Ученые показали солнечный камень викингов в действии. История солнечного камня (2 поста в одном, букв много!)

Группа исследователей из Франции, США и Канады провела серию опытов, из которых следует, что легендарный cолнечный камень (sunstone) викингов представлял собой исландский шпат — поляризующий свет кристалл с двойным лучепреломлением.

Сама по себе мысль эта не нова, но исследователи постарались подвести под данное предположение максимально полную научную базу.

Из древних источников известно, что скандинавы могли определять своё положение в море даже в те моменты, когда небо затягивалось облаками и на глаз сложно было выявить положение солнца. Магнитный компас мореходам той эпохи был неизвестен. Наконец, на звёзды в летние месяцы да в высоких широтах (недалеко от полярного круга) рассчитывать, по понятным причинам, викингам было трудно.

В начале 2011 года другая группа специалистов провела обширные теоретические и практические исследования, показав, что целая серия минералов благодаря своим поляризующим свойствам могла сыграть роль cолнечного камня, выручавшего викингов во время путешествий в Америку.


Для определения сторон света, которое работало даже при солнце, находящемся у горизонта или даже чуть ниже него, викингам был необходим солнечный камень с заранее нанесёнными метками на верхней и нижней гранях кристалла, которые нужно было располагать определённым образом (иллюстрации с сайтов dmeijers.home.xs4all.nl, nasa.gov).

Наблюдая небо через такой минерал, вращая его, мореходы отслеживали колебания яркости лучей. Эти колебания вызваны тем фактом, что солнечный свет, даже профильтрованный туманом и облаками, сохраняет на небосводе специфическую картину поляризации, на которую реагирует кристалл-поляроид.

(Об истории солнечного камня, современных опытах с ним и практике викингов будет рассмотрено очень подробно во второй части.)

В той работе учёные доказали, что принцип ориентирования по поляризованному свету в целом работает, хотя надёжность и точность его – не так уж велики.

Теперь же, как сообщает BBC News, экспериментаторы нашли, что исландский шпат не просто замечательно подходит на роль солнечного камня, но и позволяет ориентироваться в пространстве с высокой точностью.

Учёные выяснили, что выравнивая интенсивность так называемых обыкновенного и необыкновенного пучков, прошедших сквозь кристалл, можно узнать направление на солнце с погрешностью в несколько градусов.


Солнечным камнем (sunstone) также называют одну из разновидностей плагиоклазов – силикат натрия кальция алюминия (с примесями и без), используемый иногда в ювелирном деле. Но, несмотря на «легендарное» название, к навигации викингов этот минерал вряд ли имеет какое-то отношение. Перед нами скорее результат совпадения, вносящего лишь дополнительную путаницу (фотографии с сайта wikipedia.org).

Косвенным признаком своей правоты авторы исследования называют пример если не из истории викингов, то во всяком случае из довольно давнего прошлого. На борту елизаветинского судна, затонувшего у острова Олдерни (Alderney Elizabethan Wreck) в конце XVI века, археологи нашли кусочек исландского шпата. Может быть, он тоже служил для целей навигации.

(Детали новой работы раскрывает статья в Proceedings of the Royal Society A.)






Для навигации в море в пасмурную погоду викинги использовали поляризованный свет. И точно такой же приём помогает пчёлам ориентироваться под облаками, а порой и в сумерках. Оба этих предположения были выдвинуты учёными давно, но на днях они получили любопытные экспериментальные подкрепления.


Древние мореплаватели, в том числе и викинги, прекрасно ориентировались в море по звёздам и Солнцу. Но легенды гласят, что отважные скандинавские воины умели получать немало информации и от неба, затянутого облаками (фото с сайта timesonline.typepad.com).

Различные средневековые источники упоминают загадочный «cолнечный камень» (sunstone), также известный как «компас викингов» (viking compass) в качестве инструмента навигации у моряков. Мол, с его помощью можно определить положение Солнца (а значит и стороны света) даже если оно оказывалось скрыто облачной пеленой, туманом (при нахождении низко над горизонтом) или снегопадом.

Ещё в 1967 году датский археолог Торкильд Рамскоу (Thorkild Ramskou) выдвинул объяснение данным легендам. Он предположил, что в древних текстах речь шла о прозрачных минералах, поляризующих проходящий через них свет.


В 1969 и 1982 годах вышли книги Рамскоу, посвящённые солнечному камню и солнечной навигации викингов (иллюстрации с сайта nordskip.com).

Поскольку поток света от неба тоже поляризован в соответствии с моделью Релея (Rayleigh sky model), моряки могли бы глядеть вверх через камень, медленно поворачивая его в разные стороны.

Совпадение и несовпадение плоскостей поляризации у рассеянного атмосферой света и у кристалла выражалось бы в виде потемнения и просветления неба по мере разворота камня и наблюдателя. Ряд таких последовательных «замеров» помог бы с некой приличной точностью узнать — где Солнце.

Специалисты выдвинули несколько кандидатов на роль cолнечного камня — исландский шпат (прозрачный вариант кальцита), а также турмалин и иолит. Какой именно минерал использовали викинги — сказать сложно, все эти камни были им доступны.


Исландский шпат (слева) и иолит (справа, он отснят с двух сторон для демонстрации сильного плеохроизма) обладают нужными свойствами, чтобы попробовать научиться ориентироваться по скрытому Солнцу.
Правда до сих пор никто не провёл убедительного опыта с самими камнями в безбрежном море, чтобы окончательно подтвердить красивую версию о хитроумной навигации у древних скандинавов (фотографии ArniEin/wikipedia.org, Gerdus Bronn).

Любопытно, что в двадцатом веке иолит попал в авиацию в качестве поляризационного фильтра в приборе, служащем для определения положения Солнца после заката.

Дело в том, что и в сумерках свечение небосвода поляризовано, и потому точное направление на скрывшееся светило можно легко узнать, обладая «поляроидным» зрением. Приём сработает, даже если Солнце уже опустилось на семь градусов ниже горизонта, то есть через десятки минут после заката. Об этом факте, кстати, прекрасно известно пчёлам, но к ним мы ещё вернёмся.

В общих чертах принцип работы компаса викингов был ясен давно, но большим вопросом была экспериментальная проверка идеи. Опытам и расчётам в этом направлении несколько последних лет посвятил исследователь Габор Хорват (Gábor Horváth) из университета Отвоса в Будапеште.

В частности, вместе с коллегами из Испании, Швеции, Германии, Финляндии и Швейцарии он изучал картины поляризации света под пасмурным небом (а также в тумане) в Тунисе, Венгрии, Финляндии и в пределах полярного круга.


Габор Хорват в Арктике в 2005 году (фото с сайта elte.hu).

"Измерения велись при помощи точных поляриметров", – информирует New Scientist. Теперь же Хорват со товарищи обобщили результаты экспериментов.

Говоря коротко: исходный (от так называемого рассеяния первого порядка) рисунок поляризации на небосводе всё ещё обнаружим даже под облаками, хотя он весьма слаб, и в него вносит «шум» сама облачность (либо туманная пелена).

В обеих ситуациях совпадение картины поляризации с идеальной (по релеевской модели) было тем лучшим, чем тоньше покров облаков или тумана и чем больше в нём разрывов, поставляющих хоть толику прямых солнечных лучей.


Арктическое небо (слева направо) в туманной дымке, чистое и облачное. Сверху вниз: цветной снимок «купола», различия в степени линейной поляризации по всему небосводу (темнее – больше), измеренный угол поляризации и теоретический угол по отношению к меридиану. Последние два ряда показывают хорошее совпадение (иллюстрация Gábor Horváth et al./ Philosophical Transactions of the Royal Society B).

Габор и его соратники смоделировали также навигацию в условиях полностью затянутого пеленой пасмурного неба. Выяснилось, что и в таком случае «отпечаток» поляризации сохраняется и, теоретически, по нему можно вычислить положение Солнца. Но степень поляризации света при этом получалась очень низкой.

На практике это означает, что вооружённые не поляриметрами, а солнечными камнями викинги едва ли могли заметить слабые колебания в яркости неба при взгляде через кристалл. Навигация под сплошной облачной пеленой, если и была возможной, оказывалась неточной, — сделали вывод учёные.

Тем не менее, расследование, предпринятое Хорватом, показало, что легенды о солнечном камне и объяснение его работы Торкильдом — вполне правдоподобны и научно обоснованы.


Учёные установили, что как при чистом небе (колонки слева), так и при облачном (справа) доля от общей площади неба, в которой поляризация совпадает с релеевской (закрашена серым) падает по мере подъёма Солнца (чёрная точка) над горизонтом (угол подъёма указан в скобках). Данная съёмка проводилась в Тунисе.
Это, кстати, означает, что «поляризационный» метод навигации более выгоден в высоких широтах, где и оттачивали своё мастерство викинги (иллюстрации Gábor Horváth et al./ Philosophical Transactions of the Royal Society B).

Кстати, о легендах. Хорват цитирует упоминание о «поляризационной навигации» в скандинавской саге: «Погода была облачная, шёл снег. Святой Олаф, король, послал кого-нибудь, чтобы осмотреться, но не было чистой точки на небе. Потом он попросил Сигурда сказать ему, где Солнце.

Сигурд взял солнечный камень, посмотрел на небо и увидел, откуда пришёл свет. Так он выяснил положение невидимого Солнца. Оказалось, что Сигурд был прав».

В наше время учёные описывают принцип навигации по поляризованному свету куда точнее древних сказителей. Сначала двоякопреломляющий кристалл (тот самый солнечный камень) нужно было «откалибровать». Рассматривая через него небо в ясную погоду, причём в стороне от светила, викинг должен был поворачивать камень, добиваясь наибольшей яркости. Тогда направление на Солнце следовало нацарапать на камне.

В следующий раз, стоило появиться хоть небольшому просвету в облаках, мореплаватель мог нацелить на него камень и повернуть до максимальной яркости неба. Линия на камне указала бы на Солнце. Об определении координат дневной звезды без всякого просвета мы уже говорили.


Археологи время от времени находят затонувшие корабли викингов, современные энтузиасты строят их копии (на видео внизу показана одна из таких реплик – судно Gaia), но до сих пор не все тайны умелых мореплавателей прошлого раскрыты (иллюстрации с сайтов marineinsight.com, waterwaysnews.com, reefsafari.com.fj).



Ну а направление на географический север по положению Солнца узнать было проще. Для этого у викингов имелись особым образом размеченные солнечные часы, на которых резьбой были показаны крайние траектории тени от гномона (от рассвета до заката в равноденствие и летнее солнцестояние).

Если на небе присутствовало Солнце, часы можно было расположить определённым образом (чтобы тень попадала на нужную полосу), и определить стороны света по отметкам на диске.


Этот кусочек солнечных часов (a) археологи нашли в Гренландии (серым цветом на схеме (b) отмечена пропавшая часть); с – принцип определения положения тени, d – картина поляризации неба (стрелки).
Точность данных часов-компаса была велика, но, с поправкой: совершенно правильно они показывали север только с мая по август (как раз в парусный сезон у викингов) и только на широте 61 градус – как раз там, где проходил самый частый маршрут викингов через Атлантику – между Скандинавией и Гренландией (иллюстрации Gábor Horváth et al./ Philosophical Transactions of the Royal Society B).

А если на небе облачно – не беда. Авторы нового исследования предполагают, что, установив позицию Солнца по солнечному камню, навигаторы викингов могли заменить светило факелом и по тени на часах сориентироваться в пространстве.

Противники теории о «поляриметрической навигации» нередко говорят, что даже в пасмурную и туманную погоду, как правило, положение Солнца можно прикинуть и на глаз — по общей картине освещения, лучам, пробивающимся сквозь неравномерности в пелене, отсветам на облаках. И оттого, якобы, у викингов не было необходимости изобретать сложный метод с солнечным камнем.

Габор решил проверить и это предположение. Он отснял в нескольких точках мира множество полных панорам дневного неба с облачностью разной степени тяжести, а также вечернего неба в сумерках (близ морского горизонта). Затем эти снимки показали группе добровольцев — на мониторе в тёмной комнате. Мышкой их просили указать расположение Солнца.


Один из кадров, использованных в тесте на навигацию «на глазок». Попытки испытуемых показаны небольшими белыми точками, большой чёрной точкой с белым кантом отмечено «среднее» положение светила по мнению наблюдателей (иллюстрация Gábor Horváth et al./ Philosophical Transactions of the Royal Society B).

Сравнив выбор испытуемых с фактическим нахождением светила, учёные нашли, что по мере роста плотности облаков среднее расхождение между кажущимся и истинным положением Солнца заметно растёт, так что викингам вполне могла понадобиться дополнительная технология ориентации по сторонам света.

И к этому аргументу стоит добавить ещё один. Целый ряд насекомых чувствителен к линейной поляризации света и использует это преимущество для навигации (а иные ракообразные даже распознают свет с круговой поляризацией). Вряд ли эволюция изобрела бы такой механизм, если бы положение Солнца на небе всегда можно было бы увидеть обычным зрением.

Биологам известно, что пчёлы при содействии поляризованного света ориентируются в пространстве — они глядят на просветы в облаках. Об этом примере, кстати, вспоминает и Хорват, когда говорит о предпосылках к необычной навигации у викингов.

Есть даже вид пчёл (Magalopta genalis из семейства галиктид), представители которого и вовсе вылетают на работу за час до восхода (и успевают возвратиться домой до него) и потом уже — после заката. Эти пчёлы ориентируются в сумеречном свете по поляризационной картине на небосводе. Её создаёт Солнце, только собирающееся взойти или недавно закатившееся.

Мандиам Шринивашан (Mandyam Srinivasan) из университета Квинсленда и его коллеги из других университетов Австралии, а также Швеции и Швейцарии, провели эксперимент, который Шринивашан называет «окончательным доказательством» того, что теория о навигации пчёл по поляризованному свету верна.

Учёные построили простой лабиринт из пары перекрещивающихся коридоров. Так получился один вход и три возможных выхода. Коридоры освещались поляризованным светом, который нисходил с потолка, имитирующего небо. Свет мог быть поляризован вдоль оси коридора или перпендикулярно к ней.


Схема опыта Шринивашана (на врезке). Положение кормушки в серии экспериментов меняли, так что верным мог быть и прямой, и правый, и левый путь (иллюстрации P. Kraft, M. V. Srinivasan et al./ Philosophical Transactions of the Royal Society B, qbi.uq.edu.au).

Биологи обучили 40 пчёл, влетая в лабиринт определять поляризацию во входном коридоре и на перекрёстке выбирать коридор с аналогичной поляризацией (два других пути при этом подсвечивались светом иной «направленности»). В конце верного путешествия насекомых ждал сахар.

После того, как подопечные исследователей прочно связали подкормку с правильной поляризацией освещения, экспериментаторы удалили сахар. 74 процента пчёл продолжили сворачивать туда, где раньше лежало угощение.

Потом учёные переключили поляризационные фильтры, сначала на прямой выход вместо верного правого, а потом на левый. Большая часть пчёл (56% и 51%) последовала новым световым указателям. Оставшиеся — распределились между двумя неверными коридорами.

Опыт был обставлен так, чтобы полосатые испытуемые не могли использовать для ориентации в пространстве иные приметы — пахучие метки или простые световые блики. Да и самый простой способ достичь цели (следовать правилу «лететь до перекрёстка, затем повернуть направо»), далеко не обязательно срабатывал. Получилось, что именно поляризация лучей говорила насекомым — куда лететь за едой.

Опыт с пчёлами, конечно, ничего нам не скажет о секрете древних мореплавателей. Но зато он напоминает, что нередко для решения похожих задач и люди и животные выбирают сходную тактику. Результаты двух новых исследований опубликованы в одном номере Philosophical Transactions of the Royal Society B: «детективы» с викингами и с пчёлами удачно совпали во времени.

Автор статьи: Леонид Попов