Los patrones de polarización diurna señalan el camino hacia el norte verdadero

Los patrones de polarización diurna señalan el camino hacia el norte verdadero

Marca de tiempo: 17 de agosto de 2023 6:04 a.m.

las estrellas (arcos blancos) parecen girar alrededor del polo norte celeste
Superposición de una fotografía de rastro de estrellas, en la que las estrellas (arcos blancos) parecen rotar alrededor del polo norte celeste, y una simulación numérica de líneas de polarización invariantes en el tiempo (líneas oscuras) medidas por una cámara polarimétrica durante el día. Cortesía: Thomas Kronland-Martinet (CNRS/Aix-Marseille University) y ESO/B Tafreshi (twanight.org)

¿Puedes decir en qué dirección está el norte simplemente mirando el cielo durante el día, sin usar una brújula o GPS o incluso sin saber la posición del Sol? Gracias a un nuevo método óptico, la respuesta pronto podría ser "sí". Desarrollado por investigadores de la Universidad de Aix-Marseille en Francia, el método funciona analizando los patrones de polarización en la luz diurna dispersa. Además de ayudar al desarrollo de técnicas de navegación alternativas, podría ayudarnos a comprender cómo los animales usan los fenómenos físicos para migrar.

En la actualidad, hay tres formas principales de identificar el Norte Verdadero. Una es usar las posiciones de las estrellas, como lo han hecho los navegantes a lo largo de la historia humana. Otra es confiar en las brújulas magnéticas. El tercer método, el más reciente, implica sistemas globales de navegación por satélite como el GPS. Sin embargo, cada método tiene sus inconvenientes. Las estrellas solo son visibles de noche y cuando hace buen tiempo. Las brújulas magnéticas se ven fácilmente afectadas por la interferencia magnética, incluso de fuentes naturales como las rocas que contienen hierro. Y los sistemas de navegación por satélite son vulnerables a interferencias y piratería.

En los últimos años, los investigadores han recurrido a los insectos y las aves migratorias en busca de nuevas ideas sobre cómo navegar utilizando escasas señales magnéticas y visuales. Se sabe que las hormigas Cataglyphis utilizan la polarización celeste, por ejemplo, mientras que las aves migratorias calibran su brújula magnética interna observando la rotación de las estrellas alrededor del polo celeste. Algunas aves también pueden usar la polarización para navegar durante el día.

Polarización de claraboyas

El nuevo método, que los investigadores denominaron SkyPole, se basa en la polarización del tragaluz, que se produce cuando las partículas de la atmósfera dispersan la luz. A diferencia del color o la intensidad, la polarización del tragaluz es invisible para el ojo humano y produce un patrón distinto que depende de la posición del Sol con respecto a un observador en la superficie de la Tierra.

Dado que la Tierra gira alrededor de un eje norte-sur, un observador en el hemisferio norte verá, en el transcurso de un día, cómo el Sol traza una trayectoria alrededor del polo norte celeste, es decir, el punto en el cielo que corresponde a la intersección entre el eje de rotación de la Tierra y la esfera celeste. Por lo tanto, los patrones en el grado de polarización de la luz diurna rotarán alrededor de este polo durante el día, del mismo modo que las constelaciones giran alrededor de la Estrella Polar durante la noche.

“El estado de polarización permanece constante en cualquier momento del día en el polo norte celeste”, explica Thomas Kronland-Martinet, miembro del equipo de estudio y estudiante de doctorado en Instituto de Ciencias del Movimiento de Aix-Marsella (ISM) y el Instituto de Materia Microelectrónica de Nanociencias de Provenza (IM2NP). “Es el único punto en el cielo que tiene esta propiedad”.

Usando el patrón del tragaluz como una señal de navegación

Al recopilar imágenes de patrones de polarización a lo largo del tiempo con una cámara polarimétrica, los investigadores pudieron identificar el polo norte celeste en la intersección de las "invarianzas de polarización", es decir, la polarización medida entre dos períodos de tiempo distintos.

“Al contrario de estudios anteriores, no calculamos la posición del Sol en nuestro método, sino que usamos directamente el patrón de la claraboya como señal de navegación”, explica Kronland-Martinet. “Más precisamente, consideramos la variación temporal de la polarización del tragaluz, lo que nos permite calcular fácilmente la posición del polo celeste sin tener que procesar cálculos trigonométricos complejos. Además, no necesitamos más información que las imágenes de polarización, lo que hace que nuestro método sea muy simple”.

Según los investigadores, SkyPole podría usarse para calibrar brújulas para sistemas de navegación inercial que están sujetos a la deriva con el tiempo. También podría ayudar a la navegación marítima, por ejemplo, permitiendo el desarrollo de sextantes polarimétricos automáticos. Según Kronland-Martinet, podría incluso convertirse en una alternativa a la navegación por satélite. “Aunque son muy precisos, [los sistemas de navegación por satélite] pueden desdibujarse y falsificarse fácilmente y pueden no ser los mejores candidatos cuando se necesita información sólida, por ejemplo, en vehículos autónomos”, dice. Mundo de la Física.

En la actualidad, los largos tiempos de recopilación de datos de SkyPole lo hacen inadecuado para el posicionamiento global instantáneo, pero los miembros del equipo están explorando formas de hacerlo más rápido. Reportan su trabajo en PNAS.

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