I modelli di polarizzazione diurna indicano la strada per il vero nord: il mondo della fisica

Riesci a capire da che parte è il nord semplicemente guardando il cielo diurno, senza usare una bussola o un GPS o nemmeno conoscere la posizione del sole? Grazie ad un nuovo metodo ottico, la risposta potrebbe presto essere “sì”. Sviluppato dai ricercatori dell’Università di Aix-Marseille in Francia, il metodo funziona analizzando i modelli di polarizzazione nella luce del giorno diffusa. Oltre a favorire lo sviluppo di tecniche di navigazione alternative, potrebbe aiutarci a capire come gli animali utilizzano i fenomeni fisici per migrare.

Al momento, ci sono tre modi principali per identificare il vero Nord. Il primo è usare la posizione delle stelle, come hanno fatto i navigatori nel corso della storia umana. Un altro è affidarsi alle bussole magnetiche. Il terzo metodo, il più recente, prevede sistemi satellitari di navigazione globale come il GPS. Tuttavia, ogni metodo ha i suoi svantaggi. Le stelle sono visibili solo di notte e con il bel tempo. Le bussole magnetiche sono facilmente influenzate dalle interferenze magnetiche, anche da fonti naturali come le rocce contenenti ferro. E i sistemi di navigazione satellitare sono vulnerabili a disturbi e hacking.

Negli ultimi anni, i ricercatori si sono rivolti agli insetti e agli uccelli migratori per trovare nuove idee su come navigare utilizzando scarsi segnali magnetici e visivi. È noto che le formiche cataglifi utilizzano la polarizzazione celeste, ad esempio, mentre gli uccelli migratori calibrano la loro bussola magnetica interna osservando la rotazione delle stelle attorno al polo celeste. Alcuni uccelli possono anche utilizzare la polarizzazione per navigare durante il giorno.

Polarizzazione del lucernario

Il nuovo metodo, che i ricercatori hanno soprannominato SkyPole, si basa sulla polarizzazione del lucernario, che si verifica quando le particelle nell’atmosfera diffondono la luce. A differenza del colore o dell'intensità, la polarizzazione del lucernario è invisibile all'occhio umano e produce uno schema distinto che dipende dalla posizione del Sole rispetto a un osservatore sulla superficie terrestre.

Poiché la Terra ruota attorno a un asse nord-sud, un osservatore nell'emisfero settentrionale vedrà, nel corso della giornata, il Sole tracciare un percorso attorno al polo celeste nord, cioè il punto nel cielo che corrisponde a l'intersezione tra l'asse di rotazione terrestre e la sfera celeste. I modelli nel grado di polarizzazione della luce diurna ruoteranno quindi attorno a questo polo durante il giorno, proprio come le costellazioni ruotano attorno alla Stella Polare di notte.

“Lo stato di polarizzazione al polo nord celeste rimane costante in ogni momento della giornata”, spiega Thomas Kronland-Martinet, membro del gruppo di studio e dottorando presso Istituto delle Scienze del Movimento di Aix-Marsiglia (ISM) e il Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP). “È l’unico punto nel cielo ad avere questa proprietà.”

Utilizzando il modello del lucernario come spunto di navigazione

Raccogliendo immagini dei modelli di polarizzazione nel tempo con una fotocamera polarimetrica, i ricercatori sono stati in grado di individuare il polo nord celeste all’intersezione delle “invarianze di polarizzazione”, ovvero la polarizzazione misurata tra due periodi di tempo distinti.

"Contrariamente agli studi precedenti, nel nostro metodo non calcoliamo la posizione del Sole, ma utilizziamo direttamente lo schema del lucernario come indicazione di navigazione", spiega Kronland-Martinet. «Più precisamente, consideriamo la variazione temporale della polarizzazione del lucernario, che ci permette di calcolare facilmente la posizione del polo celeste senza dover elaborare complessi calcoli trigonometrici. Inoltre, non abbiamo bisogno di altre informazioni oltre alle immagini di polarizzazione, rendendo il nostro metodo molto semplice”.

La luce polarizzata manda fuori rotta la bussola magnetica degli uccelli

Secondo i ricercatori, SkyPole potrebbe essere utilizzato per calibrare le bussole per i sistemi di navigazione inerziale soggetti a deriva nel tempo. Potrebbe anche aiutare la navigazione marina, ad esempio, consentendo lo sviluppo di sestanti polarimetrici automatici. Secondo Kronland-Martinet potrebbe addirittura diventare un'alternativa alla navigazione satellitare. "Sebbene siano altamente precisi, [i sistemi di navigazione satellitare] possono essere facilmente offuscati e falsificati e potrebbero non essere il miglior candidato quando sono necessarie informazioni affidabili, ad esempio nei veicoli autonomi", afferma Mondo della fisica.

Al momento, i lunghi tempi di raccolta dati di SkyPole lo rendono inadatto per il posizionamento globale istantaneo, ma i membri del team stanno esplorando modi per renderlo più veloce. Riportano il loro lavoro PNAS.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/daytime-polarization-patterns-point-the-way-to-true-north/