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Tutorial MenueWellenoptikLerneinheit 14 von 23

Polarisationsmechanismen - Polarisation durch Streuung

Polarisiertes Himmelsstreulicht

Ab ins Freie!

Verlassen wir nun dieses Experiment aus dem Physiklabor und sehen wir uns einmal in der freien Natur um. Dort finden wir tagtäglich den Milchemulsionsversuch direkt vor unserer Nase aufgebaut - oft natürlich, ohne dies überhaupt zu wissen. Wir haben uns an den sich ergebenden Anblick bereits so sehr gewöhnt, dass wir seine Ursache schon lange nicht mehr hinterfragen:

Ein strahlend blauer Himmel an einem wolkenlosen Tag.

Moment mal! Was soll denn der blaue Himmel mit dem vorherigen Versuch zu tun haben? Versuchen wir mal einen Transfer:

Der Lichtquelle, welche unpolarisiertes Licht aussendet, entspricht jetzt die Sonne. Fehlt noch der Behälter mit den lichtstreuenden Objekten darin. Genau, statt den Fetttröpfchen der Milch haben wir jetzt ja eine ganze Menge Luftmoleküle in unserer Atmosphäre, an welchen das Sonnenlicht gestreut wird. Diese besitzen eine Ausdehnung, welche sehr viel kleiner ist als die betrachteten Lichtwellenlängen, weshalb hier der überwiegend stattfindende Streuprozess die Rayleigh-Streuung ist.

Wenn wir jetzt noch die Möglichkeit hätten, senkrecht zur Einfallsrichtung der Sonnenstrahlen zu beobachten, müssten wir eigentlich mit Hilfe eines Polarisators aus dieser Richtung wieder polarisiertes Licht feststellen können.

Abb.1
Streuung des Sonnenlichtes in unserer Atmosphäre

Da die Sonne weit von uns entfernt ist, können wir deren einfallende Strahlen in guter Näherung als parallel zueinander betrachten. Wir beobachten also genau dann senkrecht-seitlich (wie beim Laborversuch mit der Milchemulsion) den Strahlgang des Sonnenlichtes, wenn wir den Himmelsbereich, der einen Winkelabstand von 90° zur Sonne besitzt, anvisieren. In der Skizze entspricht das der Situation, dass der Beobachter B in Richtung des Punktes C blickt.

Schon ohne Polarisator fällt auf, dass der Himmel in diesem Bereich einen dunkleren Blauton als in anderen Bereichen aufweist. Dies ist bereits der erste Hinweis darauf, dass aus diesem Himmelsbereich weniger Licht beim Beobachter B ankommt als aus anderen Himmelsbereichen. Betrachten wir diesen Bereich durch einen Polarisator, so stellen wir fest, dass das von dort kommende Licht fast vollständig linear polarisiert ist.

Fast vollständig deswegen, da aufgrund von mehrfach gestreuter Strahlung auch Licht aus anderen Richtungen (z.B. vom Punkt D in der Skizze, durch Mehrfachstreuung) unseren Beobachtungsort am Himmel erreicht, was eine vollständige Polarisation zunichte macht.

Arbeitsauftrag

Durch den vorangegangenen Abschnitt sollten Sie bereits in der Lage sein, sich modellhaft die Gegebenheiten dieser Situation vorstellen und eine Argumentationskette für den Erhalt linear polarisierten Lichtes aus der erwähnten Himmelsregion angeben zu können.

Versuchen Sie, diese Argumentation selbstständig schriftlich zu entwerfen!

Zur Selbstkontrolle vergleichen Sie diese bitte anschließend mit dem folgenden Abschnitt.

Musterargumentation: Wieder zerlegen wir das einfallende Sonnenlicht in zwei verschiedene Komponenten. Sie werden mittlerweile sicher wissen, dass sich diese Sprechweise eigentlich auf die Zerlegung des momentanen E-Feldes der einfallenden, unpolarisierten Lichtwelle bezieht.

Abb.2
Streuung des Sonnenlichtes in unserer Atmosphäre, Erklärungsskizze

Komponente 1 (dargestellt durch den blauen Doppelpfeil), schwingt in der Ebene BSC und parallel zur Richtung BC, während Komponente 2 (dargestellt durch den grünen Punkt) senkrecht zur Ebene BSC schwingt. Wie zuvor strahlen die von Komponente 1 angeregten Luftmoleküle keine Intensität entlang ihrer Schwingungsrichtung BC ab, weswegen der Beobachter im Punkt B allein den Beitrag der von Komponente 2 angeregten Schwingungen registriert - also linear polarisiertes Licht aus diesem Himmelsabschnitt empfängt.

Nachdem Sie nun die Theorie kennen, werfen Sie doch einfach einmal selbst einen Blick in den Himmel. Falls es gerade bewölkt sein sollte oder Sie keinen Polarisator zur Hand haben, nutzen Sie einfach das folgende JPAKMA-Projekt "Himmelsbeobachtung". Bei diesem sehen Sie im oberen Bildschirmbereich die zu ihrem aktuellen Beobachtungswinkel α gehörige Himmelsansicht an einem sonnigen Septembertag, welche durch einen Polarisationsfilter fotografiert wurde. Dessen Transmissionsachse ist vertikal zum Erdboden ausgerichtet, es kann also zunächst nur die zuvor erwähnte Komponente 1 (blauer Doppelpfeil) das Polarisationsfilter passieren.

Arbeitsauftrag

Warnung: Niemals mit einem Fernglas in die Sonne blicken! Dies kann zu schweren Netzhautschäden oder gar Erblinden führen. Die Darstellung eines Fernglases zur Beobachtung in der folgenden Animation dient lediglich der Veranschaulichung der gegebenen Verhältnisse.

Starten Sie das Projekt.

Ändern Sie per Schieber den Winkelabstand α zur Sonne und beobachten Sie, wie sich die Ansicht zunehmend verdunkelt, da der Anteil der Komponente 1 im einfallenden Licht mehr und mehr verschwindet. Maximale Verdunklung erhalten Sie im Winkelabstand von 90° zur Sonnenposition.

Haben Sie diese Position erreicht, so haben Sie dort die Möglichkeit, den zu diesem Zeitpunkt eingeblendeten Polarisator um den Winkel ϕ zu drehen, bis dessen Transmissionsachse mit der Richtung der Komponente 2 übereinstimmt. Sie beobachten dabei eine Aufhellung, da ja von Komponente 2 Intensität aus dem betrachteten Himmelsabschnitt zu unserem Beobachtungspunkt fällt. Dieser Anteil war unabhängig vom beobachteten Himmelbereich konstant.

Abb.3
JPAKMA-Animation "Polarisation des Sonnenlichtes"

Die Polarisation des Himmelslichtes können Sie auch im folgenden Video betrachten, in welchem eine Polarisationsfolie vor dem Himmelshintergrund gedreht wird.

Abb.4
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