Ориентация викингов

В сериале «Викинги» будущий конунг Рагнар Лодброк предпринимает рискованное предприятие. Он решает отправиться на запад, чтобы найти неизвестные, но богатые земли – нынешнюю Англию. В ходе плавания смелые скандинавы попадают в сложное положение. У них отсутствует магнитный компас (впрочем, малоприменимый в северных широтах), а небо на протяжении нескольких суток оказывается затянуто плотными облаками. Чтобы сориентировать корабль, мореплавателям необходимо определить положение Солнца (а с его помощью — сторон света), но как это сделать?

Рагнар «Кожаные штаны» Лодброк не растерялся. Он достал какой-то полупрозрачный кристалл и начал вращать его перед глазами, оглядывая затуманенную небесную гладь. Спустя непродолжительное время ему удалось определить, где находится Солнце, и дать указания рулевому.

Этот эпизод в сериале цитирует одну из древних саг викингов. В ней король Олаф спрашивает своего конунга Сигурда, где находится Солнце. Погода стояла мрачная, снег валил стеной, конунгу не удалось обнаружить и клочка голубого неба, однако он поднёс к глазам предмет, который в саге именуется «солнечным камнем» (solarsteinn), и с его помощью узнал, откуда Солнце шлёт свои лучи.

«Солнечные камни» многократно упоминаются в разных сагах и древних скандинавских легендах. Тем не менее, долгое время историкам и археологам было неизвестно, что это такое. Лишь в 1967 году датский археолог Торкильд Рамскоу (Thorkild Ramskou) предположил, что это может быть кристалл какого-либо прозрачного, поляризующего проходящий через него свет минерала.

К такой мысли Торкильда Рамскоу подтолкнуло использование в полярной авиации поляризационных фильтров, таких как минерал кордиерит (иолит). Лётчики применяли поляризационные фильтры вплоть до появления радиокомпасов и спутниковой навигации. С их помощью авиаторы определяли положение Солнца даже в закатных сумерках, после того как светило уже опустилось на семь градусов ниже линии горизонта.

Впрочем, убедительных археологических подтверждений догадки Рамскоу не было, пока дайверы-любители не обнаружили близ острова Олдерни (принадлежит к архипелагу Нормандских островов, Великобритания) судно, потерпевшее кораблекрушение в 1592 году. В одном из отсеков аквалангисты нашли несколько навигационных приборов и какой-то неизвестный кристалл.

Химико-физический анализ показал, что это разновидность кальцита (CaCO3) – исландского шпата. Большинство учёных согласились, что, с учетом обстоятельств находки, он скорее всего использовался для навигации. Этот артефакт стал весомым доводом в копилку сторонников гипотезы о существовании «солнечных камней» – простейших компасов – у викингов. 

Принцип

Говоря очень упрощённо, свет можно представить как волну – распространяющееся колебание напряженности электромагнитного поля.  Такого рода колебания (в отличие, скажем, от акустических продольных волн) всегда перпендикулярны направлению волны. Это легко понять на примере с верёвкой. Если мы натянем её вдоль земли, то раскачать веревку (заставить колебаться) можно или в вертикальной плоскости, или в горизонтальной. Собственно, это есть поляризованное колебание.

Солнечный свет является тепловым излучением, поэтому сам по себе не имеет поляризации. Однако, будучи рассеянным от неба, облаков, туч и тумана, он приобретает частичную линейную поляризацию. Так происходит из-за того, что свет поглощается, а затем вновь рассеивается молекулами воздуха. При этом рассеивание в одном конце спектра (синем) больше, нежели чем в другом (красном).  Эти различия описываются так называемой моделью Рэлея (она в числе прочего объясняет, почему небо имеет характерный голубой цвет).

Как мы уже выяснили, свет может поляризоваться лишь в какой-то одной плоскости, а не во всех направлениях сразу. Поэтому, поворачивая какой-либо пропускающий свет кристалл то так, то эдак перед глазами, можно добиться совпадения или несовпадения плоскостей поляризации. Для наблюдателя это выглядит как потемнение или просветление участков неба. С помощью таких нехитрых манипуляций можно определить, где находится источник света – Солнце. Но насколько такого рода процедура будет точной?

Эксперименты

Этим вопросом задалась группа исследователей под руководством Габора Хорвата (Gabor Horvath)  из Будапештского университета имени Лоранда Этвеша (Венгрия). Ещё в 2011 году они поставили большую серию экспериментов с использованием современных поляризационных фильтров. Учёные наблюдали за небом в разных широтах (в Тунисе, Испании, Венгрии, Германии, Швеции, Финляндии) и в различных условиях (в ясную погоду, при небольшой и сильной облачности, утром, днём и вечером).

Выяснилось, что лучше всего наблюдаемая картина поляризации совпадает с моделью Рэлея при ясном небе, независимо от широты. Чем больше покров облаков или туманная пелена, тем более смазанным становится «рисунок» поляризации. Однако даже в условиях штормовой погоды можно вычислить положение Солнца. Следовательно, гипотеза археолога Торкильда Рамскоу вполне теоретически вполне правдоподобна. В дальнейшем Габор Хорват решил проверить её и на практике.

Известно, что в Скандинавии местные жители добывали и искусно обрабатывали три типа минералов: кальциты (исландский шпат), кордиериты и турмалины. Все они потенциально могли использоваться как «солнечные камни». 

Хорват раздал кристаллы добровольцам и попросил на основании манипуляций с кристаллом максимально точно определить положение Солнца. Увы, разброс в субъективных оценках  составил до 99 градусов. Иными словами, о каком-либо использовании «солнечных камней» на практике для целей навигации не могло быть речи. Однако Хорват не отчаялся и поставил новую серию экспериментов, результаты которых были опубликованы 20 января 2016 года в журнале Royal society Open Science.

В ходе опытов в лабораторных условиях симулировались положение и движение Солнца, наблюдающееся между берегами Норвегии, юга Гренландии и  острова Ньюфаундленд. Как и в исследовании 2011 года, при ясном небе, когда уровень поляризации света высок, испытуемые довольно точно определяли положение Солнца на небосводе с помощью любого из кристаллов.  Ошибка составляла не более 3 градусов.

В условиях небольшой облачности лучшие результаты демонстрировались при использовании кордиерита и турмалина.  Однако если облачность была густой, парадоксальным образом, кальцит оказывался самым эффективным минералом. В таких условиях ошибка в определении позиции Солнца для турмалина составляла  около 17 градусов, для кордиерита 10, а для кальцита всего 6! Впрочем, и такие значения ошибок делают навигацию по «солнечным камням» довольно проблематичной.

Ученые полагают, что, скорее всего, «солнечный камень» использовался в совокупности с другими приборами, например, солнечными часами. Более того, возможно, викинги использовали специальную «калибровку» «солнечного камня» в ясную погоду, нанося специальные насечки на камень, отмечающие положение Солнца при максимальной и минимальной интенсивности пропускаемого через кристалл солнечного света. В дальнейшем, в облачную погоду, это могло помочь более точно определить положение Солнца.

Определив с некоторой погрешностью положение светила, викинги могли также использовать его искусственную замену – факел, чтобы сориентироваться в пространстве уже по солнечным часам.

Таким образом, «солнечные камни» вполне могли использоваться древними скандинавскими мореплавателями и войнами для морской навигации, но, скорее всего, в совокупности с другими инструментами и техниками наблюдений. Вероятно, дальнейший свет на этот вопрос могут пролить только новые археологические находки.