Исландский шпат, кристалл
Исландский шпат — разновидность минерала кальцита (СаСО3), который обладает интересным оптическим свойством — двупреломлением . Если кристалл этого минерала положить на плоскую поверхность, на которой есть какое-то изображение, оно окажется двойным. Но если кристалл повернуть на 90 градусов — изображение станет обычным.
Поляризация света в кристалле исландского шпата
Это связано с тем, что свет, проходящий сквозь кристалл, поляризуется, то есть разлагается на две световые волны. Одна из них идет прямо, создавая истинное изображение, а другая отклоняется внутри кристалла под некоторым углом.
Мы видим обе эти световые волны — и получается двойное изображение. Но такое разложение света в кристалле наблюдается только в одном направлении. В другом, отличном на 90 градусов, разложения не будет. Это связано с внутренним строением кристалла, ориентировкой молекул в данной модификации кальцита. Поляризовывать свет могут и другие минералы, например турмалин и кордиерит .
Исландский шпат в средние века называли «солнечным камнем» (на норвежском языке sólarsteinn ). В древних сагах скандинавов есть тексты, описывающие, как с помощью плоского кристалла можно найти солнце на небе, даже при полной облачности, отсюда и название – «солнечный камень». Этот камень также упоминается в нескольких текстах, написанных в исландских монастырях 14 и 15 веков. Исландский шпат поляризует свет и преломляет его, это свойство, по преданиям викингов, позволяло использовать его в качестве инструмента навигации.
Викинги не использовали звезды для навигации, так как в северных широтах летом солнце не заходит за горизонт круглые сутки, а компас в Европе в то время ещё не был известен. Но компас, в любом случае, мало бы помог в навигации из-за близости к Северному полюсу.
Кристалл исландского шпата был найден в 16 веке на острове Олдерни, самом северном из Нормандских островов, среди обломков древней ладьи викингов, разбившейся при кораблекрушении. Назначение камня долгое время оставалось не ясным, исследователи впоследствии предположили, что плоский кристалл – часть какого-то навигационного прибора.
В древней саге викингов «Rauðúlfs þáttr» буквально говорится следующее: «Погода была туманной и снежной, как предсказывал Сигулд. Тогда царь Олаф призвал Сигулда к нему. И сказал своим людям искать чистое небо, но они его не увидели. Затем вновь спросил Сигулда. Тот дал четкое утверждение. Тогда царь взял солнечный камень и поднял его и все увидели свет, излучаемый из камня и, таким образом подтвердилась правота Сигулда».
Средневековые тексты полны аллегорий, поэтому солнечный камень и нахождение с его помощью солнца в пасмурную погоду, описанное в древней саге, тоже может быть какой-то аллегорией. К тому же камень в дословном переводе называется ещё и «светящимся».
Тем не менее, владельцы крупных кристаллов исландского шпата не оставляют попыток повторить опыт викингов. Теоретически, так можно определить положение солнца, даже если оно уже опустилось за горизонт.
Конечно, при повороте камня разница в освещении неба есть, но она невелика. Возможно, надо иметь какой-то практический опыт, чтобы ее заметить.
Возможно, в древних текстах имеется в виду какой-то другой камень. Поэтому на практике ответ на вопрос: «является ли кристалл исландского шпата навигационным прибором средневековых мореходов» остается открытым.
В течение долгих лет ученые пытались определить, каким образом викингам удавалось совершать длительные морские путешествия. Ведь, как известно, для этих отчаянных скандинавских мореплавателей с их компактными маневренными кораблями драккарами не составляло особого труда преодолевать путь протяженностью около 2500 километров от берегов Норвегии до Гренландии, не отклоняясь от курса, то есть практически по прямой линии!
Не говоря уже о том, что именно викинги под предводительством Лейфа Эрикссона считаются настоящими первооткрывателями Америки.
Часы фьорда Уунарток
Ни о какой магнитной навигации в те времена не было и речи, мореходам приходилось в буквальном смысле полагаться на волю неба - ориентироваться по положению солнца, луны и звезд, вот только северные воды не отличаются мягким климатом и солнечной погодой, облака и туманы там - самое обычное явление. Каким же образом викингам удавалось ориентироваться в таких условиях?
Этот вопрос оставался без ответа до 1948 года, пока не был обнаружен легендарный диск Уунарток - компас, который, согласно сагам, в сочетании с неким solstenen, магическим солнечным кристаллом, служил главным инструментом навигации северных мореплавателей. Но это открытие дало больше вопросов, чем ответов.
В записях, современных эпохе викингов, и более поздних письменных источниках можно встретить упоминание о довольно
точном, несмотря на внешнюю простоту, компасе, который позволял воинам-путешественникам определять направление движения судна в любую погоду.
Ну и что здесь особенного, спросите вы. Однако для раннего Средневековья такие возможности были сродни колдовству. Ориентироваться в открытом море, не видя небесных светил, при существовавшем на тот момент уровне навигации было практически невозможно.
Тем не менее викингам, считавшимся в христианском мире IX-XI веков грязными язычниками, у которых не было даже собственного государства, это удавалось с завидным успехом.
Что же представлял собой компас викингов и как он работал? Фрагмент диска из гренландского фьорда Уунарток позволил исследователям определить, что компас викингов, по сути, являл собой сложные солнечные часы с пометками, обозначающими стороны света, и резьбой, соответствующей траекториям тени от гномона (центрального язычка солнечных часов) в течение всего светового дня в летнее солнцестояние и равноденствие.
Согласно экспериментальным данным, полученным исследователем этого артефакта Габором Хорватом (Gabor Horvath) из университета Отвоса в Будапеште, точность часов была весьма велика: если расположить диск в солнечную погоду определенным образом - так, чтобы тень от гномона совпала с соответствующей насечкой, - можно сориентироваться по сторонам света с погрешностью не более 4°.
Правда, в трудах Хорвата делается поправка на то, что диск Уунарток наиболее эффективен в период с мая по сентябрь и только на широте 61°. Иными словами, часы-компас использовались исключительно в летнее время, когда викинги совершали свои походы, и обеспечивали наиболее точную навигацию на пути от Скандинавии к Гренландии через северную часть Атлантического океана -на самом частом и протяженном маршруте в открытых водах.
Однако исследование одного только диска Уунарток так и не дало ответ на вопрос, что же это за мистический «солнечный камень», дававший викингам ориентир, когда на небе не было видно нашего светила.
Мифология и геология
Правдоподобность использования викингами мифического камня для навигации долгое время ставилась под сомнение. Скептики и вовсе полагали, что «солнечным камнем» был обыкновенный кусок магнитного железняка, а свечение и явление солнца из-за облаков - всего лишь выдумка сказителей.
Но исследователи, более подробно изучившие эту проблему, пришли к выводу, что все не так просто, и даже сформулировали теоретический принцип работы метода северных мореходов.
Еще в 1969 году предположение о том, что «солнечный камень» следует искать среди кристаллов, обладающих поляризующими свойствами, выдвинул датский археолог Торкильд Рамскоу (Thorkild Ramskou). Его теорию также косвенно подтверждает текст «Саги об Олафе Святом», зафиксированный в XIII веке в знаменитом своде скандинавских саг «Круг земной» стараниями исландского скальда Снорри Стурлусона.
Текст саги гласит: «... Погода была облачная, шел 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 пришел свет. Так он выяснил положение невидимого Солнца. Оказалось, что Сигурд был прав».
Изучив все возможные минералы, распространенные в областях деятельности древних скандинавов, ученые пришли к выводу, что главными кандидатами на роль пресловутого solstenen можно считать три минерала - турмалин, иолит и исландский шпат, который является одной из разновидностей прозрачного кальцита.
Дело осталось за малым: определить, какой же из этих минералов окажется «тем самым», ведь все они были доступны викингам.
10 лет экспериментов
Пролить свет на проблему подлинного «солнечного камня» помогла находка, сделанная в 2003 году во время исследования места крушения корабля елизаветинской эпохи, затонувшего в 1592 году близ нормандского острова Олдерни в проливе Ла-Манш. В каюте капитана был обнаружен полупрозрачный беловатый брусок шлифованного камня, который оказался не чем иным, как исландским шпатом.
Эта находка весьма заинтересовала французских физиков из Реннского университета Ги Ропара (Guy Ropars) и Альбе-ра Лефлоха (Albert Le Floch), которые провели серию экспериментов с исландским шпатом. Результаты, опубликованные в 2011 году, превзошли все ожидания.
Принцип использования минерала основан на двойном лучепреломлении - свойстве, которое было описано еще в XVII веке датским физиком Расмусом Бертолином. Благодаря ему свет, проникающий в структуру кристалла, расщепляется на две составляющие.
Так как лучи имеют разную поляризацию, яркость изображений на обратной стороне камня зависит поляризации исходного света. Таким образом, изменяя положение кристалла так, чтобы изображения приобрели одинаковую яркость, можно вычислить положение солнца даже в пасмурную погоду или же при условии, что оно опустилось за горизонт не более 15 минут назад.
Спустя два года физико-математический журнал Лондонского королевского общества Proceedings of the Royal Society обнародовал не менее смелую в суждениях статью, в которой говорилось, что обнаруженный на затонувшем корабле брусок исландского шпата по праву можно считать достойным доверия навигационным прибором, который викинги использовали в своих морских странствиях.
Пальцем в небо
Не стоит удивляться, что довольно смелое сообщение об установленном геологическом происхождении «солнечного камня» из древнеисландских саг, которое так и не удалось подтвердить археологическими данными IX-XI веков, было встречено волной критики.
По мнению воинствующих скептиков, так и не принявших теорию «поляриметрической навигации» викингов, для определения положения солнца в пасмурную погоду не нужно изобретать сложные методы - для этого вполне достаточно лучей, пробивающихся сквозь пелену облаков.
А россказни о мифических «солнечных камнях» - выдумки скальдов, желающих превознести знания и умения «грязных язычников», и не более того.
В ответ на эти инсинуации Габор Хорват предложил скептикам попробовать определить положение солнца буквально методом «тыка пальцем в небо». Испытуемым было предложено несколько панорам неба в разное время суток и с различной степенью облачности, на которых нужно было отметить мышкой то место, где, по их мнению, находится солнце.
Как дипломатично резюмируют экспериментаторы, по мере увеличения плотности облаков среднестатистические различия между мнимым и фактически расположением светила существенно увеличиваются.
Иными словами, критики провалились с треском. Викинги действительно нуждались в дополнительном навигационном приспособлении - и они его не только нашли, но и разработали довольно остроумную методику его использования.
Совместные усилия Хорвата, Ропара и Лефлоха экспериментально подтвердили, что компас викингов, ранее считавшийся лишь выдумкой сказителей, не только существовал на самом деле, но и позволял с удивительной точностью определять маршрут в открытых водах.
Более того, находка с корабля, ушедшего на дно в XVI веке, доказывает, что известный мореплавателям древней Скандинавии метод ориентирования с помощью «солнечного камня» вполне оправдывал себя даже во времена магнитной навигации, несмотря на полутысячелетнюю пропасть, разделяющую эпоху викингов и елизаветинскую Англию.
Кирилл РОГАЧЕВ
Экспериментаторы объяснили теоретически и продемонстрировали на опыте, как древние мореплаватели использовали определённый минерал для навигации в пасмурную погоду.
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 .
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 мы .)
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).
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.
Ученые выяснили, что мистический «солнечный камень» solstenen из древних легенд викингов действительно можно использовать для морской навигации.
Когда викинги ходили на драккарах в Гренландию в конце X века, компаса у них не было. Магнитный компас в Европе появился лишь в конце XVI века. Но как они преодолевали 1600 морских миль, не сбиваясь с курса три недели и более? При этом надо было «попасть» не во вполне большую Гренландию, а в определенное обжитое место.
Археолог Габор Хорват (Gabor Horvath) поясняет:
№Легенды викингов (так называемые саги) повествуют о таинственном инструменте, солнечном камне, при помощи которого они могли определить положение Солнца, невидимого в пасмурную или туманную погоду».
Например, в саге о короле Олафе (годы правления Норвегией: 955-1030 гг.) описывалась мистическая история, в которой он проводит ночь в странном вращающемся доме, где ночует и видит странный сон, в котором и описывается солнечный камень:
«Король заставил людей смотреть, и они нигде не могли видеть ясное небо. Затем он попросил Сигурдура рассказать, где в то время было солнце. Он дал четкое направление. Затем король приказал принести солнечный камень, поднял его и увидел, где свет излучается от камня, и таким образом проверил предсказание Сигурдур».
Описание напоминает некое волшебство. Однако в 1948-м году был найден экземпляр диска Уунартока из тех же легенд. Он в сочетании с неким «солнечным камнем» (solstenen), согласно легендам, был главным навигационным инструментом.
Ученые, проанализировав сохранившиеся тексты легенд и найденный прибор, поняли, что это специальные солнечные часы с пометками, обозначающими стороны света, и резьбой, которая соответствует изменением тени от гномона солнечных часов, «привязанному» к равноденствию и солнцестоянию весной и летом. При соблюдении правильного времени и места использования, то есть на северной широте около 61° и с мая по сентябрь погрешность прибора была всего лишь 4 градуса. Понятно, что викинги ходили в Гренландию именно летом.
Диск Уунарток / pinterest.com
Для работы диска Уунартока требовался «солнечный камень». Археолог Т. Рамскоу из Дании еще в 1969 году предположил, что этот камень — некий природный кристалл, который поляризует проходящий через него свет.
Вспомним, что при прохождении через такой кристалл свет расщепляется на два луча с разной поляризацией. Соответственно, яркость видимых изображений зависит от поляризации исходного света и отличается между собой. Викинги смогли понять эту закономерность, и плавно меняли положение кристалла, пока оба видимых изображения не будут иметь одинаковую яркость. Метод весьма эффективен даже в туманную погоду.
На роль solstenen теоретически годились турмалин, иолит и исландский шпат. Ученые теоретически отдавали предпочтение последнему и опубликовали выводы в 2011-м году.
Кристалл исландского шпата / ArniEin, Wikimedia Commons
Однако описанные выше идеи были лишь предположением. Расстояние очень велико; можно ли было добраться до Гренландии при помощи таких приборов?
Новое исследование показало: да, это реально. Г. Хорват использовал компьютерную модель морского путешествия из порта Берген (Норвегия) в поселок Хварф (Hvarf) на южном побережье Гренландии. Виртуальные корабли начинали свой поход в весеннее равноденствие или летнее солнцестояние. Облачность выбиралась случайным образом.
Затем программа имитировала использование кристаллов кальцита, кордиерита, турмалина и аквамарина с учетом реальных параметров этих минералов с определенной заранее частотой. Путешествие заканчивалось успешно, если корабль прибывал достаточно близко к горам побережья Гренландии в нужном месте.
Программа сверяла направление каждые три часа, и 92% кораблей прибыли успешно. Права, если направление сверялось каждые четыре часа, то успешность навигации резко падала: то места прибытия добиралось менее двух третей кораблей. Г. Хорват, комментируя результаты, уточняет позицию:
«Неизвестно, действительно ли Викинги использовали этот метод. Однако, если они это делали, то ориентировались точно».
Какие морские навигационные инструменты были у викингов. Как без магнитного компаса скандинавы открыли Гренландию и Америку. Что за мистический «солнечный камень» упоминается в сагах. Ответы на эти вопросы читайте в этой статье.
Древние скандинавы путешествовали много. Очень много. Но если посмотреть на карту маршрутов их походов, можно заметить, что в основном, это прибрежное плавание.
Плавание вдоль берегов не требовательно к навигации. Викинги ориентировались по местности. Это могли быть устья рек, фьорды, острова, мысы, горы, ледники — благо, всего этого в Норвегии, Дании и Швеции достаточно. Часто измеряли глубину воды лотом (груз на бичёвке). Стоило первопроходцу составить устную карту таких ориентиров и последующие путешественники могли смело использовать описанную местность в качестве направляющих. Стоит отметить, что викинги останавливались на ночлег на берегу, чтобы не потерять его из виду, путешествуя по воде ночью.
Если же погода не позволяла ориентироваться на местности (большая облачность) или ладья отошла далеко от берегов, всегда можно было определить местоположение по ветру, который «читался» по волнам, или определить направление к берегу по траектории перемещения птиц.
Но такие исключительные ситуации это редкость, они были не критичны. Потому что расстояния по оживлённым маршрутам были малы. Например, поход из западной точки Дании до Англии по прямой вдали от берега и при попутном ветре занимал всего 1.5 суток.
Другое дело — походы по открытом морю и океану
Больше 1000 лет назад викинги открыли Америку. Для этого им пришлось преодолеть несколько крупных участков по морям и Атлантическому океану, длиной от 1000 до 2000 км. Известно 7 регулярных маршрутов походов викингов на дальние расстояния в западном направлении.
И здесь ориентация по местности никак не могла помочь. Нужна была более надежная система. Однако магнитный компас, позаимствованный у арабов, появился в Европе только в 13-м веке.
Самый простой способ навигации в море — по закату и восходу солнца, строго на запад или на восток. Естественно, зная положение солнца в то или иное время года. Викинги действительно так путешествовали, например, по маршруту №7 на карте выше. Маршрут от Хернама (ныне Берген) до южного мыса Гренландии проходит ровно по 61-й северной широте.
Но чтобы выполнять более сложные манёвры и ходить по более сложным маршрутам, необходимо, как минимум, разбираться в определении сторон света. И древние скандинавы умели это делать.
Небосвод делился на 8 частей (Atta). Главные: Austuratt (восток), Norduratt (север), Suduratt (юг), Westuratt (запад). И второстепенные: Lundsudur, Utsudur, Utnordur и Landnordur (юго-восток, юго-запад, северо-запад, северо-восток).
В ясную ночь определение сторон света по звёздам было простым делом. Полярная звезда, указывающая на север, тогда светила также ярко, хотя и была смещена на 6° 14′ по сравнении с современным положением.
Чтобы определить стороны света днём, необходимо было определить положение солнца и знать его траекторию передвижения по небу в данный месяц года. Соответственно сутки викинги делили на 8 частей: Morgun (утро), Oendwerdur Dagur (первая часть дня), Hadaege (глубокий день, Middaege-полдень), Efri lutur Dags (последняя часть дня), Kwoeld и Aptan (вечер), Oendverd Nott (первая часть ночи), Midnaetti (полночь), Efri lutur Naetur (вторая часть ночи).
«Солнечный камень»
Но если небо затянуло облаками (а это обычное явление в северном полушарии) и положение светила не определить, то на помощь приходил мистический «солнечный камень». О нём упоминается в саге «Об Олафе Святом»:
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.
«Солнечный камень» викингов так и не был найден. Но недавно был обнаружен кристалл в затонувшем корабле 16-го века. Появилась надежда, что такой же инструмент мог быть и у древних скандинавов.
Оказывается, некоторые виды кристаллов обладают способностью преломлять солнечный свет (двойная рефракция). Этими свойствами обладают многие кальциты, турмалины и иолиты. Исландский шпат (разновидность кальцитов) можно было найти на одноимённом острове.
Исландский шпат, кальцит. Предполагаемый «солнечный камень» викингов
Принцип работы основан на способности таких кристаллов улавливать поляризационный солнечный свет, который исходит кругами в 90 градусах от источника. Достаточно двух кристаллов, чтобы обнаружить солнце в непогоду и даже в течении 50-и минут после захода солнца. Учитывая, что викинги плавали в северных широтах, когда в начале лета солнце практически не заходило за горизонт, такой инструмент был просто необходим при плавании. Кстати, видеть поляризационный свет могут, например, пчёлы.
Принцип работы «солнечного камня» викингов. Идея изображения: NewScientist
Последние эксперименты венгерских учёных выяснили, что погрешность обнаружения положения солнца при таком методе составляет ±4 градуса, а это очень хороший результат. Было произведено 1080 разнообразных замеров.
В итоге гипотеза об использовании кальцита в качестве высокоточного прибора выглядит всё более правдоподобной. Учитывая и то, что ненастная погода над морями и Атлантическим океаном могла быть неделями.
Другие навигационные приборы
Учёные предполагают существование у викингов помимо «солнечного камня» трёх видов навигационных приборов: горизонтная доска, солнечный компас, световая доска (сумеречная доска).
На горизонтной доске отверстиями помечены месяцы походов. С одной стороны — положения восхода солнца, с другой — положения заката. Колышком помечался текущий месяц. Сделав один замер колышком (на закате или рассвете), можно определить север, отметив середину расстояния между соответствующим противоположным отверстием для текущего месяца.
На диске солнечного компаса заранее отмечались траектории движения тени от солнца в течении дня для различных месяцев. Соответственно, сделав замер в определённое время дня и сопоставив длину тени с измерениями, можно было определить север.
Световая доска является комбинацией горизонтной доски и солнечного компаса. Измерения производятся на базе тени от широкого гномона в центре прибора, сопоставляя их с предварительно нанесённой гномической линией. Эта доска была особенно эффективна в купе с «солнечным» камнем на закате или рассвете, а также в течении 50 минут, когда солнце скрыто за горизонтом.
Фрагмент деревянного диска времён эпохи викингов, найденный в южной Гренландии (Уунаторк, Uunartoq), мог быть комбинацией таких приборов.
Для того, чтобы считывать значения диска как со световой доски был необходим особый гномон. Он также был найден — солнечный брусок.
После осознания того, что викинги могли обладать хотя бы одной или несколькими такими отличными навигационными техниками и приборами возникает только один вопрос: почему скандинавы сделали так мало открытий? Если бы история оставила эпохе викингов ещё, хотя бы, 100 лет, то мы бы сейчас в учебниках истории прочли, как какой-нибудь Сигурд Суровый открыл Австралию. Прочли за бокалом хорошего южно-скандинавского эля 🙂
Источники: The Royal Society ( , , ), New Scientist , книга «Походы викингов» (Стриннгольм Андерс Магнус).
