Polarisasjonsmønstre på dagtid viser veien til True North – Physics World

Polarisasjonsmønstre på dagtid viser veien til True North – Physics World

Tidsstempel: 17. august 2023 kl.6: 04

stjerner (hvite buer) ser ut til å rotere rundt den nordlige himmelpolen
Overlegg av et stjernespor-fotografi, der stjerner (hvite buer) ser ut til å rotere rundt den nordlige himmelpolen, og en numerisk simulering av tidsinvariante polarisasjonslinjer (mørke linjer) målt av et polarimetrisk kamera på dagtid. Med tillatelse: Thomas Kronland-Martinet (CNRS/Aix-Marseille University), og ESO/B Tafreshi (twanight.org)

Kan du se hvilken vei som er nord bare ved å se på daghimmelen, uten å bruke kompass eller GPS eller til og med vite posisjonen til solen? Takket være en ny optisk metode kan svaret snart være "ja". Metoden er utviklet av forskere ved Aix-Marseille University i Frankrike, og fungerer ved å analysere polarisasjonsmønstrene i spredt dagslys. I tillegg til å hjelpe utviklingen av alternative navigasjonsteknikker, kan det hjelpe oss å forstå hvordan dyr bruker fysiske fenomener for å migrere.

For tiden er det tre hovedmåter for å identifisere True North. Den ene er å bruke stjernenes posisjoner, slik navigatører har gjort gjennom menneskets historie. En annen er å stole på magnetiske kompasser. Den tredje, nyeste, metoden involverer globale navigasjonssatellittsystemer som GPS. Imidlertid har hver metode sine ulemper. Stjerner er kun synlige om natten og i godt vær. Magnetiske kompasser påvirkes lett av magnetisk interferens, inkludert fra naturlige kilder som jernholdige bergarter. Og satellittnavigasjonssystemer er sårbare for jamming og hacking.

De siste årene har forskere henvendt seg til insekter og trekkfugler for å få nye ideer om hvordan man kan navigere ved hjelp av sparsomme magnetiske og visuelle signaler. Cataglyphis-maur er kjent for å bruke himmelpolarisering, for eksempel mens trekkfugler kalibrerer sitt indre magnetiske kompass ved å observere stjernenes rotasjon rundt himmelpolen. Noen fugler kan også bruke polarisering for å navigere i løpet av dagen.

Skylight polarisering

Den nye metoden, som forskerne har kalt SkyPole, er avhengig av takvindupolarisering, som oppstår når partikler i atmosfæren sprer lys. I motsetning til farge eller intensitet, er takvindupolarisering usynlig for det menneskelige øyet, og den produserer et distinkt mønster som avhenger av solens posisjon i forhold til en observatør på jordens overflate.

Siden jorden roterer rundt en nord-sør-akse, vil en observatør på den nordlige halvkule i løpet av et døgn se solen spore ut en bane rundt den nordlige himmelpolen – det vil si punktet på himmelen som tilsvarer skjæringspunktet mellom jordens rotasjonsakse og himmelsfæren. Mønstre i graden av dagslyspolarisering vil derfor rotere rundt denne polen i løpet av dagen, akkurat som konstellasjoner kretser rundt Nordstjernen om natten.

"Polarisasjonstilstanden forblir konstant når som helst på dagen på den nordlige himmelpolen," forklarer Thomas Kronland-Martinet, medlem av studieteamet og stipendiat ved Aix-Marseilles Institut des Sciences du Mouvement (ISM) og Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP). "Det er det eneste punktet på himmelen å ha denne eiendommen."

Bruke takvindusmønsteret som navigasjonssignal

Ved å samle bilder av polarisasjonsmønstre over tid med et polarimetrisk kamera, var forskerne i stand til å finne den nordlige himmelpolen i skjæringspunktet mellom "polarisasjonsinvarianser" - det vil si polarisasjonen målt mellom to distinkte tidsperioder.

"I motsetning til tidligere studier, beregner vi ikke solens posisjon i metoden vår, men bruker direkte takvindusmønsteret som et navigasjonssignal," forklarer Kronland-Martinet. Mer presist vurderer vi tidsvariasjon av takvinduets polarisasjon, noe som gjør at vi enkelt kan beregne himmelpolens posisjon uten å måtte behandle kompleks trigonometrisk kalkulering. Dessuten trenger vi ingen annen informasjon enn polarisasjonsbilder, noe som gjør metoden vår veldig enkel."

Ifølge forskerne kan SkyPole brukes til å kalibrere kompass for treghetsnavigasjonssystemer som er utsatt for drift over tid. Det kan også hjelpe marin navigasjon ved for eksempel å muliggjøre utvikling av automatiske polarimetriske sekstanter. Ifølge Kronland-Martinet kan det til og med bli et alternativ til satellittbasert navigasjon. "Selv om de er svært presise, kan [satellittnavigasjonssystemer] lett gjøres uskarpe og forfalske og er kanskje ikke den beste kandidaten for når robust informasjon er nødvendig - for eksempel i autonome kjøretøy," forteller han Fysikkverden.

For øyeblikket gjør SkyPoles lange datainnsamlingstider det uegnet for øyeblikkelig global posisjonering, men medlemmer av teamet utforsker måter å gjøre det raskere. De rapporterer arbeidet sitt inn PNAS.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden