Поляризация (электромагнитных волн)

Для поляризов. излучения различают: линейную П., при к-рой вектор электрич. поля E сохраняет свое направление в пространстве; круговую П., когда вектор E вращается вокруг направления распространения волны с угловой скоростью, равной угловой частоте волны, и сохраняет при этом свою абс. величину; эллиптическую П., если вращение вектора электрич. поля подобно вращению при круговой П., но величина вектора меняется так, что его конец описывает эллипс. Эллиптич. и круговая П. может быть правой (вектор E вращается по часовой стрелке, если смотреть навстречу распространяющейся волне.) и левой (при вращении в противоположную сторону).

Эл.-магн. волна может быть также частично поляризованной. Частичная П. количественно характеризуется степенью поляризации, к-рая для волн с частичной линейной П. определяется как
Р = (I_макс - I_мин)/(I_макс + I_мин) ,
где I_макс и I_мин - наибольшая и наименьшая плотности потока эл.-магн. энергии через анализатор (поляроид, призму Николя и т.п.).

Источники эл.-магн. излучения генерируют волны различной П. Тепловое излучение, генерируемое хаотически распределенными атомами и электронами, всегда неполяризовано. Циклотронное излучение, генерируемое системой электронов, вращающихся в магн. поле, имеет круговую П. Синхротронное излучение одного релятивистского электрона имеет эллиптич. П., но система таких электронов дает линейно поляризованное излучение, т. е. правые и левые вращения эллиптич. П. здесь складываются и компенсируют друг друга. Электрич. вектор синхротронного излучения колеблется в плоскости, перпендикулярной магн. полю, т.к. в этой плоскости всегда остается вектор ускорения электрона, движущегося в магн. поле. В магн. поле энергетич. уровни атома расщепляются на различные подуровни, соответственно расщепляются и спектр. линии (см. Зеемана эффект). Поскольку колебания электронов в магн. поле ориентированы определенным образом, компоненты линии оказываются поляризованными линейно, эллиптически или по кругу в зависимости от угла между полем и лучом зрения.

В космич. условиях эффект Зеемана часто настолько мал, что линии не разделяются, но тогда можно заметить различную П. правой и левой стороны профиля линии. Т.о. был обнаружен эффект Зеемана в солнечных и звездных магн. полях, а также у линии 21 см межзвездного водорода.

Состояние П. меняется при распространении эл.-магн. излучения в среде. Так, неполяризов. излучение может стать хотя бы частично поляризованным, а свет, рассеиваясь на свободных электронах, поляризоваться. Наибольшая П. имеет место при рассеянии на 90^o, т.к. раскачиваемый первичной (поперечной) волной свободный электрон воспринимается сбоку как колеблющийся по одной координате. При этом вектор E рассеянной эл.-магн. волны лежит в плоскости, перпендикулярной волновому вектору первичной волны (т.е. вектору, определяющему направление распространения волны). П. при рассеянии света хорошо известна, напр. рассеянный земной атмосферой свет из-за рэлеевского рассеяния на молекулах воздуха поляризован. Подобная П. имеет место в солнечной короне и в атмосферах горячих звезд, где относительно велика роль электронного рассеяния излучения (см. Атмосферы звезд). Очевидно, такая П. максимальна на краях звездного диска, и вектор E поляризов. излучения колеблется по касательной к диску. Для чисто электронной атмосферы макс. степень П. 12%.

Свет поляризуется при рассеянии на частицах космич. пыли в туманностях, а также при рассеянии и поглощении на частицах пыли в межзвездном пространстве. Природа этого явления, однако, другая. Частицы межзвездной пыли обычно имеют неправильную форму (напр., удлиненную по одной оси). Они ориентируются межзвездным магн. полем. Поскольку волна с направлением электрич. вектора вдоль большой оси частицы поглощается и рассеивается больше, чем волна с электрич. вектором вдоль малой оси, то в результате проходящий через среду свет оказывается частично поляризованным. Степень П. (доля поляризов. излучения) обычно не больше неск. процентов.

При распространении радиоволн в плазме поляризация их меняется. Линейно поляризованное излучение состоит из равного количества фотонов с круговой поляризацией разных направлений. Поэтому каждую волну, попадающую в плазму с магн. полем, можно рассматривать как сумму двух волн с круговой или эллиптич. П. (но с разными направлениями вращения электрич. вектора). Эти волны распространяются с разной фазовой скоростью. По выходе из плазмы они складываются.

Право- и левополяризов. волны в плазме имеют не только различные фазовые скорости, но и разные коэфф. поглощения. Поэтому возможен случай, когда неполяризов. волна после прохождения слоя плазмы окажется частично поляризованной по кругу благодаря тому, что волна с др. П. поглотится сильнее. Этот эффект наблюдается в спорадич. радиоизлучении Солнца. Если пренебречь поглощением, но учесть разность фазовых скоростей в плазме волн с разным направлением круговой П., то по выходе из плазмы одна из волн отстанет и при сложении результирующая волна останется линейно поляризованной, но с повернутым на нек-рый угол направлением колебаний электрич. вектора. Этот эффект, называемый фарадеевским вращением плоскости поляризации (см. Фарадея эффект), играет большую роль в исследовании космич. радиоизлучения (см. Мера вращения). Эффект Фарадея может играть большую роль в формировании П. оптич. излучения звезд, к-рое может оказаться поляризованным даже при геометрич. симметрии звезды (см. Поляризация излучения).

Лит.:
Мартынов Д.Я., Курс общей астрофизики, 3 изд., М., 1979; Соболев В.В., Курс теоретической астрофизики, 2 изд., М., 1975.

(С.А. Каплан)