A XVI. Századi Alderney kristály: egy kalcit, mint hatékony referencia optikai iránytű?

Albert Le Floch

Laboratoire d'Électronique Quantique, 20 négyzet Marcel Bouget, Rennes cedex 35700, Franciaország

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

Chimiques de Rennes Intézet, UMR CNRS 6226, Rennes Egyetem 1, Rennes cedex 35042, Franciaország

Alderney Maritime Trust, Royal Connaught Square, St Anne, Csatorna-szigetek, Alderney GY9 3AA, Egyesült Királyság

Albert Le Floch

Laboratoire d'Électronique Quantique, 20 tér Marcel Bouget, Rennes cedex 35700, Franciaország

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

Chimiques de Rennes Intézet, UMR CNRS 6226, Rennes Egyetem 1, Rennes cedex 35042, Franciaország

Alderney Maritime Trust, Royal Connaught Square, St Anne, Csatorna-szigetek, Alderney GY9 3AA, Egyesült Királyság

Absztrakt

Az 1592-ben elsüllyedt Erzsébet-hajón nemrégiben felfedezett kristály izlandi sparnak bizonyult. Jelentésünk szerint két, egymással ellentétes hatású jelenség magyarázza ennek a viszonylag törékeny kalcitkristálynak a jó megőrzését és fejlődését. Bemutatjuk, hogy a Ca 2+ –Mg 2+ ioncserék egy ilyen, tengervízbe merített kristályban döntő szerepet játszanak az oldhatóság korlátozásában, a kalcit mechanikai tulajdonságainak megerősítésében, míg a homokkopás megváltoztatja a kristályt annak érdességének előidézésével. felület. Bár mindkét jelenség csökkentette az Alderney kalcitkristály átlátszóságát, bebizonyítjuk, hogy az Alderney-szerű kristályokat valóban pontos optikai iránytűként lehetett volna használni az ősi hajózás segédeszközeként, amikor a Napot felhők rejtették el vagy a láthatár alatt. Az 1600 előtt nem ismert nagy mágneses hibák elkerülése érdekében egy optikai iránytű segíthetett abban, hogy a matrózok abszolút referenciát kapjanak. Az Alderney-szerű kristály lehetővé teszi a megfigyelő számára, hogy a Nap azimutját messze a láthatár alatt, ± 1 ° pontossággal kövesse. Az Alderney kristály fejlődése reményt ad más kalcitkristályok azonosítására a viking hajótörésekben, temetkezésekben vagy településeken.

1. Bemutatkozás

2. Anyag és módszerek

a) Anyag

Az erzsébetkori hajótörés helyéről feltárt Alderney kristály több mint 400 évig maradt a tengervizekben és a homokban, Alderney partjainál, nagyon erős áramlásoknak kitéve. A kristály és sok más, az Erzsébet hajóhoz kapcsolódó tárgy egy víz alatti öbölben maradt fenn, ahol a homok felhalmozódott és védelmet nyújtott. A kihívást jelentő körülmények ellenére az 1. ábrán látható kristálya tökéletes rombohéder geometriát tartott és mérete 5 × 3 × 2,4 cm. A 102 ° -os tompaszög és a 78 ° -os hegyes szög pontosan megegyezik a hasonló hasított kalcitkristályokéval, hasonlóan az 1. ábrán láthatóhozb. A kalcitkristályok (kalcium-karbonát, CaCO3) azonban meglehetősen törékenyek, mivel a kalcit nem. 3 a Mohs-keménységi skálán. 1.ábraa azt mutatja, hogy a kristály átlátszósága csökkent a tengervízben és a homokban való hosszú tartózkodása során, összehasonlítva az 1. ábrán látható Alderney-szerű kristályévalb.

1.ábra. (a) Az Alderney kristály (5 × 3 × 2,3 cm). Több mint 400 év merülés után a Csatorna tengervízében a rombohéder geometria változatlan, de az átlátszóság csökken. (b) Hasonló brazil kristály (5 × 3 × 2,5 cm). Ennek az Alderney-szerűnek az átláthatósága szinte tökéletes. (c) Ugyanaz a kristály homokkopás és kéthetes merülés után a Csatorna tengervízében. A Mie-szórás és az Mg 2+ –Ca 2+ -cserék a felszínen csökkentették az átlátszóságát. (Online verzió színes.)

b) Módszerek

A homok mechanikai kopásvizsgálatait szilícium-dioxid felhasználásával, kereskedelmi homokfúvóval végezzük. Az érdességi elemzéseket Taylor-Hobson felületi érintkezési profilmérővel végezzük. A kalcitkristályok keménységének felméréséhez különböző hőtechnikákat tesztelünk, mégpedig úgy, hogy a kristályokat különböző hőmérsékleten melegítjük kemencében. A fegyverekkel teli Alderney hajó fedélzetén a lehetséges mágneses eltérések becsléséhez mágneses iránytűt mozgattunk az Alderney Múzeumban kiállított hajóból feltárt különböző fémtárgyak közelében, nevezetesen az egyik feltárt ágyú közelében.

2. ábra Egy polarizálatlan fény esete a kalcitkristályra. (a) Rendszer; nem polarizált fény. (b) Polarizálatlan napsugár. Fotó, amely a két képet azonos intenzitással mutatja, a kristály tájolásától függetlenül. (Online verzió színes.)

3. ábra: Lineárisan polarizált fény esete. Összehasonlító módszerek a Malus-törvény alkalmazásához a polarizátornak és a depolarizátornak megfelelő két munkapontra. (a) A Malus-törvény két lehetséges munkaponttal és annak származékával. (b) Elméleti kontraszt a kalcit 45 ° -os izotropiapontjának mindkét oldalán. (c) A polarizátor és a depolarizáló módszerek összehasonlító jelintenzitása a megfelelő munkapontjaik körül. (Online verzió színes.)

4. ábra (a) Részben polarizált fény esete. (b) A La Manche csatornán előforduló elméleti V alakú kontrasztjelek a polarizáció különböző fokaihoz. A vízszintes vonal a Hubel által bevezetett kontraszt szemküszöböt jelöli [22]. (Színes online változat.)

3. Eredmények

a) Spektroszkópiai elemzések: ioncserélési eredmények

Amint az 5. ábrán láthatóa, az ICP-AES technika alkalmasnak tűnik tömeges elemzésre, nevezetesen a kalcium kimutatására, amely a CaCO3 kristályok fő eleme. Az Alderney kristály és az újonnan összegyűjtött referencia kalcitkristály atomkibocsátásának előjelét összehasonlítjuk 317,9 nm-en (5. ábra).a). A két spektrum meglehetősen hasonló, kémiailag megerősítve az Alderney kristály kalcit természetét.

5. ábra: Induktív kapcsolt plazma-atomemissziós spektroszkópia (ICP-AES) spektrumok a frissen gyűjtött kalcitkristály és az Alderney-kristály nagy részéhez. (a) Mindkét kristály ugyanazt a 317,9 nm kalciumcsúcsot mutatja, ami megerősíti, hogy az Alderney kristály egy kalcit kristály. (b) A Mg nyomok összehasonlítása mindkét kristályban 279,5 nm-en. Az Alderney kristály Mg-koncentrációja nyolcszor nagyobb, mint egy frissen gyűjtött kalcité. (Színes online változat.)

Az Mg 2+ nyomok relatív mért koncentrációja (ugyanazon ICP-AES technikával) az Alderney kristályban egy frissen gyűjtött kalcittal összehasonlítva az 5. ábrán láthatób. Az Alderney kristály Mg 2+ koncentrációját nyolcszorosára növelték, amint azt a 279,5 nm körüli, 2000 ppm értéket elérő emissziós spektrumok mutatják. Mivel a Ca 2+ ion átmérője nagyobb (0,1 nm), mint az Mg 2+ ion (0,07 nm), ismert, hogy a kalcit kristályos szerkezete a felületen kissé összenyomódott, majd csökkenti az átlátszóságot, de növeli az oldhatatlanságot és a kristály megerősítése [23,24]. Ez megmagyarázza az Alderney kristály rombohéderes geometriájának jó megőrzését, hosszú tengervízben való tartózkodás után is megtartva a tipikus 102 ° és 78 ° szöget. Ne feledje, hogy az aktív helyek, például a diszlokációk, a mikrotörések és a ponthibák növelik az ioncsere-sebességet, elérve a kristály nagy részét.

6. ábra. Mg 2+ –Ca 2+ kicserélődik a kalcit felületén egy kristályra egy részlegesen MgNO3 vizes oldatába merítve. A fényképen a kristály két része látható, kéthetes merítés után. A felső rész átlátszó maradt, míg az alsó rész az átlátszóság csökkenését mutatja, amely szabad szemmel közvetlenül megfigyelhető. (a) A nem merített résznél a kimért energiadiszperzív röntgenspektrumban nem detektálnak Mg 2+ iont. A felület elektronmikroszkópos fényképe a betétben mutatja a felület változatlan minőségét. (b) A bemerült rész esetében a várható Mg-aláírás 1,3 keV értéken jelenik meg, ami megfelel a mért 0,37% -os koncentrációnak. A megfelelő felület elektronmikroszkópos fényképe a betétben megerősíti a felület csökkent átlátszóságát. (Színes online változat.)

7. ábra. Mg 2+ –Ca 2+ cserék kalcit felületen egy tengervízbe részben elmerült kristályra. A fényképen a kristály két része látható, kéthetes merítés után. A felső rész átlátszó maradt, míg az alsó rész enyhén csökkentette az átlátszóságot, ami szintén szabad szemmel is megfigyelhető. (a) A nem merített rész esetében az energia-diszperzív röntgenspektrumban nem detektálnak Mg 2+ iont. A felület elektronmikroszkópos fényképe a betétben ismét mutatja az átlátszó felület változatlan minőségét. (b) A bemerült rész esetében a várható Mg-jel is megjelenik 1,3 keV értéken, ami megfelel a mért 0,27% -os koncentrációnak. Megjegyezzük, hogy a tengervízben egy további Na-csúcs jelenik meg a spektrum 1,05 keV-ján. A kristály felületén a NaCl lerakódás egyértelműen megfigyelhető a betétlapon található elektronmikroszkópos fotón. (Színes online változat.)

b) Homokkopás

8. ábra: Taylor-Hobson felületi profilozóval kapott összehasonlító érdességi mérések. (a) Az 1. ábra átlátszó kristályáhozb. (b) Ugyanazon kristály esetében homokkopás és kéthetes tengervízbe merítés után (lásd a megfelelő fényképet az 1. ábrán)c). Az átlagos érdesség eléri az 1,2 μm-t, ami erős Mie-szórást eredményez a látható fényben. (Online verzió színes.)

c) Mágneses tesztek

9. ábra A mágneses iránytű tipikus zavarai az Alderney hajó egyik feltárt ágyújával. A szaggatott vonal csak útmutató a szem számára. Az ágyú súlya 700 kg. Az ágyú tengelye kelet-nyugati irányban helyezkedik el. A mágneses iránytűt merőlegesen mozgatják az ágyú tengelyére. Ebben az esetben az eltérések elérhetik a 100 ° -ot. A betéten az Alderney Múzeumban kiállított ágyú fényképe látható. (Online verzió színes.)

d) Optikai eredmények Alderney-szerű kristályokkal

10. ábra: Tipikus mért égbolt-besugárzások 2011. április 18-i szürkületkor az é. Sz. 48 ° 07 ′, a nyugati 1 ° 41 ′ (a) Az egymást követő fényképeket 10 percenként készítik. A sűrűségmérő lehetővé teszi a besugárzások mérését. (b) Megfelelő kísérleti variációk az idő függvényében. Ne feledje, hogy az első csillagok körülbelül 21.00 órakor (helyi nyár idő=UTC+2, UTC: Univerzális Időkód). (Online verzió színes.)

11. ábra: A Nap jellemző fényvisszaverése 22,16-kor szürkületben alacsony besugárzások esetén. (a) Égi besugárzások az első csillagok 2011. július 28-i megjelenése előtt és után.b) A csillagok megjelenése előtt negyed órával végzett kísérlet. A fehér vonalak megfelelnek a közönséges és a rendkívüli gerenda relatív intenzitásának. A polarizáció mértéke az ρ= 0,6. (c) A kontraszt egyértelműen meghaladja az 1% -os kontrasztszem küszöbértéket. A Nap csapágyának pontossága a foktartományban van. (Online verzió színes.)

Sőt, felmerülhet az a kérdés, hogy az emberi szem magas érzékenysége lehetővé teheti-e a matrózok számára a kalcit kristályok használatát, mint a Nap követői, amikor a Nap teljesen a láthatár alatt van, amint azt a 12. ábra mutatjaa. A Napot 10 percenként vettük 2011. szeptember 30-án 19.00 és 20.30 között. A megfelelő kísérleti megfigyeléseket a 12. ábra mutatja beb, az előre jelzett elméleti napazimutmal az északi szélesség 48 ° 07 ′ -re számítva, figyelembe véve a Föld forgását. Ezek az eredmények azt mutatják, hogy az izlandi spar hatékony differenciáleszközként viselkedik a rejtett Nap helyének meghatározásában, és abszolút referenciát nyújthat a navigátoroknak, különösen sötét naplemente vagy napfelkelte körül.

12. ábra: Napkövetési kísérlet (lásd a táblázatot a). 2011. szeptember 30-án beszámoltunk az egymást követő kísérleti csapágyakról a 19.00 és 20.30 közötti idő függvényében (b). Minden kísérleti pontot (pontot) ötször mértünk. Az egyenes megegyezik a Nap elméleti azimutjaival az ÉSZ 48 ° 07 ′, NyH 1 ° 41 ′ -ban, amelyeket az Országos Földrajzi Adatközpontból vettünk át. A nap pontossága miatt a matrózok követni tudták a Napot a láthatár alatt. (Online verzió színes.)

4. Megbeszélés és következtetések

Érdekesség, hogy a Föld-szerű exobolygó (HD189733b) légköréből szétszórt, nagyon gyenge polarizált fénysugarak közelmúltbeli sikeres észlelésében a szerzők [29] ugyanazt a kalcit-módszert alkalmazzák (de a képernyő a kristály után helyezkedik el)., továbbá kiküszöböli a Föld légköréből adódó kóbor polarizációs hatásokat.

Bár a kalcit meglehetősen törékeny, az Alderney kristály új betekintést nyújt a hasonló kristályok keresésére. A hajóroncsokban, amikor a kalcit évszázadok óta elmerült a tengervízben, a kristály átlátszósága elsősorban a Mie-szóródás és az ioncserélő törzsek miatt elvész, de a tipikus romboéderes geometria szépen megmaradt. Ezenkívül megjegyezhetjük, hogy a kalcit hajlamos a szerkezeti síkok mentén törni. Az összehasonlító gyengeség hasítási síkjai, amelyek az atomok rendszeres elrendeződésének eredményeként, a kristályban megszakíthatják a kalcitkristályt, különösen hevítve. 13. ábraa egy tipikus kalcitkristályt mutat, amely csak 250 ° C-on körülbelül 10 percig melegítve törik össze, és kicsi rombohedronokat eredményez (13. ábra)b). A hamvasztás viking gyakorlata valószínűleg csökkenti annak lehetőségét, hogy a régészek teljes kristályokat találjanak a különböző helyszíneken feltárt viking temetések műtárgyai között. Ugyanakkor, mint a 13. ábránb, a töredékek megtartják jellemző 102 ° és 78 ° szöget.

13. ábra Kalcitkristály melegítése. (a) 5 × 3,5 × 1,5 cm-es kristály fényképe melegítés előtt. (b) A kalcitfoszlányok fényképe 250 ° C-on 10 percig tartó hevítés után. Vegye figyelembe, hogy a töredékek rombohéder geometriát tartottak. (Online verzió színes.)

Sőt, érdemes megjegyezni, hogy bár az izlandi spar története Bartholin 1669-es felfedezése előtt nem ismert, a kalcitbányák Izlandon már a tizenötödik és tizenhatodik században léteztek [8], talán a vikingek kora óta. Egy nemrégiben történt izlandi ásatás során valóban felfedeztek egy első kalcit töredéket egy viking településen [30], ami azt bizonyítja, hogy a viking korban néhány ember izlandi spar kristályokat alkalmazott (Á. Einarsson 2012, magánkommunikáció). Az Alderney-felfedezés és ezek a legújabb megállapítások reményt adnak más kristályok vagy töredékek felfedezésére a különböző régészeti viking helyszíneken vagy ősi hajótörésekben, hasonlóan a Skóciában, Írországban, Izlandon, Grönlandon és Skandináviában feltártakhoz.