Алберт Льо Флох

Laboratoire d'Électronique Quantique, 20 квадратни Marcel Bouget, Rennes cedex 35700, Франция

Laboratoire de Physique des Lasers URU 435, UMR CNRS 6226, Université de Rennes 1, Rennes cedex 35042, Франция

Laboratoire de Physique des Lasers URU 435, UMR CNRS 6226, Université de Rennes 1, Rennes cedex 35042, Франция

Institut des Sciences Chimiques de Rennes, UMR CNRS 6226, Université de Rennes 1, Rennes cedex 35042, Франция

Alderney Maritime Trust, Royal Connaught Square, St Anne, Channel Islands, Alderney GY9 3AA, Великобритания

Alderney Maritime Trust, Royal Connaught Square, St Anne, Channel Islands, Alderney GY9 3AA, Великобритания

Alderney Maritime Trust, Royal Connaught Square, St Anne, Channel Islands, Alderney GY9 3AA, Великобритания

Alderney Maritime Trust, Royal Connaught Square, St Anne, Channel Islands, Alderney GY9 3AA, Великобритания

Алберт Льо Флох

Laboratoire d'Électronique Quantique, 20 квадратни Marcel Bouget, Rennes cedex 35700, Франция

Laboratoire de Physique des Lasers URU 435, UMR CNRS 6226, Université de Rennes 1, Rennes cedex 35042, Франция

Laboratoire de Physique des Lasers URU 435, UMR CNRS 6226, Université de Rennes 1, Rennes cedex 35042, Франция

Institut des Sciences Chimiques de Rennes, UMR CNRS 6226, Université de Rennes 1, Rennes cedex 35042, Франция

Alderney Maritime Trust, Royal Connaught Square, St Anne, Channel Islands, Alderney GY9 3AA, Великобритания

Alderney Maritime Trust, Royal Connaught Square, St Anne, Channel Islands, Alderney GY9 3AA, Великобритания

Alderney Maritime Trust, Royal Connaught Square, St Anne, Channel Islands, Alderney GY9 3AA, Великобритания

Alderney Maritime Trust, Royal Connaught Square, St Anne, Channel Islands, Alderney GY9 3AA, Великобритания

Резюме

Кристалът, открит наскоро в потъналия през 1592 г. елизаветински кораб, е показан като исландски шпат. Съобщаваме, че два основни феномена с противоположни ефекти обясняват доброто съхранение и развитието на този относително крехък кристал калцит. Демонстрираме, че йонообменът Ca 2+ –Mg 2+ в такъв кристал, потопен в морска вода, играе решаваща роля чрез ограничаване на разтворимостта, укрепване на механичните свойства на калцита, докато пясъчната абразия променя кристала, предизвиквайки грапавост на неговия повърхност. Въпреки че и двете явления са намалили прозрачността на кристала на калцита Олдърни, ние демонстрираме, че подобни на Алдерни кристали наистина са могли да бъдат използвани като точен оптичен слънчев компас като помощ за древната навигация, когато Слънцето е било скрито от облаци или под хоризонта. За да се избегне възможността за големи магнитни грешки, неразбираеми преди 1600 г., оптичният компас би могъл да помогне за осигуряването на абсолютна референция на моряците. Кристал, подобен на Алдерни, позволява на наблюдателя да следва азимута на Слънцето, далеч под хоризонта, с точност до ± 1 °. Еволюцията на кристала Олдърни дава надежда за идентифициране на други кристали калцит при корабокрушения, погребения или селища на викинги.

1. Въведение

2. Материал и методи

а) Материал

Кристалът на Олдърни, изкопан от мястото на корабокрушението в Елизабет, остава повече от 400 години в морски води и пясък, край бреговете на Олдърни, подложен на много силни течения. Кристалът и много други предмети, свързани с елизаветинския кораб, оцеляват в подводно заливче, където пясъкът се натрупва и осигурява защита. Въпреки предизвикателните условия, кристалът, показан на фигура 1а е запазил перфектна ромбоедрична геометрия и е с размери 5 × 3 × 2,4 cm. Тъпият ъгъл 102 ° и остър ъгъл 78 ° са абсолютно същите като тези на подобни разцепени кристали калцит, подобен на този, показан на фигура 1б. Кристалите на калцита (калциев карбонат, CaCO3) обаче са доста крехки, тъй като калцитът не е такъв. 3 по скалата на твърдост по Моос. Фигура 1а показва, че кристалната прозрачност е намаляла по време на дългия си престой в морска вода и пясък, в сравнение с тази на кристала, подобен на Олдърни, показан на фигура 1б.

шестнадесети

Фигура 1. (а) Кристалът Alderney (5 × 3 × 2,3 cm). След повече от 400 години потапяне в морската вода на канала, ромбоедричната геометрия е непроменена, но прозрачността е намалена. (б) Подобен бразилски кристал (5 × 3 × 2,5 см). Прозрачността на този подобен на Олдърни е почти перфектен. (° С) Същият кристал след абразия на пясък и двуседмично потапяне в морската вода на Канал. Разсейването на Mie и обменът Mg 2+ –Ca 2+ на повърхността намаляват прозрачността му. (Онлайн версия в цвят.)

(б) Методи

Тестовете за механично износване на пясъка се извършват с помощта на силициев диоксид с търговски пясъкоструйка. Анализите на грапавостта се извършват с помощта на повърхностен контактен профилометър на Тейлър-Хобсън. За да оценим твърдостта на калцитовите кристали, тестваме различни топлинни техники, а именно чрез нагряване на кристалите при различни температури във фурна. За да оценим възможните фалшиви магнитни отклонения на борда на кораб „Олдърни“, пълен с оръжия, преместихме магнитен компас близо до различните метални артефакти, изкопани от кораба, изложени в музея Олдърни, а именно близо до едно от изкопаните оръдия.

Фигура 2. Калъф на неполяризирана светлина, попадаща върху калцитов кристал. (а) Схема; неполяризирана светлина. (б) Неполяризиран слънчев лъч. Снимка, показваща двете изображения с еднакъв интензитет независимо от кристалната ориентация. (Онлайн версия в цвят.)

Фигура 3. Случай на линейно поляризирана светлина. Сравнителни методи за използване на закона на Малус за двете работни точки, съответстващи на поляризатор и деполяризатор. (а) Законът на Malus с неговите две възможни работни точки и неговото производно. (б) Теоретичен контраст от двете страни на 45 ° изотропна точка на калцита. (° С) Сравнителен интензитет на сигнала за методите на поляризатора и деполяризатора около съответните им работни точки. (Онлайн версия в цвят.)

Фигура 4. (а) Случай на частично поляризирана светлина. (б) Теоретични V-образни контрастни сигнали за различни степени на поляризация, срещани в Ламанша. Хоризонталната линия представлява прага на контрастното око, въведен от Hubel [22]. (Онлайн версия в цвят.)

3. Резултати

а) Спектроскопични анализи: резултати от йонообмен

Както е показано на фигура 5а, техниката ICP-AES изглежда подходяща за насипни анализи, а именно за откриване на калций, основният елемент в кристалите CaCO3. Сравнението на атомната емисионна сигнатура за кристала Олдърни и за референтен прясно събран кристал калцит се извършва при около 317,9 nm (фигура 5а). Двата спектъра са доста сходни, потвърждавайки химически калцитната природа на кристала Олдърни.

Фигура 5. Спектри на индуктивно свързана плазмена атомна емисионна спектроскопия (ICP-AES) за по-голямата част от прясно събрания кристал калцит и кристала Олдърни. (а) И двата кристала показват същия калциев пик от 317,9 nm, потвърждавайки, че кристалът Alderney е кристал на калцит. (б) Сравнение на Mg следи и в двата кристала при 279,5 nm. Кристалът Alderney показва концентрация на Mg осем пъти по-голяма от тази за прясно събрания калцит. (Онлайн версия в цвят.)

Относителната измерена концентрация на следи Mg 2+ (използвайки същата техника ICP-AES) в кристала Alderney в сравнение с прясно събрания калцит е показана на фигура 5б. Концентрацията на Mg 2+ в кристала Олдърни е увеличена с осем пъти, както е показано от емисионните спектри около 279,5 nm, достигайки 2000 ppm. Тъй като йонът Ca 2+ има по-голям диаметър (0,1 nm) от йона Mg 2+ (0,07 nm), е известно, че кристалната структура на калцита на повърхността е леко компресирана, след което намалява прозрачността, но увеличава неразтворимостта и укрепване на кристала [23,24]. Това обяснява доброто запазване на ромбоедричната геометрия на кристала Олдърни, запазвайки типичните ъгли от 102 ° и 78 ° дори след дълъг престой в морска вода. Имайте предвид, че активните места като дислокации, микро фрактури и точкови дефекти увеличават скоростта на обмен на йони, достигайки по-голямата част от кристала.

Фигура 6. Обмен на Mg 2+ –Ca 2+ на повърхността на калцита за кристал, частично потопен в разтвор на MgNO3 във вода. Снимката показва двете части на кристала след двуседмично потапяне. Горната част е останала прозрачна, докато долната част показва намаляване на прозрачността, което може да се наблюдава директно с невъоръжено око. (а) За непотопената част не се открива йон Mg 2+ в измерения енергийно-диспергиращ рентгенов спектър. Снимката с електронна микроскопия на повърхността, на вложка, показва непромененото качество на повърхността. (б) За потопената част очакваният Mg подпис се появява при 1,3 keV, съответстващ на измерена концентрация от 0,37%. Снимката с електронна микроскопия на съответната повърхност, вмъкната, потвърждава намалената прозрачност на повърхността. (Онлайн версия в цвят.)

Фигура 7. Обмен на Mg 2+ –Ca 2+ на повърхността на калцита за кристал, частично потопен в морска вода. Снимката показва двете части на кристала след двуседмично потапяне. Горната част е останала прозрачна, докато долната показва леко намаляване на прозрачността, което също може да се наблюдава директно с невъоръжено око. (а) За непотопената част не се открива йон Mg 2+ в енергийно-дисперсионния рентгенов спектър. Снимката с електронна микроскопия на повърхността, вмъкната отново, показва непромененото качество на прозрачната повърхност. (б) За потопената част очакваният Mg подпис също се появява при 1,3 keV, което съответства на измерена концентрация от 0,27%. Имайте предвид, че в морската вода се появява допълнителен пик Na при 1,05 keV в спектъра. Отлагането на NaCl върху кристалната повърхност се наблюдава ясно на снимката с електронна микроскопия във вложката. (Онлайн версия в цвят.)

(б) Пясъчна абразия

Фигура 8. Сравнителни измервания на грапавост, получени с повърхностен профил на Тейлър-Хобсън. (а) За прозрачния кристал от фигура 1б. (б) За същия кристал след абразия на пясък и двуседмично потапяне в морска вода (вижте съответната снимка на фигура 1° С). Средната грапавост достига 1,2 μm, което води до силно разсейване на Mie на видимата светлина. (Онлайн версия в цвят.)

(в) Магнитни тестове

Фигура 9. Типични смущения на магнитен компас от едно от изкопаните оръдия на кораба Олдърни. Прекъснатата линия е само ориентир за окото. Теглото на оръдието е 700 кг. Оста на оръдието е ориентирана в посока изток-запад. Магнитният компас се премества перпендикулярно на оста на оръдието. В този случай отклоненията могат да достигнат 100 °. Приставката показва снимка на оръдието, изложено в музея Олдърни. (Онлайн версия в цвят.)

(d) Оптични резултати с кристал, подобен на Alderney

Фигура 10. Типично измерено небесно облъчване при здрач на 18 април 2011 г. при 48 ° 07 ′ с.ш., 1 ° 41 ′ з.д. (а) Последователните снимки се правят на интервали от 10 минути. Денситометърът ни позволява да измерваме облъчванията. (б) Съответни експериментални вариации спрямо времето. Имайте предвид, че първите звезди станаха видими около 21.00 часа (местно лято време=UTC+2, UTC: Универсален времеви код). (Онлайн версия в цвят.)

Фигура 11. Типичен лагер на Слънцето в 22.16 по време на здрач за ниско облъчване. (а) Небесни облъчвания преди и след появата на първите звезди на 28 юли 2011 г. (б) Експеримент, извършен четвърт час преди звездите да се появят. Белите линии съответстват на относителната интензивност на обикновените и необикновените лъчи. Степента на поляризация е ρ= 0,6. (° С) Контрастът остава ясно над прага на контрастното око от 1%. Прецизността на лагера на Слънцето е в диапазона на градусите. (Онлайн версия в цвят.)

Освен това може да се запитате дали високата чувствителност на човешкото око би могла да позволи на моряците да използват такива калцитни кристали като последователи на Слънцето, когато Слънцето е напълно под хоризонта, както е показано на фигура 12а. Взехме Слънцето на всеки 10 минути от 19.00 до 20.30 на 30 септември 2011 г. Съответните експериментални наблюдения са представени на фигура 12б, с предсказания теоретичен слънчев азимут, изчислен за 48 ° 07 ′ северна ширина, като се вземе предвид въртенето на Земята. Тези резултати показват, че исландският шпат се държи като мощен диференциален инструмент за местоположението на скрито Слънце и може да осигури на навигаторите абсолютна справка, особено в тъмни ситуации около залез или изгрев.

Фигура 12. Експеримент за проследяване на слънцето (вижте панела а). На 30 септември 2011 г. докладвахме за последователни експериментални лагери спрямо времето между 19.00 и 20.30 (б). Всяка експериментална точка (точка) е измерена пет пъти. Правата линия съответства на теоретичните азимути на Слънцето при 48 ° 07 ′ с.ш., 1 ° 41 ′ з.д., взети от Националния център за географски данни. Благодарение на прецизността на Слънцето, носещо моряците, те успяха да проследят Слънцето под хоризонта. (Онлайн версия в цвят.)

4. Дискусия и заключения

Любопитното е, че при скорошното успешно откриване на много слабите лъчи на поляризирана светлина, разпръснати от атмосферата на подобна на Земята екзопланета (HD189733b), авторите [29] използват същия метод на калцит (но с екрана, разположен след кристала), освен това елиминира разсеяните поляризационни ефекти, дължащи се на земната атмосфера.

Въпреки че калцитът е доста крехък, кристалът Alderney носи нови прозрения за търсене на подобни кристали. При корабокрушенията, когато калцитът е потопен от векове в морска вода, кристалната прозрачност се губи главно поради разсейването на Мие и йонообменните щамове, но типичната ромбоедрична геометрия е добре запазена. Освен това може да се отбележи, че калцитът има тенденция да се счупва по структурни равнини. Плоскостите на разцепване на сравнителна слабост, в резултат на редовното разположение на атомите в кристала, могат да разрушат кристала на калцита, особено когато се нагряват. Фигура 13а показва типичен калцитов кристал, който се счупва при нагряване само при 250 ° C за около 10 минути, което води до малки ромбоедри (фигура 13б). Викингската практика на кремация вероятно намалява възможността за археолозите да намерят пълни кристали сред артефактите в погребенията на викингите, изследвани на различни места. Въпреки това, както на фигура 13б, фрагментите запазват типичните си ъгли от 102 ° и 78 °.

Фигура 13. Нагряване на калцитов кристал. (а) Снимка на кристал 5 × 3,5 × 1,5 см преди нагряване. (б) Снимка на калцитовите фрагменти след нагряване при 250 ° C в продължение на 10 минути. Обърнете внимание, че фрагментите са запазили ромбоедрична геометрия. (Онлайн версия в цвят.)

Нещо повече, заслужава да се отбележи, че въпреки че историята на исландския шпат преди откриването на Бартолин през 1669 г. не е добре известна, калцитовите кариери вече са съществували в Исландия през XV и XVI век [8], може би от времето на викингите. В действителност при неотдавнашни разкопки в Исландия е открит първи фрагмент от калцит в селище на викинги [30], доказващ, че някои хора в епохата на викингите са използвали исландски шпат кристали (Á. Einarsson 2012, частна комуникация). Откритието на Олдърни и тези скорошни открития дават надежда за откриване на други кристали или фрагменти в различните археологически обекти на викингите или древни корабокрушения, подобни на тези, изследвани в Шотландия, Ирландия, Исландия, Гренландия и Скандинавия.