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1、偏振在天文中的应用学院：理学院 班级：光信 071 姓名：王松 学号：070701110054 指导老师：张立云摘要：偏振光从波动光学观点出发，光是极高频的电磁波。通常所说的光扰动或者光振动是指光波的电场强度与磁感强度。但由于光的许多方面的效应（如感光材料的感光，光电效应等）主要通过其电场的作用表现出来，所以常把光的电场强度称为光矢量。偏振在天文中的应用主要用于观测宇宙星体（包括利用偏振观测提高白天观测恒星的能力；利用近红外偏振观测恒星形成；利用偏振观测日冕等）和观测大气中的云相态来预测天气等，大大提高了人们对恒星和宇宙的研究和认识，对观测气象和准确预报天气提供了更有利的技术支持。下面将分别从
2、这两个方面展开讨论：一、利用偏振观测提高白天观测恒星的能力天文观测恒星通常选择在夜间，这是因为白天恒星被淹没在强烈的大气散射背景中，导致白天观测恒星非常困难。然而，天文学发展提出了白天观测恒星的需求，为了提高恒星白天观测的能力，提出一种偏振观测的新方法。大气散射具有很强的偏振特性，而恒星星光的偏振度与之相比往往非常小，该方法正是利用大气散射偏振特性与恒星星光偏振特性的差别，从偏振图像中提取恒星，从而提高恒星的识别概率。通过特殊研制的偏振图像采集系统对接天文望远镜获取恒星偏振图像，进行恒星的偏振图像提取，实现恒星白天观测。一些文献讨论了采用光谱滤波提高白天星体与大气背景的对比度，光谱滤波法的原理
3、就是针对背景与星体光谱的差别选择适当的光谱波段和带宽进行滤波，最大限度地抑制大气散射背景光而保留星光，从而提高对天体目标的检测概率。利用偏振信息来提取恒星信号，达到恒星白天观测的目的。大气散射光主要来源于太阳光穿过大气层时受到大气气溶胶粒子的散射，大气散射光具有很强的偏振特性，恒星星光偏振相对较弱，这一点为白天恒星的偏振探测识别提供了可能。白天恒星偏振图像信息中包括恒星目标直射分量信息和大气散射分量信息，利用恒星与大气散射光偏振特性的差异可以将恒星目标信息从图像中提取出来。二、利用近红外偏振观测恒星形成此外，在观测恒星形成研究中也应用近红外偏振特性。年轻星天体通常都是被尘埃包围着，由于星周尘埃
4、分布的不同，偏振形态也各有不同。在恒星形成区，尘埃对来自中心星辐射的作用机制有两种：一是尘埃颗粒对光线的散射，二是有序排列颗粒对光线的二色性消光。偏振的产生既与产生机制有关，还与尘埃的性质、大小和组成成分有关。年轻星天体的偏振波长相关曲线能揭示尘埃的很多性质，一般来说有几点：尘埃颗粒尺寸的变化范围越大，则在更宽的波长范围内都产生偏振，偏振和波长呈宽分布的相关关系；偏振随波长增加而变大，这说明颗粒的尺寸要大于星际尘埃的尺寸；偏振方位角 900 的突变说明了颗粒大小的变化。年轻星天体的各向异性质量外流(大多数是双极型外流)导致了红外反射云。典型的红外反射云的偏振形态是中心对称的，对称中心就是星云的
5、照亮源。红外反射云能示踪质量外流的形态，它的照亮源与外流驱动源也有比较明显的相关性。有些红外反射云的偏振会偏离圆形对称形态，原因有两种：多个照亮源的同时作用和由尘埃盘导致的偏振盘，偏振盘是个很好的尘埃盘示踪器。一些红外反射云的偏振对称中心没有对应的红外源，这说明可能存在深埋源。一些年轻星天体埋藏得很深，一般在近红外波段无法直接探测到，人们称之为深埋源。深埋源与水脉泽有很好的相关性，水脉泽能增加深埋源存在的可信度。年轻星的偏振与周围场星的偏振存在一种关系：若偏振的产生机制是散射，年轻星天体的偏振与场星的偏振垂直；若偏振的产生机制是二色性消光，则年轻天体的偏振与场星的偏振平行。恒星形成区里成员星的
6、偏振方向代表了磁场在天空面的投影方向，通过近红外偏振观测可以获得恒星形成区的磁场信息。由于年轻天体在近红外的消光还是很大，一些埋藏得很深的源甚至在 K 波段都不可见。把波长延展到中远红外波段进行偏振观测就能避免这一问题。在近红外波段不可见的深埋源在中远红外波段都存在其对应体，这时已不用偏振矢量分析的方法就可探测到深埋源了。从偏振波长相关曲线可知，由散射和二色性消光产生的偏振在中远红外波段会比近红外波段小很多，这时的偏振产生机制以尘埃的热辐射为主。沿磁场有序排列的尘埃颗粒的热辐射会垂直于磁场方向，导致偏振方向也会垂直于磁场方向。结合近红外和中远红外的偏振观测研究，能更全面地揭示磁场的结构。红外反
7、射云能很好地示踪年轻星天体及分子外流，通过分析偏振矢量的方法确定红外反射云的偏振对称中心，从而确定它的照亮源；偏振波长相关曲线包含了年轻星天体的星周物质的很多信息；年轻星的分子外流导致了红外反射云的形成，因此红外反射云的照亮源通常与年轻星天体成协，并是分子外流的驱动源；通过分析偏振矢量的方法可以找到深埋源；一般认为比较年轻的年轻天体都是有尘埃盘的，尘埃盘的存在会导致它的偏振形态出现偏振盘，偏振盘可以用来研究尘埃盘；恒星形成区里成员星的偏振主要是由尘埃的二色性消光产生的，这样偏振方向会平行于致使尘埃排列的磁场的方向，从而也能够揭示磁场的结构。三、利用偏振观测日冕利用偏振可以对日冕进行观测，白光日
8、冕辐射主要由 K(电子)冕、F(尘埃)冕和 E(发射线)冕三个分量组成，它们分别是自由电子散射光球辐射、小尘粒散射光球辐射和高次电离金属离子禁戒跃迁产生的。K 冕是偏振的且没有吸收线。F 冕是非偏振的且有光球光谱的吸收线。一般说，在离日心 2。3R（R 为太阳的半径）之内，以 K 冕为主。而 E 冕仅表现在特定的发射线上，对白光日冕亮度的贡献很小。通过日冕的偏振观测可以分辨出 K 冕和 F 冕，进而借助一定理论模型推求日冕的电子密度和温度分布等物理参数，偏振观测还可以推求冕流和极射线等结构与视向的交角。我国的天文工作者就通过光的偏振特性才，成功的观测到了 1997 年 3 月 9 日在我国黑龙
9、江省漠河地区发生的日全食，并作了日全食过程的 CCD(电荷耦合器件)偏振观测，取得了系统观测资料。经过对一系列的资料处理，得出太阳赤道东西和两极等十二个方向的中冕绝对亮度分布和偏振度分布。 四、利用偏振观测大气中的云相态来预测天气利用光的偏振特性不仅可以对宇宙天体的的观测和研究，还可以通过观测大气云的相态来准确预报天气，为工农业生产，人们的生活提供便利。通过搭载在卫星上的星载多角度偏振辐射计，利用偏振辐射信息反演云的物理参数。当视场有云时，星载多角度偏振辐射计获取大气向上的偏振辐射主要来自云层上部，与获取的总辐射相比，受多次散射效应影响较小，有效地保留了云粒子单次散射信息，同时考虑到大气分子散
10、射的影响，通常采用分子散射较小的近红外 0。 865m 偏振波段进行云相态识别。理论研究和观测实验证明：云的偏振辐射特性主要依赖于粒子的形状和尺寸，在传感器的可测散射角度内，由液态球形粒子组成的水云在散射角 140附近出现偏振辐射的峰值即主虹，在散射角 90附近时为0，在散射角大于 145时偏振辐射出现多个副虹，而冰粒子的偏振特性是随着散射角的增加其偏振值为正且逐渐减小，根据冰、水粒子的偏振特性可以识别云相态。利用偏振辐射资料反演云相态时不用考虑云粒子的大小及温度，其反演效果取决于传感器在不同散射角度获取的偏振辐射，与被动光学遥感云相态反演方法一样，只能得到云顶部分的相态分布，当视场内为薄卷云
11、或多层云时，传感器探测到的信息将包含地表或低层云的辐射，给反演结果带来误差。在实际的应用中绝大多数算法都建立在单个传感器单个通道或多个通道的基础之上，如果能够解决好空间分辨率一致性的问题，利用多传感器资料反演得到的结果可以有效弥补单个传感器的不足，从而实现优势互补，进一步提高云相态反演的准确性，从而达到准确预报天气。偏振在天文学中涉及到多个方面的应用，除上面所讲的以外，还有很多方面的应用，如：利用微波背景辐射的偏振可以复合宇宙的演变过程等。参考文献：1、陈红波 偏振灵敏度测试仪的技术研究 2007 年 5 月2、叶松，方勇华，孙晓兵，洪津 一种基于偏振信息的恒星白天观测方法 2007 年 5 月3、陈志维，江治波 近红外偏振观测在恒星形成研究中的应用 2009 年 12 月4、胡中为，李汝谅，方成，萧耐园 1997 年 3 月 9 日的日冕偏振 CCD 观测 1999 年 1 月5、任建奇，严卫，叶晶，韩丁 云相态的卫星遥感研究进展 2010 年 10 月
