Поляризация света для навигации

Часть деревянного навигационного диска с отметками, найденного на юге Гренландии. Левая половина прибора отсутствует. (Иллюстрация из журнала Philosophical Transactions of the Royal Society B.)

Викинги – великие мореплаватели древности – использовали для навигации в светлое время суток “солнечные камни” – кристаллы, поляризующие солнечный свет. Эту теорию подтверждают новые исследования Габора Хорвата (Gabor Horvath), исследователя оптики в университете им. Этвеша в Будапеште, и Сюзанны Акессон (Susanne Akesson), эколога и специалиста по миграциям из Университета Лунда, Швеция. Викинги пересекали тысячи миль, путешествуя межу Северной Европой, Британскими островами, Исландией, Гренландией и даже Северной Америкой. В высоких северных широтах из-за полярного дня звезды можно не видеть несколько месяцев. В то же время и навигация по солнцу может быть невозможна из-за неблагоприятных погодных условий. А магнитный компас в Европе тогда еще не был известен. Легенды викингов рассказывают о “солнечных камнях” (solarsteinn), с помощью которых можно было определить положение Солнца даже сквозь облака. Сага описывает, как в облачную и снежную погоду король Олаф спросил Сигурда, где находится Солнце. Чтобы проверить ответ Сигурда, Олаф взял “солнечный камень” и увидел, где было солнце. Первые предположения о том, что “солнечный камень” – не выдумка и им мог быть один из кристаллов-поляризаторов, таких как исландский шпат, были выдвинуты еще в 1967 году. Такие кристаллы пропускают только свет, поляризованный в определенных направлениях. Поворачивая кристалл, можно увидеть, как изменяется интенсивность свечения в зависимости от положения относительно Солнца. Некоторые историки спорили с этим утверждением, считая, что такой способ работает только если направить кристалл на относительно ясный участок неба. А в таких условиях можно оценить положение Солнца и невооруженным взглядом, например, ориентируясь на яркий свет из-за облаков. Габор Хорват и Сюзанна Акессон, проводя одно из своих исследований, сфотографировали переменную облачность в сумерках на севере Финляндии через объектив “рыбий глаз”, охватывающий панораму 180° и попросили испытуемых оценить положение Солнца. Количество ошибочных ответов достигало 99°, следовательно, значит викинги не могли полагаться на оценку положения Солнца невооруженным взглядом. Для проверки свойств “солнечных камней” Хорват и Акессон проводили исследования поляризации света в широком диапазоне погодных условий во время пересечения Северного Ледовитого океана на шведском ледоколе “Один”. В туманную или полностью пасмурную погоду картина поляризации света была такая же, как и при ясном небе. Теперь они планируют дальнейшие эксперименты, чтобы определить, смогут ли добровольцы точно определить положение Солнца с помощью кристаллов в различных погодных условиях. Шон МакГрейл (Sean McGrail), который изучал древнюю историю мореплавания в Оксфордском университете, говорит, что эти исследования интересны, но нет никаких реальных свидетельств того, что викинги на самом деле использовали такие кристаллы. “Вы можете показать, как они могут быть использованы, но это не является доказательством их фактического применения, – говорит он. – Люди плавали задолго до этого без каких-либо инструментов”. “Сохранившиеся письменные свидетельства говорят, что викинги и моряки раннего средневековья путешествовали по Северной Атлантике, ориентируясь по положению Солнца в ясные дни, а также по береговым линиям, полету птиц, миграционным путям китов и далеким облакам над островами, – говорит Кристиан Келлер (Christian Keller), специалист в области археологии Северной Атлантики в университете Осло. – Вам не нужно быть мастером, вы просто должны объединить много разных видов наблюдений”. По словам Келлера, идея о том, что викинги пользовались кристаллами, “полностью открыта”, но она ждет археологических доказательств. “Если мы найдем останки кораблекрушения с кристаллом на борту, то я буду счастлив”, – говорит он. Поляризация света – одно из фундаментальных свойств оптического излучения (света), состоящее в неравноправии различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу (направлению распространения световой волны). Поляризацией света называются также геометрические характеристики, которые отражают особенности этого неравноправия. Древние мореплаватели могли использовать методы «поляриметрической» навигации Международная научная группа собрала свидетельства того, что викинги могли использовать методы «поляриметрической» навигации. Викинги, опытные судостроители и мореплаватели, совершали длительные морские походы в Северной Атлантике. Один из важнейших морских путей того времени соединял современный Берген с южной частью Гренландии и пролегал в районе 61-го градуса северной широты. Определять направление на географический север в таком путешествии им помогало оригинальное навигационное устройство — деревянный диск с засечками и гномоном. Если Солнце скрыто облаками или туманом, устройство, гномон которого должен отбрасывать тень, становится бесполезным. Ориентироваться по звёздам в условиях полярного дня викинги тоже не могли, а магнитного компаса у них не было. Поскольку в Северной Атлантике Солнце довольно часто пропадает из виду на несколько дней, датский археолог Торкильд Рамскоу (Thorkild Ramskou) ещё в конце 60-х годов прошлого века предположил, что в пасмурные дни мореходы использовали в навигационных целях кристаллы сдвойным лучепреломлением. Свет, проникающий сквозь атмосферу Земли, становится частично линейно поляризованным, а кристалл играет роль поляризатора, который викинги могли «откалибровать», заметив, в каком положении участок ясного неба при наблюдении через кристалл представляется наиболее ярким, и обозначив, какую позицию занимает при этом Солнце. Подготовленный таким способом прибор давал возможность вычислить положение скрытого Солнца. Многие учёные отождествляют двоякопреломляющий кристалл с «солнечным камнем» (sólarsteinn), описание которого даётся в сагах. В одной из них Святой Олаф просит Сигурда сказать, где находится Солнце, после чего берёт «солнечный камень» и определяет положение «невидимого» (а погода стояла облачная и снежная) светила самостоятельно, подтверждая правоту Сигурда. Материалом для «солнечного камня» могли служить исландский шпат, прозрачная разновидность кальцита, кордиеритили турмалин. Стоит заметить, что поляриметрический прибор схожего принципа действия, разработанный в 1948 году, использовали в навигационных целях пилоты SAS. Природные способности к ориентированию на местности с учётом поляризации солнечного излучения обнаружены у медоносных пчёл Apis mellifera и многих других членистоногих.

Исландский шпат (фото с сайта Nbii.Gov).

Описанная гипотеза элегантна и проста, а достойных альтернатив у неё нет. В то же время экспериментальной информации, подтверждающей её истинность, не хватает; авторы обзорнойстатьи в новом номере журнала Philosophical Transactions of the Royal Society B постарались обобщить все имеющиеся данные, бóльшую часть которых они собрали сами. Один из первых опытов, проведённый в 2005 году, показал, что утверждения скептиков, считавших, что человек может безо всяких приборов точно определить положение Солнца в пасмурный день, безосновательны. Исследователи сделали несколько фотографий облачного и сумеречного неба с помощью объектива типа «рыбий глаз» с полем обзора в 180˚, а затем предложили добровольцам указать, где находится Солнце. Как оказалось, в сложных случаях люди делают очень существенные ошибки; разумеется, опытные навигаторы прошли бы такой тест с лучшими результатами, но даже они не достигли бы нужной точности. В двух других экспериментах исследовалась возможность использования методов «поляриметрической» навигации в условиях тумана или сплошной облачности. При наблюдении неба с борта шведского ледокола Oden и с территории Венгрии учёные установили, что поляризационная картина в целом повторяет ту, которая устанавливается в солнечный день. Однако просветы в облачности викингам всё же были необходимы: если небо полностью затянуто облаками, заметить потемнение его участка при повороте кристалла чрезвычайно сложно. В будущем авторы планируют выполнить ещё несколько экспериментов и реконструировать все этапы использования кальцита, кордиерита и турмалина древними навигаторами