Die Polarisationsmuster am Tag weisen den Weg zum wahren Norden

Können Sie allein durch einen Blick in den Tageshimmel erkennen, wo Norden ist, ohne einen Kompass oder ein GPS zu verwenden oder auch nur den Stand der Sonne zu kennen? Dank einer neuen optischen Methode könnte die Antwort bald „Ja“ lauten. Die von Forschern der Universität Aix-Marseille in Frankreich entwickelte Methode basiert auf der Analyse der Polarisationsmuster im gestreuten Tageslicht. Es unterstützt nicht nur die Entwicklung alternativer Navigationstechniken, sondern könnte uns auch helfen zu verstehen, wie Tiere physikalische Phänomene für ihre Wanderung nutzen.

Derzeit gibt es drei Hauptmethoden zur Bestimmung des wahren Nordens. Eine besteht darin, die Positionen der Sterne zu nutzen, wie es Seefahrer im Laufe der Menschheitsgeschichte getan haben. Eine andere besteht darin, sich auf Magnetkompasse zu verlassen. Die dritte und jüngste Methode umfasst globale Navigationssatellitensysteme wie GPS. Allerdings hat jede Methode ihre Nachteile. Sterne sind nur nachts und bei gutem Wetter sichtbar. Magnetkompasse werden leicht durch magnetische Störungen beeinträchtigt, auch durch natürliche Quellen wie eisenhaltiges Gestein. Und Satellitennavigationssysteme sind anfällig für Störungen und Hackerangriffe.

In den letzten Jahren haben sich Forscher Insekten und Zugvögel zugewandt, um neue Ideen für die Navigation mithilfe spärlicher magnetischer und visueller Hinweise zu finden. Es ist beispielsweise bekannt, dass Cataglyphis-Ameisen die Himmelspolarisierung nutzen, während Zugvögel ihren inneren magnetischen Kompass kalibrieren, indem sie die Rotation von Sternen um den Himmelspol beobachten. Einige Vögel nutzen möglicherweise auch die Polarisation, um tagsüber zu navigieren.

Die neue Methode, die die Forscher SkyPole getauft haben, basiert auf der Oberlichtpolarisation, die auftritt, wenn Partikel in der Atmosphäre Licht streuen. Im Gegensatz zu Farbe oder Intensität ist die Polarisation des Oberlichts für das menschliche Auge unsichtbar und erzeugt ein deutliches Muster, das von der Position der Sonne in Bezug auf einen Beobachter auf der Erdoberfläche abhängt.

Da sich die Erde um eine Nord-Süd-Achse dreht, kann ein Beobachter auf der Nordhalbkugel im Laufe eines Tages sehen, wie die Sonne eine Bahn um den Himmelsnordpol zeichnet – also um den Punkt am Himmel, der ihr entspricht der Schnittpunkt zwischen der Rotationsachse der Erde und der Himmelssphäre. Muster im Grad der Polarisation des Tageslichts rotieren daher tagsüber um diesen Pol, so wie sich Sternbilder nachts um den Nordstern drehen.

„Der Polarisationszustand bleibt am nördlichen Himmelspol zu jeder Tageszeit konstant“, erklärt Thomas Kronland-Martinet, Mitglied des Studienteams und Doktorand am Institut des Sciences du Mouvement (ISM) in Aix-Marseille Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP). „Es ist der einzige Punkt am Himmel, an dem es diese Eigenschaft gibt.“

Durch das Sammeln von Bildern von Polarisationsmustern im Zeitverlauf mit einer polarimetrischen Kamera konnten die Forscher den nördlichen Himmelspol am Schnittpunkt der „Polarisationsinvarianzen“ lokalisieren – also der Polarisation, die zwischen zwei unterschiedlichen Zeiträumen gemessen wurde.

„Im Gegensatz zu früheren Studien berechnen wir bei unserer Methode nicht die Position der Sonne, sondern verwenden direkt das Muster des Oberlichts als Navigationshinweis“, erklärt Kronland-Martinet. „Genauer gesagt berücksichtigen wir die zeitliche Variation der Himmelslichtpolarisation, was es uns ermöglicht, die Position des Himmelspols einfach zu berechnen, ohne komplexe trigonometrische Berechnungen durchführen zu müssen. Darüber hinaus benötigen wir keine weiteren Informationen als Polarisationsbilder, was unsere Methode sehr einfach macht.“

Polarisiertes Licht bringt den Magnetkompass der Vögel aus der Bahn

Den Forschern zufolge könnte SkyPole zur Kalibrierung von Kompassen für Trägheitsnavigationssysteme verwendet werden, die im Laufe der Zeit einer Drift unterliegen. Es könnte auch die Meeresnavigation unterstützen, indem es beispielsweise die Entwicklung automatischer polarimetrischer Sextanten ermöglicht. Laut Kronland-Martinet könnte es sogar eine Alternative zur satellitengestützten Navigation werden. „Obwohl sie hochpräzise sind, können [Satellitennavigationssysteme] leicht verwischt und gefälscht werden und sind möglicherweise nicht der beste Kandidat, wenn robuste Informationen benötigt werden – zum Beispiel in autonomen Fahrzeugen“, sagt er gegenüber Physics World.

Derzeit ist SkyPole aufgrund seiner langen Datenerfassungszeiten nicht für die sofortige globale Ortung geeignet, aber die Mitglieder des Teams suchen nach Möglichkeiten, es schneller zu machen. Sie berichten über ihre Arbeit in PNAS.