Biooptikai és légköri optikai jelenségek vizsgálata geometriai optikai és képalkotó polarimetrikus módszerekkel

Átírás

1 Biooptikai és légköri optikai jelenségek vizsgálata geometriai optikai és képalkotó polarimetrikus módszerekkel doktori értekezés tézisei Barta András Fizika Doktori Iskola Statisztikus fizika, biológiai fizika és kvantumrendszerek fizikája doktori program doktori iskola vezetője: prof. Horváth Zalán akadémikus doktori program vezetője: prof. Vicsek Tamás akadémikus témavezető: dr. habil. Horváth Gábor docens Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Fizikai Intézet Biológiai Fizika Tanszék Biooptika Laboratórium Budapest 2007

2

3 1. Célkitűzések Alkalmazott módszerek Néhány kivételtől eltekintve Földünkön a természetben előforduló fény elsődleges forrása a Nap. A csillagunk által kibocsátott fény sokféleképpen módosul, mielőtt eléri egy állat vagy ember szemét, és ott vizuális információvá alakul. A különféle optikai közegekben való szóródás, illetve a közeghatárokon történő törés és visszaverődés következtében a kezdetben polarizálatlan napfény sokszor polárossá válik és spektruma, valamint iránya is módosulhat. Az optikai környezetből jövő fény polarizációjában rejlő többletinformációt számos állat kihasználja például a tájékozódása vagy a zsákmányszerzése során. Ugyanakkor az emlősök agya az evolúció során annyira fejletté vált, hogy számukra nem szükséges a fény polarizációját érzékelni; az emiatt őket érő hátrányt bonyolult agyműködéssel ellensúlyozzák. Doktori értekezésemben célom volt a vizuális környezet néhány, az ember számára szokatlan vagy láthatatlan tulajdonságát megvizsgálni, és az eredmények felhasználásával egyes állatok és az ember bizonyos viselkedésére magyarázattal szolgálni. Disszertációmban a doktori ösztöndíjam három éve alatt ebben a tárgykörben végzett kutatásaim eredményeit foglaltam össze. 2. Alkalmazott módszerek 2.1. Nagylátószögű képalkotó polarimetria A szivárvány polarizációs mintázatának méréséhez a témavezetőm által korábban kifejlesztett 180 látószögű képalkotó polarimetriát használtam. Ennek lényege, hogy a teljes égboltot egy halszemoptikával felszerelt fényképezőgéppel képezzük le, melyben a fény útjába egy forgatható lineáris polárszűrőt helyezünk. Ugyanarról az égboltról három képet készítünk, mindhármat a polárszűrő eltérő (a mi esetünkben egy kiválasztott irányhoz képest 0 -os, 45 -os és 90 -os) áteresztési irányával. A három felvételt digitalizálva, az eredetileg szintén a témavezetőm által írt, és általam továbbfejlesztett számítógépes program segítségével kiértékeljük, aminek eredményeképpen minden képpontra megkapjuk a beérkező fény intenzitását, lineáris polarizációfokát és polarizációs irányát a spektrum vörös (650 nm ± 40 nm), zöld (550 nm ± 40 nm) és kék (450 nm ± 40 nm) tartományában Számítógépes légköri optikai modell A rovarok felhős ég alatti polarizációlátásának számítógépes vizsgálatára egy légköri optikai modellt fejlesztettem ki. Ennek alapja, hogy a rovar szemét felülről érő fény két forrásból származik: a felhőkből, illetve a rovar és a felhők közötti, Nap által megvilágított légrétegből. A felhő fénye a sok szóródás következtében szinte teljesen polarizálatlan, míg a 3

4 Alkalmazott módszerek Nap által megvilágított légréteg által szórt fény nagymértékben lineárisan poláros. A kétféle fény spektrumát is figyelembe véve, meghatározható az az optimális hullámhossztartomány, amelyben a legkönnyebb érzékelni a polarizációérzékeny állatok tájékozódásához elengedhetetlenül fontos égboltfény-polarizációt, vagyis amelyben a lineáris polarizációfok maximális Vízfelszínen megtört fénysugarak alkotta binokuláris képpontok számítása Számos állat és az ember látása is kihasználja, hogy a közeli tárgyakról a két szem kicsit eltérő képet lát. Ebből az eltérésből az agy meg tudja becsülni a tárgy távolságát. Ha egy levegőbeli tárgypontot két szemmel a víz alól nézünk, az a valóságos helyéhez képest máshol érzékelhető a fény vízfelszíni törésének köszönhetően. Általános esetben (a fejet a vízfelszínhez és a tárgyponthoz képest tetszőlegesen tartva) a tárgypont látszólagos helye analitikusan nem meghatározható. A jelenség vizsgálatára kifejlesztettem egy számítógépes programot, mely a fénytörés Snellius-Descartes-törvényének felhasználásával meghatározza a tárgypontnak a két szem által látott irányát. A tárgypont binokuláris képpontját a két szembe jutó megtört fénysugár által kijelölt látóegyenesek egymáshoz legközelebbi pontjai közötti felezőpontként definiáltam. Ez az eljárás az egymást metsző látóegyenesek esetében a triviális megoldás, de eredményt szolgáltat olyankor is, amikor a két látóegyenes térben kitérő. A számítógépes program ilyenkor a kitérés mértékét is meghatározza Pszichofizikai kísérletek Két pszichofizikai kísérletet végeztem annak meghatározására, hogy az ember milyen pontosan képes megbecsülni a felhők által takart, illetve a horizont közelében, de az alatt tartózkodó Nap helyét az égolton. Az első kísérletben 18 tesztalanynak 25 égboltképet vetítettem egyenként egy számítógép képernyőjére véletlenszerű sorrendben. E képeken a Napot felhők takarták. Minden egyes képet minden egyes tesztalany 2 mérési kampányban összesen 12 alkalommal láthatott. A pácienseknek a kép azon pontjára kellett a számítógép egerével kattintaniuk, ahol szerintük a Nap volt. Az eredményeket összegezve képenként meghatároztam a kattintások átlagos azimut- és elevációszögét, valamint az átlagos becsült nappozíción átmenő azon tengelyt (gömbi főkört), amelytől a kattintások szögtávolságnégyzetének összege minimális volt. Ezután kiszámítottam a páciensek által becsült nappozícióknak az így meghatározott tengelytől, valamint az erre merőleges tengelytől mért távolságainak szórásnégyzetét, valamint az átlagos azimutszög körüli szórását. 4

5 Tézisek A második kísérletben 15 alkonyati égboltképet mutattam a 18 tesztalanynak. Mindegyik képen a Nap a horizont alatt tartózkodott, így nem volt látható. Minden egyes képet minden egyes páciens összesen 6 alkalommal látott. Minden képre kiszámítottam a becsült nappozíció átlagos azimutszögét, és annak szórását A vízfelszín Snellius-ablakán átjutó égboltfény polarizációs mintázatának számítása A levegőből a vízbe jutó égboltfény lineáris polarizációja a vízfelszíni fénytörés miatt módosul. A sima vízfelület Snellius-ablakában kialakuló polarizációs mintázat meghatározásához tiszta égbolt mért polarizációs mintázatait és a Rayleigh-modell segítségével számolt égbolt-polarizációs mintázatokat használtam. A polarizációs mintázat minden egyes pontjában kiszámítottam a Stokes-vektor komponenseit, majd meghatároztam a polarizációs tulajdonságok vízfelszíni fénytörés következtében bekövetkező változásait leíró Mueller-mátrixot. A Mueller-mátrix és az égboltfény Stokes-vektorának szorzata megadja a Snellius-ablakon átjutó, megtört fény Stokes-vektorát, melyből meghatároztam a megtört égboltfény intenzitását, lineáris polarizációfokát és polarizációs irányát. 3. Tézisek 3.1. A szivárvány képalkotó polarimetrikus vizsgálata A finnországi Oulu város mellett 180 látószögű képalkotó polarimetriával egy kettős ívű szivárványról készült polarizációs felvételeket kiértékelve meghatároztam a szivárványnak és optikai környezetének polarizációs mintázatát a spektrum vörös (650 nm), zöld (550 nm) és kék (450 nm) tartományában. Kísérletileg igazoltam azt az elméleti jóslatot, hogy a szivárványívek a spektrum vörös tartományában (650 nm) sokkal nagyobb lineáris polarizációfokkal rendelkeznek, mint a kék tartományban (450 nm). Igazoltam, hogy a szivárvány fő- és mellékíve közötti Alexander-féle sötét sávban a lineáris polarizációfok erősen lecsökken a két szivárványív polarizációfokához képest. Kimutattam, hogy a szivárvány és a hátteréül szolgáló égbolt között polarizációs irányban nincs különbség. 5

6 Tézisek 3.2. A rovarok polarizációlátásának ultraibolya paradoxona Egy egyszerű légköri optikai modell segítségével meghatároztam a felhő, illetve a fa lombozat alatti fény lineáris polarizációfokát a felhő, illetve a lombozat megfigyelő feletti magasságát jellemző kontrollparaméter függvényében. Kiszámítottam a kontrollparaméter azon kritikus értékét, amikor a fény lineáris polarizációfokának maximuma éppen a λ = 400 nm-es hullámhosszra, vagyis az ultraibolya és a látható tartomány határára esik. Kimutattam, hogy a kontrollparaméter kritikusnál kisebb értékei esetén a lineáris polarizációfok maximuma az ultraibolya tartományba (λ < 400 nm) esik, míg az annál nagyobb értékek mellett a láthatóba (λ > 400 nm). Az eredményeim alapján a rovarok égboltpolarizáció-látásának ultraibolya paradoxonára javasoltam egy légköri optikai feloldást, mely kiküszöböli a korábbi magyarázatok gyengeségeit Víz alatti binokuláris képalkotás levegőbeli tárgyakról a szemek tetszőleges helyzete mellett Kiszámítottam a sík vízfelszín alól binokulárisan látott víz fölötti látótér geometriai szerkezetét a víz alatti szemek egymáshoz viszonyított helyének függvényében. Meghatároztam a víz fölötti képtér egyes pontjait néző két víz alatti szem látóegyenesének távolságát, mely arra utal, hogy mennyire képes a binokuláris látórendszer az adott képpontot egyetlen térbeli pontnak észlelni. Ábrázoltam a víz alól binokulárisan látott víz fölötti világ szerkezetét és a szemek látóegyeneseinek távolságát, mikor a tárgytér egy függőleges sík, egy vízszintes sík, három párhuzamos függőleges sík, illetve egy téglatest volt. Felhívtam a figyelmet arra, hogy fizikusoknak szánt magyar és angol nyelvű optikai tankönyvekben gyakran előfordul e probléma hibás megoldása, sőt a magyar érettségin is előfordult már olyan, e témakörhöz tartozó feladat, melynek nemcsak a hivatalosan elfogadandó megoldása, hanem már a kérdésfeltevése is hibás volt. 6

7 Tézisek 3.4. A Nap helyének vizuális meghatározása felhős és alkonyati égboltokat ábrázoló képeken Pszichofizikai vizsgálattal mértem, hogy felhős égboltot ábrázoló képeken milyen pontossággal tudják a tesztalanyok szabad szemmel megbecsülni a felhő mögötti, nem látható Nap helyét. Egy másik pszichofizikai kísérlettel azt mértem, hogy alkonyati égboltot ábrázoló képeken a páciensek szabad szemmel milyen pontosan képesek meghatározni a horizont alatti, de annak közelében lévő, nem látható Nap helyét. Eredményeim szerint a felhős és alkonyati égen nem látható Nap helyének szabad szemmel történő meghatározása semmiképpen sem tekinthető pontosnak. Ez cáfolja a polarimetrikus viking navigáció egyik közkeletű ellenérvét. Fontos azonban megjegyezni, hogy eredményeim magát a polarimetrikus viking navigáció hipotézisének valóságtartalmát sem nem erősítik, sem nem cáfolják, csupán e hipotézis egyik ellenérvének tarthatatlanságát bizonyítják A sima vízfelszín Snellius-ablakán átjutó égboltfény lineáris polarizációjának kísérleti és elméleti vizsgálata Tunéziában mért, illetve a Rayleigh-modell segítségevel számolt égbolt-polarizációs mintázatok alapján a sík vízfelszínen történő fénytörés Fresnel-elméletét felhasználva meghatároztam a víz alól a Snellius-ablakon át látható égbolt-polarizációs mintázatokat különböző napállások mellett a spektrum vörös (650 nm), zöld (550 nm) és kék (450 nm) tartományában. Az elméleti számításaimat statisztikai elemzéssel összahosonlítottam a tengerben mások által mért megfelelő égbolt-polarizációs mintázatokkal. Kimutattam, hogy a sík vízfelszíni fénytörés Fresnel-elmélete jól leírja az enyhén hullámzó vízfelszín Snellius-ablakán átjutó égboltfény nem túl mély vízben mérhető polarizációs mintázatát, amennyiben az elméleti jóslataim jól egyeztek a kísérleti eredményekkel. 7

8 4. Közlemények Közlemények 4.1. A doktori értekezés alapjául szolgáló közlemények [1] Barta A., Horváth G., Bernáth B., Meyer-Rochow, V. B. (2003) Imaging polarimetry of the rainbow. Applied Optics 42, [2] Barta A., Horváth G. (2003) Underwater binocular imaging of aerial objects versus the position of eyes relative to the flat water surface. Journal of the Optical Society of America A 20, [3] Barta A., Horváth G. (2004) Why is it advantageous for animals to detect celestial polarization in the ultraviolet? Skylight polarization under clouds and canopies is strongest in the UV. Journal of Theoretical Biology 226, [4] Barta A., Horváth G., Meyer-Rochow, V. B. (2005) Psychophysical study of the visual sun location in pictures of cloudy and twilight skies inspired by Viking navigation. Journal of the Optical Society of America A 22, [5] Sabbah, S., Barta A., Gál J., Horváth G., Shashar, N. (2006) Experimental and theoretical study of skylight polarization transmitted through Snell s window of a flat water surface. Journal of the Optical Society of America A 23, A doktori értekezés témájában megjelent további közlemények [6] Gál J., Horváth G., Barta A., Wehner, R. (2001) Polarization of the moonlit clear night sky measured by full-sky imaging polarimetry at full Moon: Comparison of the polarization of moonlit and sunlit skies. Journal of Geophysical Research D106, [7] Horváth G., Barta A., Gál J., Suhai B., Haiman O. (2002) Ground-based full-sky imaging polarimetry of rapidly changing skies and its use for polarimetric cloud detection. Applied Optics 41, [8] Horváth G., Bernáth B., Suhai B., Barta A., Wehner, R. (2002) First observation of the fourth neutral polarization point in the atmosphere. Journal of the Optical Society of America A 19,

9 Közlemények [9] Barta A., Suhai B., Bernáth B., Kriska Gy., Horváth G. (2006) Do brown pelicans mistake roads for water in deserts? Acta Zoologica (in press) [10] Barta A., Horváth G., Gál J., Suhai B., Haiman O. (2001) Felhőészlelés a Földről 180 látószögű képalkotó polarimetriával I. Fizikai Szemle 51, [11] Barta A., Horváth G., Gál J., Suhai B., Haiman O. (2001) Felhőészlelés a Földről 180 látószögű képalkotó polarimetriával II. Fizikai Szemle 51, [12] Suhai B., Horváth G., Bernáth B., Barta A., Bakos A., Wehner, R. (2002) Az utolsó polarizálatlan pont. Élet és Tudomány 57, [13] Barta A., Mizera F., Horváth G. (2004) Miért érdemes az égboltfény polarizációját az ultraibolyában érzékelni? Fizikai Szemle 54, [14] Horváth G., Barta A., Buchta K., Varjú D. (2005) Binokuláris ferde pillantás a vízfelszínen át. Fizikai Szemle 55, [15] Horváth G., Bernáth B., Suhai B., Barta A., Bakos A., Wehner, R. (2002) First observation of the fourth neutral polarization point in the atmosphere. Proceedings of the 12 th General Conference of the European Physics Society Trends in Physics 26G, [16] Horváth G., Barta A. (2003) How the position and shape of aerial objects viewed binocularly from water change versus head tilting. Proceedings of the 4 th European Biophysics Congress, Alicante p. 323 [17] Kriska Gy., Barta A., Suhai B., Bernáth B., Horváth G. (2006) Do brown palicans mistake asphalt roads for water in deserts? Proceedings of the 5 th Conference of the Working Group on Aquatic Birds of the International Society of Limnology, Eger p. 55 [18] Barta A., Horváth G., Gál J., Suhai B., Haiman O. (2001) Polarimetrikus felhőészlelés az állati navigáció kutatásának szolgálatában. A Magyar Biofizikai Társaság XX. Kongresszusa, Budapest, Kivonatok gyűjteménye 78. o. [19] Barta A., Buchta K., Horváth G. (2003) Binokuláris képalkotás a vízfelszínen át a szemek helyzetének függvényében. A Magyar Biofizikai Társaság XXI. Kongresszusa, Szeged, Kivonatok gyűjteménye 35. o. 9

10 Közlemények [20] Barta A., Horváth G. (2003) A polarizáció-érzékelés ultraibolya paradoxonának föloldása. A Magyar Biofizikai Társaság XXI. Kongresszusa, Szeged, Kivonatok gyűjteménye 36. o. [21] Barta A. (2003) Informatikai eszközök a biológia oktatásában (szerk.: Kriska Gy.) fejezet: A fénypolarizáció biológiai jelentősége és vizsgálata o. Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest 10