Polarisationsmönster på dagtid visar vägen till True North – Physics World

Kan du se vilken väg som är norrut bara genom att titta på dagshimlen, utan att använda en kompass eller GPS eller ens veta solens position? Tack vare en ny optisk metod kan svaret snart bli "ja". Metoden har utvecklats av forskare vid Aix-Marseille University i Frankrike och fungerar genom att analysera polarisationsmönstren i spritt dagsljus. Förutom att hjälpa till med utvecklingen av alternativa navigeringstekniker kan det hjälpa oss att förstå hur djur använder fysiska fenomen för att migrera.

För närvarande finns det tre huvudsakliga sätt att identifiera True North. En är att använda stjärnornas positioner, som navigatörer har gjort genom mänsklighetens historia. En annan är att lita på magnetiska kompasser. Den tredje, senaste, metoden involverar globala satellitnavigeringssystem som GPS. Varje metod har dock sina nackdelar. Stjärnor är bara synliga på natten och vid bra väder. Magnetiska kompasser påverkas lätt av magnetiska störningar, inklusive från naturliga källor som järnbärande stenar. Och satellitnavigeringssystem är sårbara för störningar och hacking.

Under de senaste åren har forskare vänt sig till insekter och flyttfåglar för att få nya idéer om hur man kan navigera med glesa magnetiska och visuella signaler. Cataglyphis myror är kända för att använda himmelsk polarisering, till exempel, medan flyttfåglar kalibrerar sin inre magnetiska kompass genom att observera stjärnornas rotation runt himlapolen. Vissa fåglar kan också använda polarisering för att navigera under dagen.

Skylight polarisation

Den nya metoden, som forskarna har kallat SkyPole, bygger på takfönsterpolarisering, som uppstår när partiklar i atmosfären sprider ljus. Till skillnad från färg eller intensitet är takfönsterpolarisering osynlig för det mänskliga ögat, och den producerar ett distinkt mönster som beror på solens position i förhållande till en observatör på jordens yta.

Eftersom jorden roterar runt en nord–sydlig axel kommer en observatör på norra halvklotet under loppet av ett dygn att se solen spåra ut en bana runt den nordliga himlapolen – det vill säga den punkt på himlen som motsvarar skärningspunkten mellan jordens rotationsaxel och himmelssfären. Mönster i graden av dagsljuspolarisation kommer därför att rotera runt denna pol under dagen, precis som konstellationer kretsar kring Polstjärnan på natten.

"Polariseringstillståndet förblir konstant när som helst på dygnet vid den nordliga himlapolen," förklarar Thomas Kronland-Martinet, medlem i studielaget och doktorand vid Aix-Marseilles Institut des Sciences du Mouvement (ISM) och Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP). "Det är den enda punkten på himlen att ha den här fastigheten."

Att använda takfönstermönstret som en navigationssignal

Genom att samla in bilder av polarisationsmönster över tid med en polarimetrisk kamera kunde forskarna peka ut den nordliga himlapolen i skärningspunkten mellan "polarisationsinvarianser" - det vill säga polariseringen mätt mellan två distinkta tidsperioder.

"Tvärtemot tidigare studier beräknar vi inte solens position i vår metod, utan använder oss direkt av skylight-mönstret som en navigeringssignal", förklarar Kronland-Martinet. "Närmare bestämt tar vi hänsyn till tidsvariationen av takfönsterpolarisationen, vilket gör att vi enkelt kan beräkna himlapolens position utan att behöva bearbeta komplex trigonometriskalkyl. Dessutom behöver vi ingen annan information än polarisationsbilder, vilket gör vår metod väldigt enkel.”

Polariserat ljus kastar fåglarnas magnetiska kompass ur kurs

Enligt forskarna skulle SkyPole kunna användas för att kalibrera kompasser för tröghetsnavigeringssystem som utsätts för drift över tid. Det skulle också kunna underlätta marin navigering genom att till exempel möjliggöra utvecklingen av automatiska polarimetriska sextanter. Enligt Kronland-Martinet kan det till och med bli ett alternativ till satellitbaserad navigering. "Även om de är mycket exakta, kan [satellitnavigeringssystem] enkelt göras suddiga och förfalskade och kanske inte är den bästa kandidaten för när robust information behövs - till exempel i autonoma fordon", säger han Fysik värld.

För närvarande gör SkyPoles långa datainsamlingstider det olämpligt för omedelbar global positionering, men medlemmar i teamet undersöker sätt att göra det snabbare. De rapporterar in sitt arbete PNAS.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Fordon / elbilar, Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• ChartPrime. Höj ditt handelsspel med ChartPrime. Tillgång här.
• BlockOffsets. Modernisera miljökompensation ägande. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/daytime-polarization-patterns-point-the-way-to-true-north/