EL PAPEL DE LA ÓPTICA EN LAS EXPLORACIONES HUMANAS

Desde el comienzo de los tiempos el hombre ha sentido la necesidad de explorar el mundo desconocido que le rodeaba. Los avances de la exploración geográfica han sido marcados por la propia tecnología. Tenemos ejemplos en la historia en que ha habido un gran auge de dichas exploraciones, como la época de los grandes descubrimientos, o las exploraciones vikingas, todas ellas siempre acompañadas de mejoras en la tecnología de la época. En la actualidad vivimos en otra época de exploraciones fuera de nuestro planeta natal, que aún sigue con la carrera hacia el planeta marte.

Como hemos comentado, todo esto no sería posible sin una tecnología necesaria para tal fin. En dicha tecnología ha jugado un papel importantísimo los descubrimientos y aportes de la óptica, tanto a través de instrumentos ópticos como a través del conocimiento de la óptica geométrica (a través de medición de ángulos y razonamientos por trazado de rayos).

• Aparatos destinados a observar el cielo, como los telescopios, los cuales fueron clave para conocer la situación a través de las estrellas y para la posterior creación del almanaque náutico, imprescindible para medir posiciones astrales. Su derivado más usado fue el catalejo, útil para avistar tierra u otros barcos. Más adelante aparecieron los prismáticos.

De izquierda a derecha: telescopio náutico, catalejo, prismáticos.

• Aparatos que sirvieron para conocer la dirección del norte, como las brújulas. Ya existían en la antigua china y se perfeccionaron en occidente. Además de las brújulas, se usó el compás de demoras, instrumento que mide un ángulo entre una línea de referencia respecto de la línea del norte. Anterior a su invención se usaron sondas para su localización.

De izquierda a derecha, brújula, compás de demora, sonda.

• Aparatos para medir la latitud. Se basaban en medir el ángulo que producía el sol o la estrella polar con el horizonte, para conocer de esta manera la latitud. Los primeros en desarrollarse fueron los astrolabios en la antigua grecia. Le siguió el kamal árabe, la ballestina de cruceta de la edad media, el cuadrante de Davis y los más recientes sextantes. Para su utilización es necesario poder distinguir el sol en el cielo.

De izq a der y arrib a abaj.: Astrolabio marino, Kamal, ballestina de cruceta, cuadrante Davis, sextante

• Aparatos que miden la longitud. Para medir la longitud fue necesario medir con exactitud el tiempo con referencia a un meridiano concreto, que fue el de Greenwich. Hasta que no se inventó el cronómetro y se desarrolló, el método más usado fue el de las distancias lunares, consistente en medir el ángulo entre la luna y un cuerpo celeste previamente identificado en un almanaque náutico (con todas las posiciones estelares). Previamente a esto, los árabes desarrollaron un instrumento sencillo llamado nocturlabio, con el que podían saber la hora sólo localizando ciertas estrellas en el cielo.

A la izquierda, la medida de las distancias lunares. A la derecha un nocturlabio.

Como se puede ver, en muchos de estos aparatos hay importante aportación de la óptica. Y si esto fuera poco, hay dos casos en la historia de las exploraciones en el que conocimientos demostrados (o casuales) de óptica han servido para poder orientarse en condiciones adversas.

Los vikingos y el uso de luz polarizada para orientarse.

El pueblo vikingo fue un pueblo muy temido en su época y conocido por su afán exploratorio y de conquista. En los años en los que existieron, dominaron el arte de la navegación en una zona del planeta en la que las condiciones no son nada favorables: Es común nieblas densas, lluvias, tormentas, además del hecho de que cerca del ártico hay épocas muy largas de perpetua luz de día en verano, por lo que les impidió usar las estrellas como guía para determinar su posición, y la brújula magnética aún no se había introducido en Europa; de todos modos, habría sido de uso limitado cerca del Polo Norte.… Y no por ello les impidió descubrir América más de 500 años antes de Colón y conquistar y colonizar Groenlandia.

Izquierda: Dakkar o barco vikingo de exploración. Derecha: exploraciones hechas por los vikingos.

Dentro de su rico folclore popular, destacan las sagas de los famosos marinos, dentro de las cuales está la saga de Sigurd, la cual hablaba de una “piedra solar” (o sólarsteinn) que se decía que brillaba intensamente cuando se la elevaba hacia el cielo, señalando la posición del Sol aún en un día nublado (clave para la orientación). La leyenda cuenta que durante un día nublado y nevando, el rey Olaf consultó a Sigurd sobre la ubicación del Sol. Para comprobar la respuesta de Sigurd, Olaf “tomó una piedra del sol, miró al cielo y vio de donde venía la luz”, con lo que definió la posición del invisible Sol.

Ya en 1967 un arqueólogo danés, Thorkild Ramskou, tuvo la audaz hipótesis de que dicha piedra existió, y que quizás se tratara de un tipo de piedra de calcita con efectos de cristal polarizador, como el espato de Islandia (una forma transparente de calcita común en Escandinavia). La idea que manejaba Thorkild era la siguiente: La luz natural del sol cuando atraviesa un medio con una atmósfera muy densa de moléculas de agua (como en una bruma o niebla) se polariza en una determinada dirección, concretamente en la tangencial a círculos centrados en el sol. Así, si se posee otra superficie polarizada como un cristal birrefringente (como la calcita) permitiría que la luz polarizada en una determinada dirección pase a través de él, y pueden aparecer brillante u oscuro en función de cómo se orienta con respecto a la luz. El funcionamiento sería simple: Habría que rotarla hasta dar con la dirección que anule su brillo (en dicho punto se anula la luz polarizada por el eje de extinción de la piedra). De esta manera, los vikingos podrían haber deducido la posición del Sol, incluso cuando estaba oculto detrás de las nubes o niebla, o justo debajo del horizonte.

Piedra de calcita de espato de islandia

La explicación de la luz polarizada viene por la naturaleza de onda electromagnética de la luz. La luz natural posee diferentes componentes ondulatorios que oscilan en todas direcciones de manera perpendicular a la dirección del recorrido de la luz. Cuando las oscilaciones atraviesan un medio polarizador, apuntan todas en la misma dirección, absorbiendo las demás componentes de luz. Esta dirección viene determinada por el eje de extinción del polarizador (esta manera de polarizar se llama absorción selectiva). Este fenómeno también se da en la naturaleza con la luz que se refleja en la superficie del mar o superficies pulidas (polarización por reflexión), o en este otro caso por un material especial birrefringente (como el espato de islandia), el cual anulará dicha componente de luz polarizada si se orienta en la misma dirección que su eje de extinción, y la dejará pasar completamente si va perpendicular a la misma.

Luz natural a la izquierda (oscila en todas direcciones) en el medio la superficie

polarizadora y tras atravesar dicha superficie la luz sale polarizada en una dirección perpendicular al eje de extinción

La principal desventaja que tiene esta hipótesis es que nunca se ha hallado dicha piedra en ningún Drakkar (aunque no signifique que no exista desde luego el hecho de encontrarla sería ya una prueba irrefutable). Por ello, esta hipótesis fue cuestionada durante años por diferentes científicos en distintos estudios (como por ejemplo Disputing Viking navigation by polarized skylight de Roslund y colaboradores). Una de las causas que defienden sus detractores es que aunque haya poca luz se puede localizar bien el sol, cosa que después se refutó en otro estudio Psychophysical study of the visual sun location in pictures of cloudy and twilight skies inspired by Viking navigation, Barta et co., el cual demuestra que pueden darse situaciones en las que sea imposible localizar el sol por culpa de la bruma o niebla. Otra cosa que se dijo es que para que se produzca el efecto de polarización máximo de la luz, se tiene que aprovechar los pocos claros de luz de entre la bruma, posición en la que se puede encontrar el sol.

Efecto de birrefringencia de un cristal de calcita sobre la luz. Nótese como “dobla” la imagen que tiene debajo.

A raíz de querer demostrar dicha afirmación se ha publicado recientemente en la prestigiosa revista Philosophical Transactions of the Royal Society B, el artículo On the trail of Vikings with polarized skylight: experimental study of the atmospheric optical prerequisites allowing polarimetric navigation by Viking seafarers (Tras las huellas de los vikingos con claraboyas polarizadas: estudio experimental de los requisitos ópticos de las condiciones atmosféricas que permitían la navegación de polarización por los marinos vikingos), realizado por un óptico de la Universidad de Eötvös en Budapest llamado Gábor Horváth, y otros colaboradores como la ecóloga Susanne Åkesson. En dicho estudio, Horváth y su equipo tomaron fotografías de nubes o del cielo en el crepúsculo en el norte de Finlandia a través de una lente de ojo de pez de 180° de campo, y pidió a los sujetos en la prueba que estimaran la posición del Sol. Los errores de hasta 99° llevaron a los investigadores a la conclusión de que los vikingos no podían basarse en conjeturas sobre la posición del Sol realizadas a simple vista.

Para comprobar si las piedras solares funcionaban mejor, en 2005 midieron el patrón de polarización de todo el cielo en diferentes condiciones meteorológicas durante el cruce del Océano Ártico en el rompehielos sueco de Oden. Los investigadores se sorprendieron al encontrar que en condiciones de niebla o totalmente nublado el patrón de polarización de la luz es similar a la de un cielo despejado. La polarización no era tan fuerte, pero Åkesson cree que aún así podría haber proporcionado información útil a los navegantes vikingos. “Probé con un cristal en un día nublado en Suecia”, dijo. “El patrón de la luz variaba dependiendo de la orientación de la piedra.” Tras esto quisieron experimentar para determinar si los voluntarios pueden determinar con precisión la posición del Sol con cristales, en diversas condiciones climáticas. El resultado fue más que satisfactorio.

Un día de bruma durante una incursión de un drakkar

Los detractores del estudio afirman que los registros que han quedado indican que los vikingos y los marineros del principio del medievo cruzaron el Atlántico Norte con la posición del Sol en los días claros como guía, en combinación con las posiciones de las líneas costeras, los patrones de vuelo de los pájaros, las rutas de migración de las ballenas y las nubes distantes sobre las islas y otros investigadores afirman que no hay evidencia real para indicar que los vikingos efectivamente usaron estos cristales, ya que se estuvo navegando mucho antes de esto sin ningún tipo de instrumentos. Es evidente que aunque no haya pruebas reales no deja de ser interesante la teoría de dichos estudios.

La aventura del Apollo XIII, o como orientarse sin alta tecnología

La otra historia nos traslada a una época en la que la orientación ya no depende del sol, las estrellas y las brújulas. Hablamos de la época actual, dominada por la navegación via satélite. En 1971 la nave aeroespacial más avanzada de la época, el Apollo XIII, se disponía a mandar por segunda vez al hombre a la luna. Hablamos, pues, de la maravilla de la técnica moderna llena de artefactos que sirven para manejar la nave tanto por los astronautas como a control remoto desde tierra. En aquella época no había tantos satélites para localizar naves, pero aun así hablamos de un despliegue de medios y humano sin precedentes… pero, ¿Qué ocurre si hay un problema múltiple?

Insignia de la misión apollo XIII

Esta odisea moderna fue casi un fracaso para la NASA por culpa de una avería múltiple de la nave que le hizo explotar uno de los tanques de oxígeno a bordo de la nave, que obligó a la tripulación a abortar la misión (Houston, tenemos un problema) y orbitar alrededor de la Luna sin poder lograr su cometido.. En una situación tan delicada todos los sistemas de navegación de la nave tuvieron que apagarse para usar la energía disponible para mantenerlos con vida y poder regresar. En esa situación, el módulo de servicio aún seguía perdiendo energía y oxígeno aunque la fuga pudo ser frenada cuando el módulo estaba casi vacío. La capacidad amperimétrica (energética) de la nave estaba en punto crítico y, como se ha comentado, la nave tuvo que continuar sin la mayoría de los sistemas de navegación. ¿Cómo lograr mantener el rumbo que los llevaría a casa? Los hombres del apollo XIII tuvieron que usar las estrellas para guiarse, y un método sencillo que se puede considerar de óptica geométrica.

Imagen de la película que se rodó sobre la odisea, Apollo XIII.

El comandante Jim Lovell recordó el sistema antiguo de medición de ángulos en la antigüedad, basado en usar la mano extendida para aproximar los dos puntos a referencias de tu propia mano, como por ejemplo desde el pulgar hasta el meñique. De esta manera calculas su distancia angular aproximada, clave para localizarte en el espacio. Dichas distancias fueron muy usadas en la antigüedad, y algunas tienen nombres famosos:

• La distancia entre la punta del pulgar y la del meñique se llama una cuarta, que corresponde a un ángulo de 20°.
• La distancia entre la punta del pulgar y la del índice, un geme. Corresponde a un ángulo de 15°.
• La distancia entre el dedo índice y el medio, la llamada V de la victoria, corresponde a un ángulo de 10°.
• El grueso del dedo pulgar corresponde a un ángulo de 1° y 1/2.

Un hombre tapando con el pulgar la luna

El comandante vio que podía tapar la circunferencia de la tierra con su pulgar, por lo que supo que sustendía aproximadamente 1.5 grados de arco. Gracias a este cálculo pudo aproximar la distancia a la que se encontraba la nave en ese momento.

Otro de los problemas críticos por los que se enfrentó fue el de realizar un encendido de motores en un momento en el que la Luna se interponía entre la Tierra y la nave e impedía las transmisiones de radio. Dicho encendido de motores era necesario para que la nave aumentara su velocidad, saliera de la órbita lunar y enfilara con suficiente velocidad en trayectoria hacia la Tierra. Normalmente dicha labor la realiza el módulo de comando cuando ya los astronautas han regresado de su exploración en la superficie lunar. Esta labor era un punto de suma importancia y tenía que ser realizada con extrema exactitud, cualquier fallo provocaría que los tripulantes perdieran la trayectoria correcta y nunca regresaran a la Tierra.

En ese momento en el que no pudieron comunicarse con tierra, se usó un método de triangulación similar al usado por pilotos de avión para saber que su dirección era correcta, manteniendo la visión de la tierra dentro de la ventana delantera y la luna en la pequeña trasera del módulo que sustendía casi justo el tamaño de la luna, para saber que su dirección era constante (usando al módulo como un enorme sextante).

Izquierda, imagen del propulsor del módulo del Apollo XIII cuando fue desprendido del módulo en el que se aprecia el daño al explotar el tanque de oxígeno. A la derecha, momento del rescate del módulo en el océano pacífico. Los hombres del Apollo XIII lo habían logrado.

Estas técnicas junto con los conocimientos de los tripulantes de orientación de los antiguos marinos (se llegó a usar un sextante a bordo para conocer el ángulo exacto de trayectoria y localizar estrellas para guiarse en un momento dado) fueron claves para poder llevar la empresa a fin, considerada al mismo tiempo como uno de los fracasos más grandes de la NASA y al mismo tiempo uno de sus mayores logros.

Y estos son sólo dos ejemplos de cómo la óptica ha llegado a tener un papel muy importante, en muchos casos clave, para ayudar al hombre a explorar tierras desconocidas. Aunque seguramente no son los únicos casos en la historia, son buenos argumentos para reconocer la importancia de la óptica dentro del campo de la exploración.

Fuentes:

• Wikipedia:
• Era de los descubrimientos.
• Exploraciones vikingas.
• Polarización electromagnética
• Apollo 13
• El incidente del Apollo XIII
• Una cinta métrica para el cielo
• ¿Navegaban los Vikingos usando luz polarizada?
• Vikingos con luz polarizada.
• Breve historia de los instrumentos de navegación
• Pubmed:
• On the trail of Vikings with polarized skylight: experimental study of the atmospheric optical prerequisites allowing polarimetric navigation by Viking seafarers.
• Detectors for polarized skylight in insects: a survey of ommatidial specializations in the dorsal rim area of the compound eye.
• Psychophysical study of the visual sun location in pictures of cloudy and twilight skies inspired by Viking navigation.