Rayleigh gökyüzü modeli

Rayleigh gökyüzü modeli gündüz vakti görülen gökyüzü yapısının gözlemlenmiş olan kutuplaşma modelini açıklar. Atmosfer içinde, hava moleküllerinden, sudan, havada bulunan tozdan ve aeresollerden kaynaklanan ışığın Rayleigh dağınımı, gökyüzündeki ışığın belirli bir kutuplaşma modeline sahip olmasına neden olur. Benzer özelliklere sahip olarak gerçekleşen diğer elastik dağılma süreçleri gökyüzünün mavi bir görünüme sahip olmasına neden olmaktadır. Kutuplaşma, her bir kutuplaşma derecesine sahip dalga boyunda ve yönlendirmede (e-vektörü açısı, ya da dağılma açısı) karakterize edilir.
Gökyüzünün sahip olduğu kutuplaşma modeli Güneşin gökyüzündeki konumuna bağlı olarak değişim gösterir. Dağılan ışığın tümü bazı büyüklüklere (derecelere) kadar kutuplaşma gösterdiği zaman ışık, ışık kaynağından meydana gelen 90 derecelik dağılma açıları üzerinde oldukça yüksek bir kutuplaşmaya sahiptir. Bu konuyu elen alan birçok durumda bahsedilen ışık kaynağı Güneş olarak kabul edilir ancak Ayın da oluşturduğu model aynıdır. Kutuplaşma derecesi Güneşten kaynaklanan mesafe arttıkça ilk olarak yükselir ancak daha sonra Güneşin bulunduğu pozisyonun tam tersi yönde düşmeye başlar. Bu yüzden, maksimum kutuplaşma derecesi Güneş etrafında yer alan 90 derecelik dairesel bir aralık içinde meydana gelir. Bu aralığın içinde, kutuplaşma derecelerinin yaklaşık 80%i tipik bir şekilde oluşabilir.

Bu noktada şu bilgiyi paylaşmamız gerekmektedir ki, kutuplaşma modeli Güneşe bağlı olarak meydana geldiğinden dolayı, kutuplaşma modeli sadece gün boyunca değil bütün bir yıl boyunca değişim gösterir. Kış aylarında Güneş güney yönüne doğru batmaya başladığı zaman, kuzey-zenit-güney (başucu noktaları) düzlemi dengeli bir konuma gelir. Bu durumda, etkili olan kuzey yönü gerçekten de bir şekilde batı yönüne doğru konumlanır.
Bir gün boyunca, kutuplaşma modeli Güneş de meydana gelen pozisyon değişimleri ile birlikte dönüşüm gösterir. Alacakaranlık vaktinde, yerel gün doğumundan önce yaklaşık 45 dakika boyunca görünür ve yerel gün batımından sonra 45 dakikalığına görünmez duruma gelir. Bir kere meydana geldiğinde oldukça sabit bir görünüme sahiptir, sadece rotasyonunda (dönme hareketinde) değişikli gösterir. Herhangi bir günde, polarize (kutuplaştırılmış) edilmiş güneş gözlükleri kullanıldığında kolayca görülebilirler.
Hayvanların birçoğu gökyüzünün sahip olduğu kutuplaşma modellerini, birer yer belirtici (navigasyon) araç olarak gün boyunca ve alacakaranlıkta kullanırlar. Çünkü bu modellere güneşin sahip olduğu pozisyonlara göre kolaylıkla karar verilebilir ve bu nedenden ötürü hayvanlar tarafından yönlendirilme olaylarında bir pusula gibi kolayca kullanılabilirler. Hayvanların çoğu kendilerini Güneşe göre konumlandırabilir ve bu sayede başlıca bazı yönlere karar verebilirler. Bu olayların gerçekleşmesi ise kendilerini kutuplaşma modellerine göre yönlendirmelerine bağlı olarak meydana gelir.
Teori
Nötr noktalar ve çizgiler
Kutuplaşma derecesinin sıfır olduğu alanlar (gök ışığının kutuplaşmadığı durumlarda) nötr noktalar olarak bilinmektedir. Burada Stokes parametreleri de, ayrıca başka bir adıyla da Q ve U parametreleri olarak kullanılan, tanımlarında belirtilen durumlardan dolayı sıfıra eşittir. Bu yüzden, kutuplaşma derecesi nötr noktalardan kaynaklı artan mesafe ile birlikte yükselir.

Bu koşullar gökyüzünde bulunan bazı belirli alanlarda karşılanırlar. Arago noktası solar olmayan noktanın üzerinde konumlanırken, Babinet ve Brewster noktaları ise Güneşin altında ve üstünde konumlanır. Babinet ya da Arago noktalarının zenit (başucu noktası) uzaklıkları artan solar zenit mesafesi ile birlikte yükselir. Bu nötr noktalar sahip oldukları düzenli pozisyonlardan toz ve diğer aeresollerin karışması nedeniyle ayrılırlar.
Gök ışığı kutuplaşması, nötr bir noktanın solar ya da solar olmayan meridyenlere paralel geçmesi nedeni ile negatiften pozitife doğru yönelim gösterir. Pozitif Q alanları ile negatif Q alanlarını birbirinden ayıran çizgilere nötr çizgiler denir.
Depolarizasyon ( kutuplaşmanın bozulması )
Rayleigh gökyüzü modeli birçok farklı sonuç altında net bir şekilde açıklanan kutuplaşma modeline sebebiyet verir. Ancak kutuplaşma derecesi her zaman tutarlı bir yapıda bulunmayabilir ve gerçekte farklı durumlarda bir düşüş meydana getirebilir. Rayleigh gökyüzü modeli, kendine yakın konumda bulunan bulutlar gibi ya da okyanuslar gibi büyük yansıtıcı yüzeyler olan bazı materyaller tarafından ortaya çıkartılan depolarizasyona yani kutuplaşmanın bozulması durumuna maruz kalabilir. Ayrıca gün boyunca gerçekleşen zamana bağlı değişimlerden dolayı da farklılık gösterebilir. (örneğin alacakaranlık ya da gece vakitlerinde)
Gece vaktinde, ay ışığı ile aydınlanan gökyüzünün kutuplaşması kentsel ışık kirliliğinin varlığı nedeni ile oldukça güçlü bir şekilde indirgenir. Bu durumun nedeni ise dağılım gösteren kent ışıklarının güçlü bir şekilde kutuplaşamamış olmasıdır.
Kullanım alanları
Navigasyon
Birçok hayvan, özellikle böcekler, ışığın kutuplaşmasına karşı oldukça duyarlı bir yapıya sahiptirler ve bu yüzden gündüz vakti gökyüzünde oluşan kutuplaşma modellerini birer navigasyon aracı olarak kullanabilirler. Bu teori ilk olarak Karl von Frisch tarafından bal arılarının gökyüzünde izledikleri yönlendirilmeleri gözlemlerken ortaya çıkartılmıştır. Doğal gökyüzü kutuplaşma modeli kolaylıkla karar verilebilen bir pusula gibi hizmet vermekteydi. Kutuplaşma modellerini kullanarak, bu türler direkt güneş ışığını kullanmadan güneşin belirlenmiş konumuna göre karar vererek kendilerini yönlendirebilirler. Bu yüzden bulutlu bir gökyüzünün olduğu günlerde ve hatta gece vakitlerinde hayvanlar yollarını rahatlıkla bulabilmektedirler.
Polarize olmuş ışığı bir pusula gibi kullanabilmek anlatıldığı kadar basit bir olay değildir. Bu yöntemi kullanacak olan hayvanlar mutlaka polarize olmuş ışığı fark edebilme ve analiz edebilme gibi becerilere sahip olmalıdır. Bu türler gözlerinde bulunan ve zenit yakınlarında gerçekleşen kutuplaşma derecesine ve yönlendirmelere tepki veren fotoreseptörler (ışığa hassas olan alıcı sinirler) bulundurarak özelleşmişlerdir. Bu canlılar polarizasyon derecesinin yönlendirilmesi ve yoğunluğu üzerinden bilgi toplayabilirler. Daha sonra bu topladıkları bilgileri kendilerini yönlendirebilmek ve yüzeylerin farklı özelliklerini ayırt edebilmek için görsel olarak birleştirirler.
Hayvanların kendilerini, alacakaranlık vaktinde güneş ufuk çizgisinin altında bulunuyorken bile yönlendirebildikleri yönünde bulunmuş net kanıtlar vardır. Böceklerin kendilerini geceye ilişkin kutuplaşma modellerini kullanarak nasıl yönlendirebildikleri ise hala üzerinde çalışılan bir sorudur. Şimdiye kadar, sadece gece ortaya çıkan cırcır böceklerinin geniş alanlarda etkili kutuplaşma sensörleri bulundurduğu ve bunları gece vakti kutuplaşma modellerini analiz ederek kendilerini yönlendirmek için kullandıkları bilinmektedir. Ayrıca bir de, geceleri yer değiştiren diğer bir deyişle göç eden kuşların alacakaranlıkta kutuplaşma modeli net değilken kendilerini yönlendiremedikleri de bilinmektedir.
Kutuplaşmayan objeler
Gökyüzünde bulunan yapay ve doğal nesnelerin her biri, sadece ışığın yoğunluğu kullanılarak ortaya çıkarılabilmek için oldukça zor objelerdir. Bu nesnelerin arasında bulutlar, uydular ve uzay gemileri bulunmaktadır. Ancak, bu objelerin yankılanmaya, dağılmaya, emisyona (yayılma), yansımaya ya da diğer fenomenlere göre gerçekleşen kutuplaşmaları arka planda bulunan aydınlanmanınkinden farklılık gösterebilir. Bu yüzden bu durum, kutuplaşma görüntüsü oluşturularak daha kolay bir şekilde ortaya çıkartılabilir. Kutuplaşmanın kullanılamadığı durumlarda gözlemlenebilmesi zor olan nesneleri fark edebilmek için kullanılan kutuplaşmalarda oldukça büyük bir aralığa sahip olan uzak mesafeli algılama uygulamaları bulunmaktadır.