Les modèles de polarisation diurne montrent la voie vers le Nord géographique

Pouvez-vous dire où se trouve le nord simplement en regardant le ciel de jour, sans utiliser de boussole ou de GPS ni même connaître la position du Soleil ? Grâce à une nouvelle méthode optique, la réponse pourrait bientôt être « oui ». Développée par des chercheurs de l'Université d'Aix-Marseille en France, la méthode fonctionne en analysant les modèles de polarisation en lumière du jour diffusée. En plus de contribuer au développement de techniques de navigation alternatives, cela pourrait nous aider à comprendre comment les animaux utilisent des phénomènes physiques pour migrer.

À l’heure actuelle, il existe trois manières principales d’identifier le vrai Nord. La première consiste à utiliser la position des étoiles, comme l’ont fait les navigateurs tout au long de l’histoire de l’humanité. Une autre consiste à s’appuyer sur des compas magnétiques. La troisième méthode, la plus récente, fait appel à des systèmes mondiaux de navigation par satellite tels que le GPS. Cependant, chaque méthode a ses inconvénients. Les étoiles ne sont visibles que la nuit et par beau temps. Les compas magnétiques sont facilement affectés par les interférences magnétiques, notamment celles provenant de sources naturelles telles que les roches ferrifères. Et les systèmes de navigation par satellite sont vulnérables au brouillage et au piratage.

Ces dernières années, les chercheurs se sont tournés vers les insectes et les oiseaux migrateurs pour trouver de nouvelles idées sur la façon de naviguer à l’aide de rares repères magnétiques et visuels. On sait par exemple que les fourmis Cataglyphis utilisent la polarisation céleste, tandis que les oiseaux migrateurs calibrent leur compas magnétique interne en observant la rotation des étoiles autour du pôle céleste. Certains oiseaux peuvent également utiliser la polarisation pour se déplacer pendant la journée.

La nouvelle méthode, que les chercheurs ont baptisée SkyPole, repose sur la polarisation des lucarnes, qui se produit lorsque les particules présentes dans l'atmosphère diffusent la lumière. Contrairement à la couleur ou à l'intensité, la polarisation de la lucarne est invisible à l'œil humain et produit un motif distinct qui dépend de la position du Soleil par rapport à un observateur à la surface de la Terre.

Puisque la Terre tourne autour d’un axe nord-sud, un observateur dans l’hémisphère nord verra, au cours d’une journée, le Soleil tracer une trajectoire autour du pôle nord céleste, c’est-à-dire le point du ciel qui correspond à l'intersection entre l'axe de rotation de la Terre et la sphère céleste. Les modèles de degré de polarisation de la lumière du jour tourneront donc autour de ce pôle pendant la journée, tout comme les constellations tournent autour de l'étoile polaire la nuit.

"L'état de polarisation reste constant à tout moment de la journée au pôle nord céleste", explique Thomas Kronland-Martinet, membre de l'équipe d'étude et doctorant à l'Institut des Sciences du Mouvement (ISM) d'Aix-Marseille et au Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP). "C'est le seul point du ciel à posséder cette propriété."

En collectant des images des modèles de polarisation au fil du temps avec une caméra polarimétrique, les chercheurs ont pu localiser le pôle nord céleste à l’intersection des « invariances de polarisation », c’est-à-dire la polarisation mesurée entre deux périodes distinctes.

"Contrairement aux études précédentes, nous ne calculons pas la position du Soleil dans notre méthode, mais utilisons directement la configuration de la lucarne comme indicateur de navigation", explique Kronland-Martinet. « Plus précisément, nous considérons la variation temporelle de la polarisation de la lucarne, ce qui nous permet de calculer facilement la position du pôle céleste sans avoir à effectuer de calculs trigonométriques complexes. De plus, nous n’avons besoin d’aucune autre information que les images de polarisation, ce qui rend notre méthode très simple. »

La lumière polarisée fait dévier la boussole magnétique des oiseaux

Selon les chercheurs, SkyPole pourrait être utilisé pour calibrer des boussoles pour les systèmes de navigation inertielle sujets à dérive au fil du temps. Cela pourrait également faciliter la navigation maritime en permettant, par exemple, le développement de sextants polarimétriques automatiques. Selon Kronland-Martinet, cela pourrait même devenir une alternative à la navigation par satellite. « Bien que très précis, [les systèmes de navigation par satellite] peuvent être facilement flous et usurpés et pourraient ne pas être le meilleur candidat lorsque des informations robustes sont nécessaires – par exemple dans les véhicules autonomes », explique-t-il à Physics World.