Research Projects





A1. Optics of trilobite eyes


Trilobites extincted a few hundred million years ago. They possessed the oldest known preserved visual system. Their compound eyes contained lenses composed of calcite, which preserved the lens shape, on the basis of which the optics of the eye can be reconstructed. With microscopical study of thin sections of trilobite eyes, and using computer ray tracing through trilobite lenses, we reconstructed the major optical characteristics of different kinds of trilobite eye. We discovered that certain trilobites had bifocal lenses, which enabled them to see simultaneously both far and near in spite of the fact that the calcite lenses were rigid, and thus could not accommodate. In 2006 our paleo-biooptical studies won an International Paleobiological Award from the Spanish Palaeontological Society.



Figure 1: A fossilized Hollardops trilobite (left) and its right compound eye with numerous calcite lenses (right) (photographs by Riccardo Levi-Setti, Chicago).


A2. Refraction-distorted binocular visual field of animals living at the air-water interface


If we look through the air-water interface with two aerial/underwater eyes, the apparent position, size and shape of underwater/aerial objects differ from the real ones due to refraction of light. We improved the theory of aerial/underwater binocular imaging of underwater/aerial objects: We calculated the position of the binocular image point of an underwater/aerial object point viewed by two arbitrarily positioned aerial/underwater eyes. Assuming that binocular image fusion is performed by appropriate vergent eye movements to bring the image onto the foveae, the fine structure of the underwater/aerial binocular visual field was computed and visualized as functions of the eye positions. We revised several earlier treatments, and corrected several widespread erroneous or incomplete representations of this optical problem occurring in the literature. We showed that the structure of the underwater/aerial binocular visual field of aerial/underwater observers distorted by refraction is more complex than it has been thought previously.



Figure 2: An egret and a fish (A), and how they see binocularly each other through the water surface with an oblique head tilting (B).



Figure 3: A walrus and a dolphin (A), and how they see binocularly each other through the water surface with an oblique head tilting (B).




We developed different portable imaging polarimeters by which the spatial distribution of the radiance, degree and direction of linear polarization, furthermore the degree of circular polarization of light from the optical environment can be measured in the visible (400-700 nm) or the ultraviolet (< 400 nm) part of the spectrum up to 180o field of view. Using these polarimeters, we achieved numerous discoveries in atmospheric optics, animal vision and behavioural ecology in different expeditions and measuring campaigns in Alaska, Finnish Lapland, Hungary, Switzerland, in the Tunisian desert, on the Arctic Ocean, and at the North Pole.



Figure 4: Portable 1-lens 1-camera 180o field-of-view (full-sky) sequential imaging polarimeter.



Figure 5: Portable 3-lens 3-camera 180o field-of-view (full-sky) simultaneous imaging polarimeter.



Figure 6: North Pole, 12 September 2005, Gábor Horváth in front of the Swedish ice-breaker ship Oden.



Figure 7: Hungarian flag at the North Pole on 12 September 2005 in front of the Swedish ice-breaker ship Oden.




(C1) We improved the theory of polarization-induced false colours. We demonstrated that in colour- and polarization-sensitive visual systems polarizational false colours occur, which disturbe the perception of real colours.

(C2) We showed that it is advantageous for animals to detect celestial polarization in the ultraviolet part of the spectrum, because skylight polarization under clouds and canopies is strongest in the UV.

(C3) We explained that dusk-active cockchafers detect polarization in the green, because their polarization vision is tuned to the high polarized intensity of downwelling light under canopies during sunset.

(C4) We measured as first the circular polarization patterns of metallic shiny scarab beetles.

(C5) In laboratory choice experiments we discovered that yellow fever mosquitoes (Aedes aegypti) do not possess positive polarotaxis, although their larvae develop in water. Aedes aegypti is the first aquatic insect species which does not detect water by the horizontally polarized light reflected from the water surface. Thus, unfortunately, these dangerous mosquitoes cannot be exterminated by polarized light traps.



Figure 8: Photographs of a scarab beetle (Potosia aeruginosa jousselini) taken through a left- and a right-handed circular polarizer, showing that the metallic shiny cuticle reflects left-handed circularly polarized light.




We measured the celestial polarization patterns under various normal (clear, partly cloudy, total overcast, foggy) sky conditions and in extreme meteorological situations (polluted by forest fire smoke, during total solar eclipses, at full moon in the night, skylight transmitted through the Snell’s window of the water surface, on the ice-cover of the Arctic Ocean) in Alaska, Arctis, Finland, Hungary, Switzerland, Tunisia and Turkey. We performed numerous pioneering achievements in atmospheric optics:

(D1) In 2001 we observed as first the fourth neutral polarization point in the atmosphere from a hot air balloon at a height of 3.5 km. The other three neutral points of the sky have been discovered in 1810, 1840 and 1842 by Arago, Babinet and Brewster.

(D2) We measured the fine structure of the sky polarization pattern and its temporal change during total solar eclipses. We showed that these patterns differ considerably from those of the normal sky, and dicovered some new neutral points in the eclipse sky.

(D3) We proved that the polarization patterns of the moonlit night sky are the same as those of the sunlit sky. This is important for some night-active polarization-sensitive animals in their orientation.

(D4) We determined also the polarization characteristics of rainbows and Arctic fogbows.

(D5) We proved that the pattern of the direction of polarization of the celestial hemisphere is practically the same under almost all (clear, partly cloudy, overcast, foggy, smoky) sky conditions and under sunlit tree canopies. This robust feature of the sky polarization plays an important role in the polarization-based orientation of many animals.



Figure 9: Members of the hot air balloon flight, who observed in 2001 as first the fourth neutral point of atmospheric polarization (left), and spatial distribution of the degree of linear polarization at a height of 3.5 km showing the Arago and the 4th neutral point (right).



Figure 10: Imaging polarimetry of the sky at the North Pole on 12 September 2005 during the Beringia 2005 polar research expedition (photograph by Susanne Akesson).




In sunshine the Vikings navigated on the open sea by sun-dials. According to a widespread hypothesis, when the sun was occluded by fog or clouds the Vikings might have navigated by the skylight polarization detected with an enigmatic birefringent crystal, the sunstone. There are two atmospheric optical prerequisites for this alleged polarimetric Viking navigation under foggy/cloudy skies: (1) the degree of linear polarization p of skylight should be high enough, and (2) at a given sun position the pattern of the angle of polarization alpha of the foggy/cloudy sky should be similar to that of the clear sky. Earlier these prerequisites have not been investigated. Using full-sky imaging polarimetry, we measured the p- and alpha-patterns of Arctic foggy and cloudy skies when the sun was invisible. These patterns were compared with the polarization patterns of clear Arctic skies. We showed that although prerequisite 2 is always fulfilled under both foggy and cloudy conditions if the fog layer is sublit, prerequisite 1 is usually satisfied only for cloudy skies. In sunlit fog the Vikings could have navigated by polarization only, if p of light from the foggy sky was sufficiently high. One of the counter-arguments of polarimetric Viking navigation is the belief that solar positions can be estimated quite accurately by the naked eye, even if the sun is behind clouds or below the horizon, thus under cloudy/twilight conditions Vikings might have been no need for a sky-polarimetric method to determine the solar position. In psychophysical laboratory experiments we tested quantitatively the validity of this qualitative counter-argument. Our results did not support the common belief that the invisible sun can be located quite accurately from the celestial brightness and/or colour patterns under cloudy/twilight conditions. Thus the mentioned counter-argument of the theory of polarimetric Viking navigation cannot be taken seriously.




To know how tabanid flies locate their host animals, terrestrial rendezvous sites and egg-laying places would be very useful for control measures against them, because the haematophagous tabanid females are vectors of some severe animal/human diseases/parasites. In choice experiments we discovered that both males and females of several tabanid species have positive polarotaxis, i.e. they are attracted to horizontally polarized light stimulating their ventral eye region. The novelty of this is that polarotaxis has been described earlier only in connection with the water detection of aquatic insects ovipositing directly into water. A further particularity of our discovery is that in the order Diptera and among blood-sucking insects the studied tabanids are the first known species possessing ventral polarization vision and definite polarization-sensitive behaviour with known functions. The polarotaxis in tabanids makes it possible to develop new optically luring traps being more efficient than the existing ones. The development of our patented protective system, called TabaNOid, against tabanids for eco-farms, graziers and race-horse breeders is in progress.




Figure 11: Logos of our TabaNOid technology, the aim of which is to develop polarization traps against tabanid flies.




Ecological photopollution (EPP) has been defined as the degradation of the photic habitat by artificial light. We introduced a new term, the polarized light pollution (PLP), meaning all adverse effects on polarotactic aquatic insects attracted by horizontally polarized light reflected from artificial surfaces. PLP is a new kind of EPP, it is global and novel in an evolutionary sense. In numerous choice experiments with polarotactic insects and using imaging polarimetry we gave experimental evidence of PLP, such as (1) trapping of aquatic insects by dark oil surfaces; (2) dehydration of polarotactic insects attracted to black plastic sheets used in agriculture; (3) egg-laying of polarotactic mayflies onto dry asphalt roads; (4) attraction of aquatic insects to black, red or dark-coloured car paintwork; (5) deception of polarotactic dragonflies by shiny black gravestones; (6) attraction of mass-swarming polarotactic caddis flies to glass surfaces. All such highly and horizontally polarizing artificial surfaces can act as polarized ecological traps for polarotactic insects, because these surfaces are inappropriate for the development of eggs laid by the deceived insects. The mortality associated with PLP may threaten populations of endangered aquatic insect species. We pointed onto some possible benefits and/or disadvantages of predators (spiders, birds, bats) feeding on the polarotactic insects attracted to different sources of PLP. We also suggested several remedies of PLP, which is a byproduct of the human architectural, building, industrial and agricultural technology, and it may allow to function feeding webs composed of polarotactic insects and their predators. We emphasized that conservation planners should pay much more attention to aquatic insects because of their positive polarotaxis and their demonstrated vulnerability due to PLP.




H1. Sports biomechanics


On the rotating Earth, in addition to the Newtonian gravitational force, two relevant inertial forces are induced: the centrifugal force and the Coriolis force. Using computer modelling for typical release heights and optimal release angles, we compared the influence of Earth rotation on the range of the male hammer throw and shot put with that of air resistance, wind, air pressure and temperature, altitude and ground obliquity. Practical correction maps were determined, by which the ranges achieved at different latitudes and/or with different release directions can be corrected by a term involving the effect of Earth rotation. We concluded and suggested that the normal variations of certain environemtal factors can be substantially larger than the smallest increases in the world records, and therefore these should be accounted for in a normalization and adjustment of the world records to some reference conditions. Our numerical calculations contributed to the comprehensive understanding and tabulation of these effects, which is largely lacking today.


H2. Bone biomechanics


We studied experimentally how the ratio K of the internal to external diameter of long bones in foxes, birds and human mummies follows the biomechanical optima derived for marrow- and gas-filled tubular bones with minimum mass designed to withstand yield and fatigue, stiffness, bending fracture, or impact strengths. With evaluation of radiographs of numerous femora from red foxes (Vulpes vulpes) and mummies, furthermore of many humeri, femora and tibiotarsi from crows (Corvus corone cornix) and magpies (Pica pica) the values of K were measured. We found that fox femurs are optimized to withstand yield, fatigue or stiffness strengths. Human femora are optimised to withstand bending fracture, or yield and fatigue strengths; there are no sex-, age- and length-specific differences in K, and the means of K of the right and left femora of individuals are the same. The biomechanical optimization for K of human femora is not finely tuned. Compared with fox femora, K of human femora follows the biomechanical optimum to a much lesser extent. Although the relative wall thickness W = 1 - K of human femora are optimised, the very low relative mass increment due to deviation of K from the optimum and the considerable intraspecific variance of K make it probable that an accurate optimization of W is irrelevant in humans. On the other hand, the marrow-filled tibiotarsi of Corvus and Pica are optimized for stiffness, while the marrow-filled femora are far from any optimum. The relative wall thickness of gas-filled avian humeri studied is much larger than the theoretical optimum, and thus these bones are thicker-walled than the optimal gas-filled tubular bone with minimum mass.






Laborunk a fizika és a biológia határmezsgyéjén zömében azzal foglalkozik, hogy az emberi látórendszer számára észlelhetetlen, de az emlősök kivételével minden állat számára érzékelhető fénypolarizációs mintázatokat miként lehet mérni és számunkra láthatóvá tenni, valamint hogy a fénytér polarizációs tartománya milyen információk hordozója, és azokat az állatok miként és mire használják. Több különféle hordozható képalkotó polarimétert építettünk, melyekkel méréseket végeztünk a tunéziai sivatagban, Törökországban, Svájcban, Magyarországon, a finn Lappföldön, Alaszkában és az Északi Jeges-tengeren, miközben 2005. szeptember 12-én eljutottnuk az Északi-sarkra is. E több hetes-hónapos mérőkampányokon, expedíciókon a környezetünkből jövő fény intenzitásának, lineáris polarizációfokának és polarizációirányának, valamint cirkuláris polarizációjának a térbeli eloszlását mértük a spektrum látható (400-750 nm) és ultraibolya (< 400 nm) tartományában, 180o maximális látószögben. A saját fejlesztésű polarimetriai módszerünkkel számos fölfedezést tettünk a légköroptikában, az állati látás kutatása terén és a viselkedésökológiában.




Egyik legfontosabb vizsgálatsorozatunkban mértük az égbolt polarizációs mintázatát normál (tiszta, részben felhős, borult, ködös) égbolt-viszonyok és szélsőséges meteorológiai körülmények között (erdőtüzek füstjétől szennyezett égbolt alatt, teljes napfogyatkozásokkor, teliholdas éjjeli égbolt esetén, a Jeges-tenger jégtakaróján). Több úttörő eredményt értünk el a légköroptikában:

(A1) 2001-ben a világon elsőnek figyeltük meg, mutattuk ki a poláros légkör negyedik polarizációsan semleges (neutrális) pontját egy 3.5 km magasságig emelkedő hőlégballonos repüléskor. Az égbolt három másik neutrális pntját 1810-, 1840- és 1842-ben Arago, Babinet és Brewster fedezte föl, s azóta váratott magára a negyedik, s egyben utolsó, neutrális pont kísérleti kimutatása.

(A2) 1999-ben és 2006-ban egy magyarországi és egy törökországi teljes napfogyatkozás alkalmával elsőnek mértük az égbolt polarizációs mintázatának finomszerkezetét az idő függvényében. Kimutattuk, hogy e mintázat jelentősen eltér az ég normál polarizációs mintázatától, ami részben megmagyarázza, hogy az égbolt-polarizáció alapján tájékozódó háziméhek nagy hányada miért téved el és pusztul el teljes napfogyatkozáskor. Mindemellett még néhány új neutrális pontot is fölfedeztünk a napfogyatkozás sötét egén.

(A3) Kísérletileg igazoltuk, hogy a teliholdas éjszakai égbolt polarizációs mintázata megegyezik a nappali égboltéval, ami magyarázatot ad néhány éjjel aktív állat égbolt-polarizáción alapuló orientációs viselkedésére.

(A4) A szivárvány és a még ritkábban megfigyelhető ködív polarizációs jellemzőit is elsőnek sikerült mérnünk.

(A5) Kimutattuk, hogy az égboltfény polarizációirányának mintázata gyakorlatilag majdnem minden körülmény között (tiszta, részben felhős, borult, ködös, füstös, falomboktól takart ég esetén) ugyanaz. Az égbolt-polarizáció e korábban nem ismert robusztus jellemzője igen fontos szerepet játszik az állatok polarizáció alapú térbeli tájékozódásában.

(A6) Meghatároztuk az egykor élt Viking hajósok égbolt-polarizációra épülő tengeri navigációjának légköroptikai feltételeit. Kimutattuk, hogy a Vikingek a nyílt vizeken akár még felhős vagy ködös időben is képesek lehettek navigálni az égboltfény polarizációirányának segítségével az egyébként napsütésben használatos napóraszerű eszközükkel, ha az égboltfény lineáris polarizációfoka megfelelően magas volt. Ezzel egy régóta húzódó szakmai vitát döntöttünk el.




Az állatok, különösen pedig a rovarok polarizációlátásának kutatása terén is számos új és fontos eredménnyel rendelkezünk:

(B1) A polarizáció keltette hamisszínek elméletét jelentősen továbbfejlesztettük. Kimutattuk, hogy a szín- és polarizáció-érzékeny látórendszerekben polarizációs hamis színek keletkeznek, melyek megzavarják a valódi színek észlelését.

(B2) Rámutattunk, hogy nappal az állatoknak az ég polarizációját a spektrum ultraibolya (UV) tartományában előnyös érzékelniük, mert felhős időben vagy erdőben a lombok alatt az égboltfény polarizációfoka az UV-ben a legnagyobb.

(B3) Megmagyaráztuk, hogy a napnyugtakor aktív cserebogarak azért a spektrum zöld tartományában érzékelik a fénypolarizációt, mert polarizációlátásuk a falombokról eredő fény naplementekori nagy poláros intenzitásához hangolt.

(B4) A fémfényű szkarabeusz bogarak cirkuláris polarizációs mintázatait elsőnek mértük, amivel 2004-ben Ifjúsági Bolyai-díjat nyertünk (Hegedüs Ramón és Horváth Gábor).

(B5) Laboratóriumi kísérletekben fölfedeztük, hogy a sárgaláz szúnyogok (Aedes aegypti) annak ellenére sem rendelkeznek pozitív polarotaxissal (nem vonzódnak a vízszintesen poláros fényhez), hogy lárváik a vízben fejlődnek. E szúnyogfaj bizonyult az első olyan vízirovarfajnak, amely a peterakáshoz szükséges víztestet nem a vízfelszínről tükröződő fény vízszintes polarizációja alapján detektálja. Ezért e veszélyes betegségek (pl. sárgaláz) kórokozóit terjesztő szúnyogfajt sajnos nem lehet irtani, gyéríteni polarizációs fénycsapdákkal.

(B6) Terepkísérletek alkalmával fölfedeztük a bögölyök pozitív polarotaxisát, azaz hogy e rovarok is vonzódnak a vízszintesen poláros fényhez, mely viselkedés az általunk feltalált és szabadalmaztatott polarizációs bögölycsapdák működésének alapját képezi.

(B7) Ökológiai terepkísérletek során kimutattuk, hogy a barna és fekete lovak a szőrük nagyobb fénypolarizáló-képessége miatt sokkal jobban vonzzák a vérszívó bögölyöket, mint a fehér szőrű lovak. Ennek a lovak és más haszonállatok tartásban van nagy gyakorlati jelentősége.

(B8) Azt is kimutattuk, hogy a polarotaktikus bögölyök kevésbé vonzódnak a fekete-fehér csíkos mintázatokhoz, amivel sikerült fényt deríteni arra a régi rejtélyre, hogy milyen előnye származik a zebráknak abból, hogy csíkos a mintázatuk.




Egyévtizedes terepi kutatómunka eredményeinek összegzéseként bevezettük a nemzetközi szakirodalomba a poláros fényszennyezés fogalmát, amely a hagyományos (csillagászati és ökológiai) fényszennyezés egy csak napjainkban fölismert új fajtája, amit a fényt erősen polarizáló mesterséges tükröző felületek keltenek, nagy károkat okozva ezzel számos polarizáció-érzékeny rovarfaj városi és városközeli populációinak. A poláros fényszennyezés általánosan a mesterséges poláros fény polarizáció-érzékeny állatokra kifejtett ártalmas hatásait jelenti, speciálisan pedig a sima (fényes) és sötét mesterséges felületekről visszaverődő erősen és vízszintesen poláros fénynek a polarotaktikus vízirovarokra kifejtett káros hatásait. Ez az ökológiai fényszennyezés egy új formája, ami globális és nemcsak éjjel, hanem nappal is előfordul, s evolúciós időskálán egészen új, az urbanizáció egyik káros mellékterméke. Számos polarotaktikus vízirovarfajjal folytatott terepkísérletekben és képalkotó polarimetriai mérésekkel meghatároztuk a poláros fényszennyezés legfőbb forrásait: (i) a fekete olajfelületek, (ii) a mezőgazdaságban használatos fekete műanyag fóliák, (iii) az aszfaltutak és más aszfaltozott felületek, (iv) a fekete, vörös és sötét autók karosszériái, (v) a fekete csiszolt sírkövek, (vi) a sötét üvegfelületek, (vii) a napelemtáblák és napkollektorok fényes fekete felületei a róluk visszaverődő fényt erősen és gyakran vízszintesen polarizálják, miáltal minden polarotaktikus vízirovar (pl. vízibogarak, vízipoloskák, kérészek, szitakötők, tegzesek) számára poláros ökológiai csapdaként hatnak. E rovarok a szóban forgó mesterséges felületekhez vonzódnak, sokszor rájuk petéznek, s a lerakott peték menthetetlenül elpusztulnak. Mindezzel a vízi ökoszisztéma egyelőre még beláthatatlan károkat szenvedhet. A poláros fényszennyzés hozzájárulhat a veszélyeztetett rovarpopulációk végső kipusztulásához, és megbolygathatja a rájuk épülő táplálkozási hálózatokat is. A poláros fényszennyező források föltérképezésén és alapos környezet-biofizikai vizsgálatán túl több lehetőséget is találtunk a poláros fényszennyezés csökkentésére vagy megszüntetésére. Az egyik ilyen módszerünket szabadalmaztattuk is. Ennek lényege, hogy ha a fényes, fekete mesterséges felületeket egy megfelelően sűrű és vékony fehér vonalakból álló, depolarizáló rácsminázattal vonjuk be, akkor nem vagy csak alig vonzzák a polarotaktikus rovarokat.




A bögölyök vérszívó nőstényei számos súlyos állati és emberi betegség kórokozóit terjesztik, valamint folyamatos zaklatásukkal nem hagyják legelni a növényevő haszonállatokat, miáltal azok lefogynak, legyöngülnek, s csökken a hús és tej termelésük. Nemrég fölfedeztük, hogy a bögölyök is pozitív polarotaxissal találják meg a peterakáshoz szükséges vizeket, miáltal erősen vonzódnak a vízszintesen poláros fényhez. Ez ad lehetőséget arra, hogy új típusú speciális csapdákkal befoghatók és elpusztíthatók legyenek a polarotaktikus bögölyök. Négy különböző olyan bögölycsapda-prototípust fejlesztettünk ki, amelyek erősen és vízszintesen poláros fénnyel vonzzák magukhoz a bögölyöket, s eltérő módokon csapdába ejtve elpusztítják e kártékony legyeket. E polarizációs bögölycsapdáink már megkapták a szabadalmi védettséget a Magyar Szabadalmi Hivataltól. Terepkísérletekkel azt is igazoltuk, hogy e polarizációs bögölycsapdák a hagyományos bögölycsapdáknál sokkal nagyobb hatékonyságúak. A polarizációs bögölycsapdáink prototípusainak fejlesztését a magyar OTKA és az Európai Unió is támogatja az Eu-FP7 program keretében.




A meteorológiában manapság már majdnem mindent automatizált műszerekkel mérnek és észlelnek. Így van ez az égbolt felhőfedettségével is. A felhőket a földről eddig olyan számítógépes fotometriai rendszerrel ismerték föl, mely a teljes égbolt 180o látószögű színes képéből határozta meg az égbolt felhőkkel fedett régióit. Egy olyan új, automatikus mérőberendezést fejlesztettünk ki, s építettünk meg, amely képalkotó polarimetriával méri a teljes égbolt polarizációs mintázatait a spektrum kék, zöld és vörös tartományában, s a polarizációs adatok fölhasználásával a hagyományos fotometrikus módszernél sokkal nagyobb pontossággal képes fölsimerni a felhőket. Jelenleg a hamburgi Max Planck Meteorológiai Intézet számára építünk egy ilyen hordozható automatikus polarizációs felhődetektort, amit a német Polarstern jégtörő hajón telepítve fognak használni.