白天的偏振模式指明了通往真北的道路 – 物理世界

在不使用指南针或 GPS 甚至不知道太阳位置的情况下，您能仅通过观察白天的天空来判断哪条路是北边吗？ 得益于一种新的光学方法，答案可能很快就是“是”。 该方法由法国艾克斯-马赛大学的研究人员开发，通过分析散射日光中的偏振模式来工作。 除了帮助开发替代导航技术之外，它还可以帮助我们了解动物如何利用物理现象进行迁徙。

目前，识别真北的方法主要有XNUMX种。 一是利用星星的位置，就像人类历史上航海家所做的那样。 另一种是依靠磁罗盘。 第三种也是最新的方法涉及全球导航卫星系统，例如 GPS。 然而，每种方法都有其缺点。 星星只有在夜间和天气好的时候才能看到。 磁罗盘很容易受到磁场干扰的影响，包括来自含铁岩石等天然来源的磁场干扰。 卫星导航系统很容易受到干扰和黑客攻击。

近年来，研究人员转向昆虫和候鸟，寻找如何利用稀疏的磁力和视觉线索进行导航的新想法。 例如，已知 Cataglyphis 蚂蚁会使用天体偏振，而迁徙的鸟类则通过观察恒星绕天极的旋转来校准其内部磁罗盘。 有些鸟类也可能在白天使用偏振来导航。

天窗偏振

研究人员将这种新方法称为“SkyPole”，它依赖于天光偏振，当大气中的粒子散射光时就会发生这种情况。 与颜色或强度不同，天光偏振对人眼来说是不可见的，它会产生一种独特的图案，该图案取决于太阳相对于地球表面观察者的位置。

由于地球绕南北轴旋转，北半球的观察者在一天的时间内会看到太阳绕北天极描绘出一条路径，即天空中对应于地球自转轴与天球的交点。 因此，日光偏振程度的模式将在白天围绕该极点旋转，就像星座在夜间围绕北极星旋转一样。

“北天极的偏振状态在一天中的任何时间都保持恒定，”解释说 托马斯·克朗兰·马丁内特，该研究小组的成员和博士生 艾克斯-马赛运动科学研究所 （ISM）和 普罗旺斯材料微电子纳米科学研究所 （IM2NP）。 “这是天空中唯一拥有这种属性的点。”

使用天窗图案作为导航提示

通过使用偏振相机收集随时间变化的偏振模式图像，研究人员能够在“偏振不变性”（即两个不同时间段之间测量的偏振）的交点处精确定位北天极。

“与之前的研究相反，我们的方法没有计算太阳的位置，而是直接使用天窗图案作为导航提示，”Kronland-Martinet 解释道。 “更准确地说，我们考虑了天光偏振的时间变化，这使我们能够轻松计算天极的位置，而无需处理复杂的三角微积分。 更重要的是，除了偏振图像之外，我们不需要其他信息，这使得我们的方法非常简单。”

偏振光使鸟类的磁罗盘偏离航线

研究人员表示，SkyPole 可用于校准惯性导航系统的指南针，这些系统会随着时间的推移而发生漂移。 它还可以通过例如支持自动偏振六分仪的开发来帮助海洋导航。 据 Kronland-Martinet 称，它甚至可以成为卫星导航的替代品。 “[卫星导航系统]虽然高度精确，但很容易被模糊和欺骗，并且可能不是需要可靠信息时的最佳选择——例如，在自动驾驶汽车中，”他告诉我们 物理世界。

目前，SkyPole的数据收集时间较长，使其不适合瞬时全球定位，但团队成员正在探索使其更快的方法。 他们报告他们的工作 PNAS.

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