Dagtimernes polariseringsmønstre viser vejen til True North – Physics World

Dagtimernes polariseringsmønstre viser vejen til True North – Physics World

Tidsstempel: 17. august 2023 kl. 6

stjerner (hvide buer) ser ud til at rotere omkring den nordlige himmelpol
Overlejring af et stjernespor-fotografi, hvor stjerner (hvide buer) ser ud til at rotere omkring den nordlige himmelpol, og en numerisk simulering af tidsinvariante polarisationslinjer (mørke linjer) målt af et polarimetrisk kamera i dagtimerne. Høflighed: Thomas Kronland-Martinet (CNRS/Aix-Marseille University) og ESO/B Tafreshi (twanight.org)

Kan du se, hvilken vej der er nordpå, bare ved at se på daghimlen, uden at bruge et kompas eller GPS eller endda kende Solens position? Takket være en ny optisk metode kan svaret snart være "ja". Metoden, der er udviklet af forskere ved Aix-Marseille Universitet i Frankrig, fungerer ved at analysere polarisationsmønstrene i spredt dagslys. Ud over at hjælpe med udviklingen af ​​alternative navigationsteknikker kan det hjælpe os med at forstå, hvordan dyr bruger fysiske fænomener til at migrere.

På nuværende tidspunkt er der tre hovedmåder til at identificere True North. Den ene er at bruge stjernernes positioner, som navigatører har gjort gennem menneskehedens historie. En anden er at stole på magnetiske kompasser. Den tredje, seneste, metode involverer globale navigationssatellitsystemer såsom GPS. Hver metode har dog sine ulemper. Stjerner er kun synlige om natten og i godt vejr. Magnetiske kompasser påvirkes let af magnetisk interferens, herunder fra naturlige kilder såsom jernholdige sten. Og satellitnavigationssystemer er sårbare over for jamming og hacking.

I de senere år har forskere henvendt sig til insekter og trækfugle for at få nye ideer om, hvordan man navigerer ved hjælp af sparsomme magnetiske og visuelle signaler. Cataglyphis myrer er kendt for at bruge himmelpolarisering, for eksempel, mens trækfugle kalibrerer deres indre magnetiske kompas ved at observere stjernernes rotation omkring himmelpolen. Nogle fugle kan også bruge polarisering til at navigere i løbet af dagen.

Ovenlyspolarisering

Den nye metode, som forskerne har døbt SkyPole, bygger på ovenlyspolarisering, som opstår, når partikler i atmosfæren spreder lys. I modsætning til farve eller intensitet er ovenlyspolarisering usynlig for det menneskelige øje, og den producerer et tydeligt mønster, der afhænger af Solens position i forhold til en observatør på Jordens overflade.

Da Jorden roterer omkring en nord-syd-akse, vil en observatør på den nordlige halvkugle i løbet af et døgn se Solen spore en sti rundt om den nordlige himmelpol – altså det punkt på himlen, der svarer til skæringspunktet mellem Jordens rotationsakse og himmelsfæren. Mønstre i graden af ​​dagslyspolarisering vil derfor rotere omkring denne pol i løbet af dagen, ligesom stjernebilleder kredser om Nordstjernen om natten.

"Polarisationstilstanden forbliver konstant på ethvert tidspunkt af dagen på den nordlige himmelpol," forklarer Thomas Kronland-Martinet, medlem af studieholdet og ph.d.-studerende på Aix-Marseilles Institut des Sciences du Mouvement (ISM) og Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP). "Det er det eneste punkt på himlen at have denne ejendom."

Brug af ovenlysmønsteret som et navigationssignal

Ved at indsamle billeder af polarisationsmønstre over tid med et polarimetrisk kamera var forskerne i stand til at lokalisere den nordlige himmelpol ved skæringspunktet mellem "polarisationsinvarianser" - det vil sige polariseringen målt mellem to forskellige tidsperioder.

"I modsætning til tidligere undersøgelser beregner vi ikke Solens position i vores metode, men bruger direkte ovenlysmønsteret som et navigationssignal," forklarer Kronland-Martinet. ”Mere præcist overvejer vi tidsvariation af ovenlyspolarisationen, som gør det muligt for os nemt at beregne himmelpolens position uden at skulle behandle kompleks trigonometrisk beregning. Hvad mere er, har vi ikke brug for anden information end polarisationsbilleder, hvilket gør vores metode meget enkel."

Ifølge forskerne kunne SkyPole bruges til at kalibrere kompasser til inerti-navigationssystemer, der er udsat for drift over tid. Det kunne også hjælpe marin navigation ved for eksempel at muliggøre udviklingen af ​​automatiske polarimetriske sekstanter. Ifølge Kronland-Martinet kan det endda blive et alternativ til satellitbaseret navigation. "Selvom de er meget præcise, kan [satellitnavigationssystemer] let sløres og forfalskes og er måske ikke den bedste kandidat, når der er brug for robust information - for eksempel i autonome køretøjer," siger han Fysik verden.

På nuværende tidspunkt gør SkyPoles lange dataindsamlingstider det uegnet til øjeblikkelig global positionering, men medlemmer af teamet udforsker måder at gøre det hurtigere. De indberetter deres arbejde PNAS.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden