ég szláris és lunáris neutrális pntjai (1., 4., 8.e, 9.c és 9.e ábrák) nem a szláris-antiszláris vagy lunáris-antilunáris meridián mentén helyezkednek el, amikr a szórt hldfény és napfény versenyez egymással a hld- és napsütötte légkörben, a napkeltét megelôzôen vagy közvetlenül napnyugta után. Az említett meridiánkn kívül esô és neutrális pntk szürkületi égen való elôfrdulása a részleges hldfáziskr a légkörben lezajló összetett, többszörös fényszórási események eredménye, amikr a szórt napfény és hldfény intenzitása közel azns nagyságrendû. Azn eredményünk, hgy a szürkületi égrôl érkezô fény plarizációfkának p max maximuma csökken az átmeneti periódusban (5. ábra), szintén a napfény és hldfény légkörbeli többszörös szóródásával magyarázható. Mikr a hldfény és napfény egymással verseng, a két különbözô fényfrrás ( és ) egyaránt hzzájárul a légköri fényszóródáshz, ami növeli a többszörös szórás égblt-plarizációra gyakrlt hatását. A többszörös szórás csökkenti az égbltfény plarizációfkát [1]. A többszörösen szórt fény plarizációiránya nem mindig merôleges a szórás síkjára, amit a dmináns égi fényfrrás ( vagy ), az észlelô helye és a megfigyelt égi pnt határz meg. Amikr a plarizációirány párhuzams a szórási síkkal, akkr negatívan (vagy rendellenesen) plarizált fényrôl beszélünk, ha pedig a plarizációirány merôleges a szórási síkra, akkr pzitívan (vagy rendesen) 80 FIZIKAI SZEMLE 2015 / 3

8 plarizált fényrôl van szó [1]. A többszörös szórás negatívan plárs fényt kelt a túlnymórészt pzitívan plárs légkörhöz. A rendes (Arag, Babinet, Brewster és a negyedik) neutrális pntk tt helyezkednek el, ahl a pzitívan és negatívan plárs fény intenzitása egyenlô, a plarizációszög pedig 9-t ugrik, amikr áthaladunk egy neutrális pntn annak meridiánján keresztül. Így tehát a neutrális pntk léte a többszörös szórás egyik legfntsabb következménye. Szürkületkr, amikr két hzzávetôlegesen azns intenzitású égi fényfrrás, a és a is jelen van az égen, a plarizációs mintázatk e két frrás kölcsönhatásától függenek, és részleges hld esetén kialakul a szürkületi ég szláris-antiszláris és lunáris-antilunáris meridiánjain kívüli két közbülsô és neutrális pntja (9.c, 9.e ábra). Részleges hld mellett a szürkületi égen megjelenô, szláris-antiszláris és lunáris-antilunáris meridiánkn kívüli és neutrális pntkat krábban még senki sem figyelte meg. Ennek egyik ka, hgy egy ilyen megfigyeléshez a teljes égbltt vizsgálni képes képalktó plariméter szükséges. Ráadásul, ezen átmeneti neutrális pntk csak egy visznylag rövid ideig (alacsny vagy közepes földrajzi szélességeken mindössze percig) figyelhetôk meg a részleges hld melletti szürkületkr (6.a ábra). Ezért skkal kisebb valószínûséggel észlelhetôk ezen átmeneti neutrális pntk a nappal és éjjel egyaránt akár 8-10 órán át is látható rendes neutrális pntkhz képest. Telihld idején az ég két neutrális pntja mindig a szláris-antiszláris és lunáris-antilunáris meridiánk mentén van a szürkületi plarizációátmenet idején. Ennek ka, hgy telihldkr a és a szintén a szláris/lunáris-antiszláris/antilunáris meridián mentén helyezkedik el, és így a lunáris Arag-pnt egybeesik a szláris Babinet-pnttal, a lunáris Babinet-pnt pedig egybeesik a szláris Arag-pnttal. A hldfényes szürkületi égblt fönt említett plarizációátmenete hatással lehet a következô plarizációérzékeny, szürkületkr vagy éjjel aktív állatk térbeli tájékzódására, tvábbá a viking hajósk hiptetikus égblt-plarizációs navigációjára. A Scarabaeus zambesianus galacsinhajtó bgarak a galacsinglyójukat a közpnti trágyakupactól egy egyenes mentén görgetik sugár irányban kifelé, hgy minél hamarabb eltávldhassanak a kupactól, ahl sk fajtársuk tlng a lárvák fejlôdéséhez szükséges, értékes nyersanyagra vadászva, miközben gyakran egymástól lpják el a már kész galacsint. A galacsin egyenes mentén történô görgetése srán a nappal aktív galacsinhajtók a iránya alapján tartják a galacsin egyenes pályáját, amikr pedig a t felhôk takarják, akkr a napsütötte égblt plarizációs mintázatából következtetik ki a irányát [2]. lemente után, amikr a nem látható, az éjjel aktív galacsinhajtók tájékzódása kizárólag a szürkületi égblt szórt napfény által keltett plarizációs mintázatára épül. Amikr a fölkel, a galacsinhajtók navigációja a szórt hldfény által létrehztt plarizációs mintázat alapján flytatódik. E plárs szórt hldfény intenzitása fkzatsan csökken, ahgy a hldkrng által megvilágíttt hányada csökken. Még a hldsarló körüli rendkívül kis intenzitású égblt-plarizációs mintázat is elegendô az aktív galacsinhajtóknak ahhz, hgy egyenes mentén görgessék a galacsint. A szürkületben és éjjel aktív Megalpta genalis trópusi méh a panamai erdôkben perccel napkelte elôtt repül ki a fészkébôl és percig kutat táplálék után, mielôtt visszatér da [8]. nyugtakr ugyanezen viselkedés idôben frdítttan jelentkezik. E méhfaj szemei szélsôségesen kis intenzitású fény melletti látásra specializálódtak és vélhetôen képesek érzékelni az égblt plarizációját is. Feltételezhetô, hgy e méhek az égblt plarizációja alapján is tudnak tájékzódni a szürkületi/éjjeli táplálékszerzô útjaik srán. Az éjjel aktív ausztrál Myrmecia pyrifrmis hangya is használja a plárs égbltfényt szürkületi iránytûként [9]. Szürkületkr a költözô madaraknak is szüksége lehet az égblt-plarizációra ahhz, hgy a sötétben történô repülésükhöz beállítsák belsô mágneses iránytûjüket, hiszen a velük végzett tájékzódási kísérletek srán eltévedtek, amikr csak deplarizált égi ptikai (intenzitás/szín) mintázatkat láthattak [2]. Tájékzódásuk és navigálásuk srán egyes szürkületkr és/vagy aktív halak és vízi rákk is használják az égblt plarizációs mintázatát a sima vízfelszín Snellius-ablakán keresztül érzékelve azt [2]. Széles körben elfgadtt és gyakran idézett hiptézis, hgy a viking hajósk a tengeri útjaik alatt képesek lehettek a felhôk vagy a hriznt által eltakart helyét megállapítani egy napkônek nevezett rejtélyes kristály (például kalcit, turmalin vagy krdierit) segítségével [2]. sütésben (mágneses iránytû hiányában) egy napiránytûvel tájékzódtak, ám amikr a nem látsztt, akkr annak égbltn elfglalt helyét az égblt-plarizáció elemzésével következtették ki egy plárszûrôként mûködô napkôvel. A fönti állati és emberi tájékzódási/navigálási típusk a szláris-antiszláris vagy a lunáris-antilunáris meridián ismeretén alapulnak, ami egybeesik a napsütötte vagy hldvilágs ég plarizációs mintázatának szimmetriatengelyével. Ám ahgyan cikkünkben megmutattuk, közepes (47 ) földrajzi szélességek mentén részleges hld mellett szürkületkr van egy perces átmeneti idôszak, amikr (i) az égbltfény p max plarizációfka csökken, (ii) a flytnsan váltzó helyû két neutrális pnt nem a szláris-antiszláris vagy lunáris-antilunáris meridián mentén helyezkedik el, és (iii) az égblt plarizációs mintázatából sem a szláris-antiszláris, sem a lunáris-antilunáris meridián nem határzható meg. Következésképpen az égblt-plarizációra épülô, fönt említett állati tájékzódás és viking navigáció lehetetlenné válhat e szürkületi átmeneti idôszakban, aminek idôtartama jelentôsen növekszik magasabb földrajzi szélességeken, amikr a és égi útvnala hsszú idôn át a hriznthz közel halad, és így a szürkületi periódus akár órákig, napkig is tarthat. HORVÁTH, FARKAS, SZÁZ, EGRI, BARTA, BARTA, KOVÁCS, CSÁK, JANKOVICS, SZABÓ: A HOLD ÉS NAP ÁLTAL MEGVILÁGÍTOTT ÉGBOLT 81

9 Habár a szóban frgó szürkületi átmeneti idôszak mindössze perc az alacsny és közepes földrajzi szélességek mentén, az égblt-plarizáció ez alatti anmáliájából eredô tájékzódási zavart nem szabad alábecsülni. Mindezt jól szemlélteti például az a megfigyelés, hgy a táplálékszerzô, viráglátgató háziméhek (Apis mellifera) jelentôs hányada nem tért vissza a méhkasba egy teljes napfgyatkzás csupán 2 perces ttalitása után [2, 4]. Nemcsak az égbltfény intenzitásának és színének, hanem p plarizációfkának és α plarizációszögének mintázata is drasztikus váltzásn esik át teljes napfgyatkzásk ttalitásakr a jelentôsen megváltztt megvilágítási visznyk miatt [2]. fgyatkzáskr az égbltfény p plarizációfka általában jelentôsen csökken, és ha e csökkenés azn p* küszöbérték alá esik, ami egy adtt faj égblt-plarizáció alapján történô navigációjáhz szükséges plarizációérzékelés határa, akkr az állat megzavardhat, eltévedhet. Tvábbá, még ha p > p* a ttalitás alatt, az ekkr megfigyelhetô α-mintázat teljesen eltér a nrmál égbltétól [2]. Így a plarizációérzékeny állatk elkerülhetetlenül eltévednek, amikr a megváltztt α-mintázat alapján próbálnak tájékzódni. Egy javaslat szerint [2] a háziméhek teljes napfgyatkzás alatt megfigyelt tájékzódási zavarainak, valamint a kaptár 10-15%-át érintô eltévedésének [4] egyik ka az égblt ttalitáskr tapasztalható, természetellenes plarizációs mintázata lehet. A virágkhz való kirepülés elôtt a dlgzó háziméhek a kaptárban pntsan annyi táplálékt (mézet) vesznek magukhz, mint amennyi a virághz való elrepülésig és vissza elegendô energiafrrást jelent számukra. E távlságinfrmáció a hírvivô méh kaptárban lejtett megfelelô táncából következtethetô ki. Ha a nektár- és virágprgyûjtô méh eltéved (például az égblt teljes napfgyatkzás ttalitása alatt kialakuló rendellenes plarizációs mintázata következtében, vagy az égbltplarizáció szimmetriatengelyének szürkületkri anmális irányulása miatt), akkr üzemanyaga azelôtt elfgyhat, mielôtt visszatalál a kaptárhz. Ekkr az eltévedt méh menthetetlenül elpusztul, mivel üzemanyag hiányában nem tud visszarepülni vagy visszamászni a kaptárba. Egy másik esetet, ahl rvark tévedtek el a rendellenes égblt-plarizációs mintázat miatt, kanadai kutatók írtak le [5]. Az erdôtûzbôl eredôen füstös égblt plarizációs mintázata is többé-kevésbé megváltzik a nrmál égblthz képest [2]. Fôként az égbltfény p plarizációfka csökken drasztikusan a napfény füstszemcséken történô többszörös szóródásának deplarizáló hatása következtében. Égblt-plarizációs méréseink [2] magyarázattal szlgáltak a 2003 augusztusi erdôtüzes idôszakban a kanadai Brit Clumbiában megfigyelt repülve vándrló rvark füstös égblt alatti eltévedésére [5], aminek fô ka az égbltfény plarizációfkának az erdôtüzek füstje miatti csökkenése vlt. A legnagybb prbléma, amivel a plarizáció-érzékeny állatk szembesülnek, hgy az égblt-plarizáció nyújttta infrmáció, a plarizációs mintázat szimmetriatengelye részleges hld melletti szürkület idején flyamatsan és a / járásáhz képest gyrsan elfrdul, miáltal kérdéses, hgy miként képesek céljukat elérni, ha közben égi plarizációs iránytûjük mindig másfelé mutat. E szürkületi plarizációátmenetes idôszak könnyen kzhatja az érintett állatk eltévedését. Irdalm 1. Culsn, K. L.: Plarizatin and Intensity f Light in the Atmsphere. A Deepak Publishing, Hamptn, Virginia, USA, Hrváth G. (editr): Plarized Light and Plarizatin Visin in Animal Sciences. Springer Series in Visin Research, vlume 2 (2014) (series editrs: Shaun P. Cllin, Justin N. Marshall) Springer, Heidelberg, Berlin, Drdrecht, Lndn, New Yrk 3. Berry M. V., Dennis M. R., Lee R. L.: Plarizatin singularities in the clear sky. New Jurnal f Physics 6 (2004) Baldavári L.: Méhek viselkedésének váltzása az augusztus 11-i teljes napfgyatkzás hatására egy méhészetben. Állattani Közlemények 86 (2001) Jhnsn D. L., Naylr D., Scudder G.: Red sky in day, bugs g astray. Annual Meeting f the Canadian Assciatin f Gegraphers, Western Divisin, Lethbridge, Alberta, Canada, 12 March 2005, Abstracts, Crnin T. W., Warrant E. J., Greiner B.: Celestial plarizatin patterns during twilight. Applied Optics 45 (2006) Barta A., Farkas A., Száz D., Egri Á., Barta P., Kvács J., Csák B., Jankvics I., Szabó Gy., Hrváth G.: Plarizatin transitin between sunlit and mnlit skies with pssible implicatins fr animal rientatin and Viking navigatin: anmalus celestial twilight plarizatin at partial mn. Applied Optics 53 (2014) cver picture + 9 supplementary vide clips. 8. Warrant E. J., Kelber A., Gislen A., Greiner B., Ribi W., Wcisl W.: Ncturnal visin and landmark rientatin in a trpical halictid bee. Current Bilgy 14 (2004) Reid S. F., Narendra A., Hemmi J. M., Zeil J.: Plarized skylight and the landmark panrama prvide night-active bull ants with cmpass infrmatin during rute fllwing. Jurnal f Experimental Bilgy 214 (2011) Támgasd adód 1%-ával az Eötvös Társulatt! Adószámunk: FIZIKAI SZEMLE 2015 / 3