Поляризация света редко бывает полной: обычно рвет поляризован частично, т. е. представляет собой смесь естественного и поляризованного света. Полнота поляризации характеризуется степенью поляризации, которая представляет собой отношение интенсивности полностью поляризованной компоненты к общей интенсивности пучка. Степень поляризации обычно выражают в процентах: 0 % соответствует естественному свету, 100 % — полностью поляризованному.
Не следует думать, что поляризованный свет возникает только искусственным путем. Совсем наоборот, поляризация света — очень распространенное явление в природе: оно происходит и при отражении, и при преломлении, и в процессе рассеяния.
Еще в 1809 г. французский астроном Доминик Араго обнаружил, что солнечный свет, рассеянный атмосферой, поляризован. За 160 лет, прошедших со времени этого открытия, ученые-оптики добились больших успехов в исследовании поляризации света в атмосфере, и сейчас это явление уже хорошо изучено.
Первые измерения поляризации дневного света под водой были проведены лишь в 1954 г. На 20 лет раньше началось изучение поляризации света при отражении от поверхности моря. В настоящее время это явление практически используется в морском деле: поляризаторы, устанавливаемые в наблюдательных приборах, отсекают отраженный поверхностью моря свет, мешающий наблюдению за подводными объектами.
Максимальная глубина, на которой проводилось измерение подводной поляризации, — 200 м. Установлено, что рассеянный свет под водой поляризован линейно, и отмечалась довольно высокая степень поляризации — до 60 %. С глубиной степень поляризации уменьшается, причем в поверхностном слое (20–30 м) это уменьшение происходит особенно быстро. На больших глубинах степень поляризации остается практически постоянной.
Особенный интерес, проявляемый к поляризации света в море, связан с одним любопытным явлением. Оказывается, поляризация света влияет на поведение некоторых водных организмов и определяет во многих случаях закономерности их передвижения.
Способность ориентироваться по положению плоскости поляризации линейно поляризованного света была обнаружена впервые в 1948 г. у медоносной пчелы. Австрийский биолог Карл Фриш обратил внимание, что пчела-разведчица, указывая посредством «виляющего танца» направление к месту взятка, правильно ориентирует свой танец только тогда, когда видит хотя бы кусочек голубого неба. Но ведь свет небесного свода всегда поляризован. Вот Фриш и предположил, что этот поляризованный свет неба является для пчел своеобразным компасом, позволяющим им правильно ориентироваться в пространстве. Он поставил ряд опытов, которые полностью подтвердили справедливость его гипотезы. Позднее способность реагировать на поляризацию света была обнаружена и у многих других членистоногих: жуков, бабочек, муравьев, пауков. Свойством различать линейно поляризованный свет с разным направлением колебаний обладает и человеческий глаз. Однако если у человека это просто любопытная и даже мало кому известная особенность зрения, то для беспозвоночных такая способность играет в ряде случаев важную роль в их жизни. Например, рачок-бокоплав может правильно ориентироваться в воде лишь тогда, когда видит над собой Солнце или участок голубого неба. Если поместить над ним поляризатор и медленно вращать его, то соответственно начинает поворачиваться и рачок. К поляризации света чувствительны и многие другие водные животные: плавающие ветвистоусые раки, дафнии, водяные клещи, мечехвосты.
Механизм этого интересного явления в настоящее время еще полностью не выяснен.
Как измеряется естественный свет в море
Как уже упоминалось, измерениям света в море многие годы сопутствовало одно принципиально ошибочное представление: желание найти глубину, которую дневной свет уже не достигает. Совершенно естественно, что такая граница не найдена и до сего времени, так как с усовершенствованием методов измерений и повышением чувствительности приемников, реагирующих на излучение, свет и регистрировался все на больших и больших глубинах. Весь вопрос заключается в том, о каких количествах световой энергии идет речь: десятки ли это люксов (если говорить об освещенности) или отдельные фотоны, регистрируемые высокочувствительными приборами.
Первые попытки измерений света в толще моря, предпринятые во второй половине XIX в., были связаны с использованием фотохимической реакции в некоторых жидкостях и газах. При этом исходили из известного закона Бунзена о том, что продукция фотохимической реакции пропорциональна произведению интенсивности облучения на время экспозиции. На этом принципе был основан хлористоводородный актинометр Реньяра, в котором воздействие света оценивалось по убыли газовой смеси. В 30-е годы нашего века Аткинс предложил фотохимический фотометр, в котором использовалось разложение щавелевокислого урана. Достоинство этих приборов — относительная простота устройства, но они измеряли освещенность только в самых верхних слоях моря, и то при условии очень длительной экспозиции.
Примерно в то же время начинают применяться фотографические пластинки, а несколько позже — и фотопленки. При всем разнообразии конструкций фотометров с использованием фотографических пластинок принцип измерения сводился к следующему.
Помещенная в герметический корпус со стеклянным иллюминатором пластинка погружалась в море на ту или иную глубину. Затем с помощью грузика, опускавшегося по тросу, открывался затвор фотометра. После определенной выдержки (время которой фиксировалось) второй грузик закрывал затвор. Под воздействием света пластинка темнела. Сравнивая степень потемнения этой пластинки с аналогичной, но подвергшейся освещению эталонным источником света, определяли (с учетом времени экспозиции) условия освещенности на глубине проведения измерений. Когда вместо пластинок применялась фотопленка, в прибор устанавливался часовой механизм, через определенные промежутки времени перематывавший пленку.
Обработка результатов измерений требовала исключительной скрупулезности, а точность полученных результатов была весьма невысока. С помощью таких фотометров удавалось обнаружить свет на глубинах, превышающих 1000 м. Правда, для этого требовалось экспонировать пластинку более часа. Известен опыт, при котором пластинка выдерживалась на глубине 1700 м в течение двух часов, но не обнаружила признаков почернения.
В начале XX в. для измерений стали использовать физическое явление, называемое фотоэлектрическим эффектом, т. е. способность некоторых веществ создавать электрический ток или изменять его величину под воздействием света.
Лучи света, падая на поверхность металлической пластинки (для данной цели используются такие щелочные металлы, как калий или цезий), передают свою энергию электронам, находящимся внутри металла. Приобретенная энергия увеличивает скорость их движения, и электроны могут преодолеть силы, удерживающие их внутри металла, и вылететь за пределы его поверхности, создавая таким образом фотоэлектронную эмиссию с поверхности пластинки (фотокатода). Это элементарное описание фотоэлемента с внешним фотоэффектом. На явлении внешнего фотоэффекта основано действие фотоэлектронных умножителей.
Если вместо металлической пластинки взять стеклянную, нанести на нее светочувствительный слой полупроводникового вещества (например, селена, сернистого таллия, сернистого висмута и т. п.), подключить полученное устройство к внешней цепи и осветить пластинку, то можно наблюдать явление внутреннего фотоэффекта. Под действием света уменьшается внутреннее сопротивление полупроводника. Такие устройства получили наименование фотосопротивлений.
В гидрофотометрии наибольшее применение нашли фотоэлементы с фотоэффектом в запирающем слое. Они также изготовляются из полупроводников — селена, германия, кремния и т. п. Их основным достоинством является возможность получения значительного фототока при освещении активной поверхности без всякого внешнего источника электродвижущей силы.
Применение приемников излучения, действие которых основано на явлении фотоэффекта (фотоэлементов), позволило провести многочисленные измерения освещенности в различных районах Мирового океана.
Принцип действия практически всех современных подводных, фотометров базируется на использовании закона, открытого Столетовым, о том, что величина тока, вырабатываемого фотоэлементом, прямо пропорциональна падающему на него световому потоку. Поэтому, регистрируя значения фототока на различных глубинах, мы можем определить освещенность на интересующем нас горизонте. Естественно, что каждый гидрофотометр проходит предварительную градуировку на фотометрической скамье, где определяется, какой отсчет регистрирующего прибора соответствует тому или иному значению освещенности.
В качестве датчика в гидрофотометрах чаще всего применяют селеновый фотоэлемент с запирающим слоем.
На рис. 36 в схематическом виде изображено устройство такого фотоэлемента. На железную пластинку 1 нанесен слой селена 2, на который напыляется очень тонкая (тысячные доли микрона) золотая или платиновая полупрозрачная пленка 4. В процессе обработки фотоэлемента на поверхности селена образуется тонкий запирающий слой 3. На полупрозрачную золотую пленку накладывается контактное кольцо 5. Вторым электродом является железная пластинка. Весь фотоэлемент помещается в изолирующий пластмассовый корпус 6.
Кроме простоты устройства селеновый фотоэлемент обладает еще одним немаловажным достоинством: его спектральная чувствительность близка к чувствительности человеческого глаза. Из всех известных в настоящее время фотоэлементов селеновый легче всего откорректировать с помощью светофильтров, так чтобы его чувствительность соответствовала кривой видности глаза (рис. 37).
Для измерений в море фотоэлемент помещается в герметический корпус, иллюминатор которого делается из толстого молочного стекла и имеет выпуклую форму. Нужно это для того, чтобы на поверхности фотоэлемента собирался весь свет, рассеянный в верхней (или в нижней, если иллюминатор направлен вниз) полусфере, а не только лучи, отвесно падающие на приемник излучения.