Fig.1. Mozaika zdjęć pokazująca Ziemię w nocy widzianą z orbity. Doskonale widoczne są obszary najbardziej zurbanizowane - Europa, Ameryka Północna i Japonia (źródło: NASA)
Fig.2. Nocne zdjęcie Europu. Wyraźnie widoczne są duże miasta europejskie (źródło: NASA)
Fig.3. Polska w nocy. Zaznaczone zostały większe miasta polskie i państw sąsiednich (źródło: NASA)
Fig.4. Mapa sztucznej jasności nocnego nieba dla Europy. Kolory oznaczają różne wartości ilorazu jasności jasności sztucznej do jasności naturalnej (autorzy: P. Cinzano, F. Falchi, C. D. Elvidge; © Royal Astronomical Society)
Fig.5. Mapa sztucznej jasności nocnego nieba dla Polski. Oznaczenia kolorami takie same jak na Fig.4. (autorzy: P. Cinzano, F. Falchi, C. D. Elvidge; © Royal Astronomical Society)
Fig.6. Porównanie zdjęcia satelitarnego z mapą sztucznej jasności nieba (na przykładzie północnej Polski.)
Fig.7. Mapa całkowitej jasności nocnego nieba dla Europy. Kolory oznaczają różne wartości tej jasności wyrażonej w mag/arcsec2. (autorzy: P. Cinzano, F. Falchi, C. D. Elvidge; © Royal Astronomical Society)
Fig.8. Mapa ilości gwiazd widocznych okiem nieuzbrojonym (Europa). Kolory pokazują ile gwiazd można zobaczyć w danym miejscu. (autorzy: P. Cinzano, F. Falchi, C. D. Elvidge; © Royal Astronomical Society)
Jak sytuacja wygląda?
zdjęcia satelitarne
Zacznijmy od szerszego spojrzenia na problem, czyli od zdjęć satelitarnych. Zdjęcia te pokazują jak wielkie ilości sztucznego światła uciekają nocą w przestrzeń kosmiczną. Na zdjęciu obejmującym całą Ziemię najwyraźniej widoczna jest Europa, Ameryka Północna i Japonia - obszary najbardziej zurbanizowane (patrz Fig.1). Patrząc na zdjęcie Europy (Fig.2) bez trudu odnajdziemy większe miasta, a cały kontynent jest doskonale zarysowany nawet bez zaznaczonej linii brzegowej. Zbliżając się jeszcze bardziej do Polski (Fig.3), będziemy mogli nie tylko łatwo wskazać duże polskie miasta, ale również te mniejsze, liczące zaledwie kilka tysięcy mieszkańców.
Zdjęcia (wykonane z góry) te nie pokazują problemu zanieczyszczenia światłem w pełni. Mało bowiem lamp świeci pionowo w górę (chociaż są i takie). Dopiero zdjęcia satelitarne wykonane nieco z boku, w pełni ujawniłyby dużą ilość złych lampy świecące do góry pod mniejszymi kątami. Jednak dane satelitarne nie dają informacji o tym jak to marnowane światło wpływa na rozjaśnianie nocnego nieba w poszczególnych miejscach na Ziemi. Aby otrzymać tę informację i badać problem ilościowo, stworzono światowy atlas zanieczyszczenia światłem.
światowy atlas zanieczyszczenia światłem
Nad atlasem pracują naukowcy z Dipartimento di Astronomia (Universita di Padova), Light Pollution Science and Technology Institute (Thiene) i NOAA National Geophysical Data Center (Boulder). Aby otrzymać taki atlas musimy:
- zmierzyć ile sztucznego światła ucieka w niebo (korzystamy z pomiarów satelitarnych, takich jak pokazane powyżej zdjęcia),
- a następnie wyliczyć jak to światło wpływa na jasność nocnego nieba; przy obliczeniach musimy uwzględnić następujące czynniki:
- rozpraszanie światła przez molekuły i aerozole,
- absorpcję światła podczas jego propagacji,
- ilość aerozoli w atmosferze,
- krzywiznę Ziemi,
- wysokość danego obszaru n.p.m.,
- osłanianie przez łańcuchy górskie,
- kierunek obserwacji,
- właściwości ludzkiego oka,
- naturalną jasność nieba.
Przepis na atlas wygląda prosto, ale na jego opracowanie potrzeba dużo czasu obliczeniowego na wydajnych komputerach. Dlatego też praca na atlasem nie została jeszcze zakończona. Są jednak już pierwsze wyniki. Nim zobaczymy mapy z tego atlasu zatrzymajmy się na chwilę na ostatnim wymienionym czynnikiem, branym pod uwagę przy obliczeniach tj. naturalną jasnością nieba.
naturalna jasność nieba
Nocne, nie zanieczyszczone sztucznym światłem niebo nie jest zupełnie czarne. Są dwa źródła jego naturalnej jasności.
- Poświata atmosfery, czyli słabe świecenie atmosfery ziemskiej powstające w jonosferze. Świecenie to powodowane jest m.in. przez silne promieniowanie UV ze Słońca, jonizujące gazy w tej warstwie. Następująca potem rekombinacja jonów daje świecenie atmosfery. Proces rekombinacji trwa jeszcze po zachodzie Słońca. Za powstawanie poświaty odpowiedzialna jest też luminescencja wywołana promieniowaniem kosmicznym oraz chemiluminescencja.
- Rozpraszanie w atmosferze ziemskiej światła pochodzącego od gwiazd, planet, Drogi Mlecznej i światła słonecznego odbitego na pyle międzyplanetarnym (światło zodiakalne).
Obydwa czynniki są zmienne, ale średnio powodują, że najciemniejsze niebo nocne ma jasność około 22.0 mag/arcsec2. Jasność 22 mag to bardzo mało i jest ona daleko poza zdolnością ludzkiego oka. Jednak 1 arcsec2 (czyli wycinek nieba o rozmiarach 1 x 1 sekund łuku) to bardzo mały fragment widocznej sfery niebieskiej (około 270 mld razy mniejszy). Gdyby posumować tę jasność po widocznej sferze to była by ona równa jasności około 500 gwiazd takich jak Syriusz czy Wega. To dużo, bo na niebie tak jasnych gwiazd jest zaledwie kilkanaście. Podczas kwadry i pełni Księżyca jasność nieba wzrasta odpowiednio 3.5 i 40 krotnie do wartości 20.5 i 18.0 mag/arcsec2. Używając naszego porównania z jasnymi gwiazdami, to jasność nieba podczas kwadry odpowiada około 2000 takich gwiazd a w czasie pełni aż 20000. Jak jasne jest niebo podczas pełni możemy zobaczyć sami, obserwując niebo w tym czasie.
Wiedząc jak jasne (ciemne) jest niebo bez zanieczyszczenia, możemy zobaczyć jaka jest jego jasność po uwzględnieniu sztucznych źródeł światła.
mapa sztucznej jasności nocnego nieba
Mapa ta (patrz Fig.4 i Fig.5) umożliwia ocenę stopnia zanieczyszczenia światłem, które przedstawiono jako iloraz jasności sztucznej nieba (w zenicie) do jasności naturalnej (oznaczmy go jako AB - artifitial brighteness (jasność sztuczna)). Jasność ta została policzona bez uwzględnienia wysokości na jakiej znajduje się dany obszar Ziemi, czyli tak jakby cała powierzchnia Ziemi położona była na poziomie morza. Dzięki takiemu podejściu można ocenić i porównać poziom zanieczyszczenia światłem w różnych miejscach oraz zidentyfikować obszary najbardziej zanieczyszczające atmosferę światłem lub te, w których sztucznego światła jest najmniej.
Chociaż nieuwzględnienie rzeczywistych wysokości n.p.m. nie pozwala z tej mapy odczytać jak widoczne jest niebo w danym miejscu, to jednak możemy, w pewnym przybliżeniu, wyciągnąć m.in. następujące wnioski:
- Granica pomiędzy obszarem czarnym a szarym oznacza AB=0.1 i jest jednocześnie definiowana przez Międzynarodową Unię Astronomiczną jako granica pomiędzy niebem nie zanieczyszczonym a zanieczyszczonym. Jedynym miejscem w Europie, gdzie niebo ma naturalna jasność jest północna Skandynawia.
- Granica pomiędzy obszarem zielony a żółtym (AB=1) to miejsca, gdzie jasność sztuczna jest równa naturalnej, czyli całkowita jasność nieba jest podwojona.
- Obszary pomarańczowe (AB=3-9) to miejsca, gdzie Drogę Mleczną trudno jest dostrzec lub nie jest ona widoczna. Takie obszary są dość rozległe, obejmują np.: Belgię, Holandię, północo-zachodnie Niemcy, dużą część Anglii, Górny Śląsk, północne Włochy.
- W obszarach czerwonych (AB>=9) ilość widocznych gołym okiem gwiazd spada poniżej 200 (normalnie widać około 2000).
Mapa sztucznej jasności nieba (jak i pozostałe mapy z tego atlasu) wydają się być rozmyte, nieostre. Nie jest to jednak wina niskiej rozdzielczości obliczeń czy wizualizacji wyników, ale wynika z faktu, że samo zjawisko rozchodzenia się i rozpraszania światła ma charakter dyfuzyjny, bez ostrych granic.
Ciekawe jest też porównanie map AB ze zdjęciami satelitarnymi (tu na przykładzie północnej Polski, Fig.6). Obszary ciemne (czarne) na zdjęciach satelitarnych (np. morze, teren słabo zaludniony) wcale nie muszą mieć naturalnie ciemnego nieba. Wskutek rozchodzenia się i rozpraszania światła z pobliskich miast, niebo i tam jest zanieczyszczone.
Mapa całkowitej jasności nocnego nieba
Mapa ta pokazuje jaka jest całkowita jasność nocnego nieba (czyli suma jasności naturalnej i sztucznej). Poszczególne poziomy jasności całkowitej oznaczono kolorami (patrz Fig.7). Jasność na tej mapie wyrażona jest w mag/arcsec2, czyli w tej samej jednostce, którą używaliśmy powyżej do jasności naturalnej. Możemy więc teraz analizując mapę jasności całkowitej, odnieść się od jasności naturalnej przy różnych fazach Księżyca.
- Większa część (96%) mieszkańców Unii Europejskiej żyje na obszarach, gdzie nocne niebo nigdy nie jest ciemniejsze niż jak podczas kwadry Księżyca. (20.5 mag/arcsec2 i jaśniej)
- Są też duże obszary (60% mieszkańców UE), na których niebo nie staje się ciemniejsze niż jak podczas pełni (18 mag/arcsec2 i jaśniej).
- W centrach największych miast jasność nieba sięga 17 mag/arcsec2, czyli niebo jest 2.5 razy jaśniejsze niż podczas pełni Księżyca.
- Na przykładzie Madrytu widać, że pojedyncze duże miasto może zanieczyścić niebo w promieniu 100 km od jego centrum (czasem więcej).
Podobna sytuacja co w Europie występuje też np. na wschodnim wybrzeżu USA, w Japonii i Korei Południowej. Warto też wspomnieć, że dobrze zlokalizowane obserwatorium powinno znajdować się w obszarze, w którym poziom świecenia nieba nie przekracza 21.6 mag/arcsec2, więc duża część Europy nie nadaje się do tego celu.
Mapa ta nie może służyć do oceny stopnia zanieczyszczenia nieba w danym miejscu, ponieważ uwzględnia ona wysokość n.p.m. Im wyżej się znajdujemy tym rzadsza i przeźroczystsza jest atmosfera. Mniejsze jest więc także rozpraszanie światła, a więc mniejsza jest też całkowita jasność nieba. Dla przykładu jasność nieba na Alpami jest podobna jak nad Bałtykiem. Ale miejsca te mają różną wysokość n.p.m. i skoro niebo nad Alpami ma taką jasność jak niebo widziane z poziomu morza, to oznacza, że jest ono bardziej zanieczyszczone światłem. Widać to na Fig.4 - sztuczna jasność nieba alpejskiego jest około 10 krotnie większa niż nieba bałtyckiego.
Mapa ilości gwiazd widocznych okiem nieuzbrojonym
Wraz ze wzrostem jasności nocnego nieba, maleje ilość gwiazd, które możemy dostrzec. Gwiazda będzie widoczna tylko, gdy znajdzie się na tle ciemniejszym od niej. Im jaśniejsze niebo, czyli tło, na którym widzimy gwiazdy, tym coraz więcej gwiazd, poczynając od tych najsłabszych, przestaje być widoczna. Zatem ilość widocznych gwiazd jest dość dobrym wskaźnikiem stopnia zanieczyszczenia nieba światłem. Zamieszczona obok mapa Europy (Fig.8) pokazuje ile gwiazd może zobaczyć przeciętny człowiek (bez użycia sprzętu optycznego). Tak jak w przypadku mapy całkowitej jasności nieba, tak i tu uwzględniono wysokość n.p.m., a więc nie daje ona możliwości dokładnej oceny stopnia zanieczyszczenia nieba światłem. Można jednak ocenić jakie warunki do obserwacji nieba panują w danym miejscu. Jak widać z tej mapy, na niebie w dużych miastach można zobaczyć zaledwie około 200 gwiazd lub nawet mniej. Tymczasem przy braku zanieczyszczenia światłem można zaobserwować ich około 2000.
jak wygląda ciemne niebo?
Brak prądu elektrycznego w mieście dezorganizuje życie jego mieszkańców. Tym bardziej jeżeli do awarii dojdzie w nocy i obejmie ona całe lub większość miasta. Takie zdarzenie może jednak mieć pewne zalety. Jest to okazja, aby nie ruszając się z miejsca zobaczyć prawdziwie ciemne niebo i jaka jest różnica pomiędzy nim a zanieczyszczonym niebem, które zwykle widzimy.
Takiej różnicy pomiędzy ciemnym a sztucznie rozświetlonym niebem mogli doświadczyć mieszkańcy wschodniej części Ameryki Północnej 14 sierpnia 2003. Doszło wtedy do poważnej awarii systemu energetycznego, w wyniku której wiele miejsc od Detroit po Nowy Jork pogrążyło się częściowo lub całkowicie w ciemności. Awaria dotknęła około 40 mln ludzi w USA i Kanadzie. Pozytywnym jej wynikiem było to, że ludzie mogli zobaczyć jak zanieczyszczenie światłem wpływa na wygląd nocnego nieba. Tę niecodzienną okazję w szczególności wykorzystali miłośnicy astronomii. Efektem obserwacji jednego z nich są dwa zdjęcia, które pokazują ogromną różnicę pomiędzy ciemnym i sztucznie rozświetlonym niebem (Fig.9).
