Дневные модели поляризации указывают путь к истинному северу

Можете ли вы определить, где находится север, просто взглянув на дневное небо, не используя компас или GPS и даже не зная положения Солнца? Благодаря новому оптическому методу ответ вскоре может быть «да». Этот метод, разработанный исследователями из Университета Экс-Марсель во Франции, основан на анализе моделей поляризации в рассеянном дневном свете. Это не только поможет в разработке альтернативных методов навигации, но и поможет нам понять, как животные используют физические явления для миграции.

В настоящее время существует три основных способа определения истинного севера. Один из них — использовать положение звезд, как это делали мореплаватели на протяжении всей истории человечества. Другой вариант – полагаться на магнитные компасы. Третий, самый последний метод предполагает использование глобальных навигационных спутниковых систем, таких как GPS. Однако каждый метод имеет свои недостатки. Звезды видны только ночью и в хорошую погоду. На магнитные компасы легко влияют магнитные помехи, в том числе природные источники, такие как железосодержащие породы. А спутниковые навигационные системы уязвимы для помех и взлома.

В последние годы исследователи обратились к насекомым и перелетным птицам за свежими идеями о том, как ориентироваться, используя редкие магнитные и визуальные сигналы. Известно, что муравьи-катаглифисы используют небесную поляризацию, в то время как перелетные птицы калибруют свой внутренний магнитный компас, наблюдая за вращением звезд вокруг небесного полюса. Некоторые птицы также могут использовать поляризацию для навигации в течение дня.

Новый метод, который исследователи назвали SkyPole, основан на поляризации небесного света, которая возникает, когда частицы в атмосфере рассеивают свет. В отличие от цвета или интенсивности, поляризация небесного света невидима для человеческого глаза и создает отчетливый рисунок, который зависит от положения Солнца относительно наблюдателя на поверхности Земли.

Поскольку Земля вращается вокруг оси север-юг, наблюдатель в северном полушарии в течение дня увидит, как Солнце прокладывает путь вокруг северного полюса мира, то есть точки на небе, которая соответствует пересечение оси вращения Земли и небесной сферы. Таким образом, закономерности степени поляризации дневного света будут вращаться вокруг этого полюса в течение дня, точно так же, как созвездия вращаются вокруг Полярной звезды ночью.

«Состояние поляризации остается постоянным в любое время суток на северном полюсе мира», — объясняет Томас Кронланд-Мартине, член исследовательской группы и аспирант Института наук о движении (ISM) в Экс-Марселе и Институт микроэлектронных нанонаук Прованса (IM2NP). «Это единственная точка на небе, обладающая таким свойством».

Собирая изображения моделей поляризации с течением времени с помощью поляриметрической камеры, исследователи смогли точно определить северный полюс мира на пересечении «поляризационной инвариантности» – то есть поляризации, измеренной между двумя разными периодами времени.

«В отличие от предыдущих исследований, мы не вычисляем положение Солнца в нашем методе, а напрямую используем рисунок светового потока в качестве навигационного сигнала», — объясняет Кронланд-Мартине. «Точнее, мы рассматриваем изменение во времени поляризации небесного света, что позволяет нам легко вычислить положение небесного полюса без необходимости обработки сложных тригонометрических вычислений. Более того, нам не нужна никакая другая информация, кроме поляризационных изображений, что делает наш метод очень простым».

Поляризованный свет сбивает с курса магнитный компас птиц

По мнению исследователей, SkyPole можно использовать для калибровки компасов инерциальных навигационных систем, которые со временем подвержены дрейфу. Это также может помочь в морской навигации, например, позволив разработать автоматические поляриметрические секстанты. По мнению Кронланд-Мартине, это может даже стать альтернативой спутниковой навигации. «Несмотря на высокую точность, [спутниковые навигационные системы] могут быть легко размыты и подделаны, и они могут быть не лучшим кандидатом для случаев, когда необходима надежная информация – например, в автономных транспортных средствах», – рассказал он Physics World.