Международная научная группа собрала свидетельства того, что викинги могли использовать методы «поляриметрической» навигации.
Викинги, опытные судостроители и мореплаватели, совершали длительные морские походы в Северной Атлантике. Один из важнейших морских путей того времени соединял современный Берген с южной частью Гренландии и пролегал в районе 61-го градуса северной широты. Определять направление на географический север в таком путешествии им помогало оригинальное навигационное устройство — деревянный диск с засечками и гномоном.
Если Солнце скрыто облаками или туманом, устройство, гномон которого должен отбрасывать тень, становится бесполезным. Ориентироваться по звёздам в условиях полярного дня викинги тоже не могли, а магнитного компаса у них не было.
Часть деревянного навигационного диска с отметками, найденного на юге Гренландии.
Левая половина прибора отсутствует. (Иллюстрация из журнала Philosophical Transactions of the Royal Society B.)
Поскольку в Северной Атлантике Солнце довольно часто пропадает из виду на несколько дней, датский археолог Торкильд Рамскоу (Thorkild Ramskou) ещё в конце 60-х годов прошлого века предположил, что в пасмурные дни мореходы использовали в навигационных целях кристаллы с двойным лучепреломлением. Свет, проникающий сквозь атмосферу Земли, становится частично линейно поляризованным, а кристалл играет роль поляризатора, который викинги могли «откалибровать», заметив, в каком положении участок ясного неба при наблюдении через кристалл представляется наиболее ярким, и обозначив, какую позицию занимает при этом Солнце. Подготовленный таким способом прибор давал возможность вычислить положение скрытого Солнца.
Многие учёные отождествляют двоякопреломляющий кристалл с «солнечным камнем» (sólarsteinn), описание которого даётся в сагах. В одной из них Святой Олаф просит Сигурда сказать, где находится Солнце, после чего берёт «солнечный камень» и определяет положение «невидимого» (а погода стояла облачная и снежная) светила самостоятельно, подтверждая правоту Сигурда. Материалом для «солнечного камня» могли служить исландский шпат, прозрачная разновидность кальцита, кордиерит или турмалин.
Стоит заметить, что поляриметрический прибор схожего принципа действия, разработанный в 1948 году, использовали в навигационных целях пилоты SAS. Природные способности к ориентированию на местности с учётом поляризации солнечного излучения обнаружены у медоносных пчёл Apis mellifera и многих других членистоногих.
Исландский шпат (фото с сайта Nbii.Gov).
Описанная гипотеза элегантна и проста, а достойных альтернатив у неё нет. В то же время экспериментальной информации, подтверждающей её истинность, не хватает; авторы обзорной статьи в новом номере журнала Philosophical Transactions of the Royal Society B постарались обобщить все имеющиеся данные, бóльшую часть которых они собрали сами.
Один из первых опытов, проведённый в 2005 году, показал, что утверждения скептиков, считавших человека способным безо всяких приборов точно определить положение Солнца в пасмурный день, безосновательны. Исследователи сделали несколько фотографий облачного и сумеречного неба с помощью объектива типа «рыбий глаз» с полем обзора в 180?, а затем предложили добровольцам указать, где находится Солнце. Как оказалось, в сложных случаях люди делают очень существенные ошибки; разумеется, опытные навигаторы прошли бы такой тест с лучшими результатами, но даже они не достигли бы нужной точности.
В двух других экспериментах исследовалась возможность использования методов «поляриметрической» навигации в условиях тумана или сплошной облачности. При наблюдении неба с борта шведского ледокола Oden и с территории Венгрии учёные установили, что поляризационная картина в целом повторяет ту, которая устанавливается в солнечный день. Однако просветы в облачности викингам всё же были необходимы: если небо полностью затянуто облаками, заметить потемнение его участка при повороте кристалла чрезвычайно сложно.
Вы наверное помните, как мы с вами обсуждали, кто такие . Вот вот в сагах о норвежских викингах содержатся упоминания о загадочном и волшебном «Солнечном камне», при помощи которого моряки могли определять положение солнца. В сказках о Святом Олафе – короле викингов, наряду с другими волшебными предметами упоминаются и некие загадочные кристаллы, поэтому возможность существования этих камней долго время была под сомнением.
Отважные мореходы викинги не знали магнитного компаса (который к тому же в приполярных областях бесполезен), но в то же время отлично ориентировались в море, доплывая до Гренландии и Северной Америки. В одной из древних исландских саг (конец IX - начало Х века) изложен эпизод плавания викингов при пасмурной погоде, когда ориентироваться по Солнцу не было возможности: “Погода стояла облачная и штормовая… Конунг осмотрелся и не нашел ни клочка голубого неба. Тогда он взял солнечный камень, поднял его к глазам и увидел, где Солнце шлет свой луч через камень”.
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.
Действительно, поляризационный фильтр, направленный на покрытое облаками небо, позволяет определить, где на небосводе поляризованность света максимальна и где минимальна, а отсюда понять, где находится Солнце. Сам солнечный свет не поляризован, но его поляризуют облака. Этот метод навигации был открыт только в ХХ веке и использовался в полярной авиации вплоть до появления радиокомпаса и спутниковой навигации, но, возможно, викинги знали его тысячелетие назад. Кстати, пчелы используют его в облачные дни, так как их глаза воспринимают поляризованный 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 – судноGaia), 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.
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).
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.
То, как ориентировались древние жители Скандинавии — викинги, в открытом море, в высоких широтах, где солнце во время полярного дня не садится месяцами за горизонт, давно является предметом догадок, ученых споров и предположений, а также фольклора. И действительно, каким образом, без магнитного компаса, без других навигационных приборов, без возможности ориентирования по звездам, которую имели, например, арабские или европейские мореходы, можно было не только открывать новые земли, но и возвращаться обратно на суровую, но такую любимую родину, даже после зимовок в чужих краях?
Последние открытия, вкупе с исследованиями и экспериментами ученых, показывают, что викинги, скорее всего, использовали в своих походах для ориентации солнечные часы и «солнечный камень».
Таинственный артефакт
В 1948 году в руинах бенедиктинского монастыря в Уунартоке (Гренландия) археологи обнаружили таинственный деревянный артефакт. Местность Уунарток до 10 века была населена викингами. Артефакт полукруглой формы имел зигзагообразную гравировку в виде насечек по периметру. Если к артефакту приставить симметричную вторую часть, то этих вырезов было бы ровно тридцать два, что совпадает с количеством делений на современном компасе, румбов. Еще несколько линий были нацарапаны внутри.
Некоторые скептики утверждают, что это просто бытовое украшение, но большинство исследователей думает, что это и есть пресловутый солнечный компас викингов. Последние даже проверяли его действие на борту точной копии корабля викингов. Однако навигационные линии были неполными и прибор, соответственно, не очень подходил для определения севера. Не вдаваясь в технические подробности, можно сказать, что погрешность при этом была существенной и привела бы к долгому плаванию в неверном направлении, что в условиях северных морей не просто опасно, а смертельно.
Ученые из университета города Будапешт под руководством Берната Балаша выдвинули свою гипотезу о том, что находка имела более сложную конструкцию и только в таком виде могла успешно применяться для навигации. По их мнению, конструкция состояла из двух гномонов (часть солнечных часов, по тени от которой определяется время). Первый, более короткий и широкий гномон, служил для определения полдня. Второй, более высокий и узкий, а также более точный, позволял определить широту. Подобным, более сложным прибором, уже можно было пользоваться и после полудня.
Предположительное устройство навигационного прибора викингов на основе найденного фрагмента. Линии использовались для прямоугольного гномона (в центре), давая возможность зафиксировать момент местного полудня. Семнадцать насечек в виде зубьев на (предположительно) северной стороне служили для чтения длины полуденной тени высокого гномона. (Реконструкция Balázs Bernáth)
Но как же быть с ориентацией в пасмурные дни или после захода дневного светила ? Как викинги настолько уверенно и хорошо ориентировались в северных широтах, что смогли достичь Гренландии, открыть Америку за несколько столетий до Колумба, посетить Багдад, а, по некоторым данным, даже Дальний Восток?
Компьютерное моделирование показывает, что солнечный камень Викингов является очень точным. исследователи из Университета ELTE Eötvös Loránd в Венгрии провели компьютерные симуляции, которые предполагают, что сказки о викингах, использующие солнечный камень для навигации в пасмурную погоду, могут быть правдой.
За период с 900 по 1200 год, викинги управляли Атлантикой. Их мастерство в строительстве кораблей и в навигации позволило им путешествовать по всей Северной Атлантике. Предыдущие исследования показали, что викинги использовали определенный тип солнечных часов для навигации, что, по-видимому, давало им довольно точные измерения. Но что они делали, когда было облачно или туманно?
Рассказы о викингах передавались через поколения, утверждая, что они хорошо ориентировались благодаря использованию солнечных лучей, что позволило навигаторам викингов находить солнце даже в пасмурные дни. Но доказательство истинности сказанного было проблематичным — ни один солнечный камень никогда не был найден при кораблекрушении викингов или вблизи него.
Большинство исследователей, изучавших возможность солнечного камня, предположили, что некоторые кристаллы, такие как кальцит, кордиерит и турмалин, могут разделить солнечный свет на два луча, даже когда облачно — и когда кристалл поворачивается, разбивая два луча с одинаковой яркостью, навигатор мог видеть поляризованные кольца вокруг Солнца, эффективно отображая его размещение в небе.
Саз и Хорват отметили, что до сих пор никто не проверял использование таких кристаллов для навигации из Норвегии в Исландию, Гренландию или в Северную Америку, вероятно, потому, что одного или двух путешествий недостаточно, чтобы доказать свою полезность, особенно если во время такого путешествия не было облачно.
По их мнению, лучший подход — это компьютерное моделирование рейсов из одной точки Норвегии в другую точку в Гренландии. После ввода данных, описывающих такие поездки, исследователи проводили моделирование много раз в течение двух конкретных виртуальных дней, весеннего равноденствия и летнего солнцестояния. Они проводили испытания для разных типов кристаллов и с разными интервалами времени.
Исследователи сообщают, что они нашли смешанные результаты в зависимости от того, какой тип кристалла использовался и как часто навигатор определял положение Солнца и обнаружили, что использование кристалла кордиерита в течение минимум трех часов было приблизительно на 92,2-100 процентов точным.
Больше информации: Success of sky-polarimetric Viking navigation: revealing the chance Viking sailors could reach Greenland from Norway, Published 4 April 2018. DOI: 10.1098/rsos.172187
Резюме.
Согласно известной гипотезе, моряки викингов могли перемещаться по широте между Норвегией и Гренландией посредством поляризации неба в пасмурную погоду с использованием солнечного компаса и кристаллов солнечного камня. Используя данные, измеренные в более ранних атмосферных оптических и психофизических экспериментах, здесь мы определяем скорость успеха этой небо-поляриметрической навигации. Имитируя 1000 рейсов между Норвегией и Гренландией с различной облачностью в летнее солнцестояние и весеннее равноденствие, мы обнаружили вероятность того, что моряки Викингов смогут добраться до Гренландии в условиях различных погодных условий трехнедельного путешествия в зависимости от периодичности навигации Δt, если они анализировали поляризацию неба с кальцитовыми, кордиеритными или турмалинными кристаллами. Также представлены примеры маршрутов рейса. Наши результаты показывают, что небесно-поляриметрическая навигация удивительно успешна в оба дня весеннего равноденствия и летнего солнцестояния даже в облачных условиях, если навигатор периодически определял северное направление по крайней мере один раз в каждые 3 часа независимо от типа солнечного камня, используемого для анализ поляризации неба. Это объясняет, почему викинги могли владеть Атлантическим океаном в течение 300 лет и могли достичь Северной Америки без магнитного компаса. Наши результаты свидетельствуют о том, что важна не только периодичность навигации, но и распределение времени, когда выполняемая навигационная процедура максимально симметрична относительно момента времени реального полудня.
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.
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 – (иллюстрации Gábor Horváth et al./ Philosophical Transactions of the Royal Society B).
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 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.