02.02.2011

Солнечный камень уравнял викингов с пчёлами

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.

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.

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.

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.

"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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Леонид Попов

Источники:

1. MEMBRANA