2.2. Поляризация излучения

В предыдущем разделе мы встретились с понятием поляризации электромагнитного излучения. Рассмотрим подробнее поляризационные параметры и физические механизмы, влияющие на поляризацию излучения.

В общем случае радиоизлучение может содержать две компоненты – неполяризованную и поляризованную. При распространении излучения конец мгновенного вектора электрического поля волны, измеренного в некоторой фиксированной точке пространства, описывает эллипс (рис. 2.1). Выберем систему координат, ось z которой направлена вдоль волнового вектора (то есть, совпадает с направлением распространения, перпендикулярным плоскости рис. 2.1), а оси x и y лежат в плоскости рисунка. Компоненты вектора в проекциях на оси x и y зависят от времени следующим образом:

(2.15)

Отношение E_0x/E_0y и разность фаз y_xy = y_x – y_y определяют позиционный угол эллипса c и отношение его осей p. Общая интенсивность I = I_пол + I_ест равна сумме поляризованной и естественной компонент; отношение r = I_пол/I называется степенью поляризации. В качестве величин, описывающих состояние поляризации, обычно принимают параметры Стокса I, Q, U, V:

(2.16)

где s =arctg p. Если антенна радиотелескопа принимает две ортогональные линейные поляризации вдоль осей x и y, то измеряемые интенсивности компонент равны

(2.17)

где черта означает усреднение по времени.

(2.18)

Если антенна принимает два направления круговой поляризации – правую r (вектор в приближающейся волне вращается против часовой стрелки) и левую l (по часовой стрелке), то интенсивности право- и левополяризованной компонент равны, соответственно

(2.19)

а параметры Стокса выражаются через напряженности поля и , а также разность фаз y_rl право- и левополяризованных компонент:

(2.20).

В общем случае поляризованное излучение содержит смесь линейно и циркулярно поляризованных волн, то есть имеет эллиптическую поляризацию, состояние которой можно однозначно описать параметрами эллипса поляризации (рис. 2.1) либо параметрами Стокса.

Поляризованное излучение часто встречается в радиоастрономии. Как правило, источники синхротронного излучения (§2.5) имеют линейную поляризацию. Излучение активных областей на Солнце (§3.3) и космических гидроксильных мазеров (§5.5) бывает на 100% поляризовано по кругу.

Имеется ряд физических факторов, влияющих на состояние поляризации излучения. Так, суммарное синхротронное излучение источника с запутанным магнитным полем может обладать лишь небольшой степенью линейной поляризации, так как волны от разных частей источника, имеющие разные позиционные углы, складываясь, дают практически неполяризованное излучение.

Поляризация может меняться и во время распространения волны от источника к наблюдателю. Прохождение линейно поляризованного излучения сквозь среду, содержащую свободные электроны и магнитное поле, сопровождается фарадеевским вращением плоскости поляризации (из-за различия коэффициентов преломления n₁, n₂ и, для обыкновенной и необыкновенной волн, см.

(2.21)

Здесь H_║ выражается в микрогауссах; l — в парсеках; длина волны l — в метрах. Величина RM [рад/м²] – называется мерой вращения. Мера вращения очень велика в короне Солнца (где N ~ 10⁸–10¹⁰ см^–3, H ~ 1 Гс), там Dq достигает ~10⁶ радиан. В межзвездной среде для удаленных радиоисточников (пульсары) мера вращения порядка десятков и сотен радиан.