Monitoring svetlobnega onesnaženja

Andrej Mohar, Herman Mikuž, Tomaž Zwitter, Pobuda za temno nebo

Namen monitoringa je ugotoviti najnovejše stanje svetlobnega onesnaženja v Sloveniji. V ta namen smo avgusta 2005 pričeli z rednim snemanjem neba iz več lokacij po Sloveniji. S standardizirano opremo bomo dokumentirali stanje svetlobnega onesnaženja neba nad lokacijami obstoječih astronomskih observatorijev ter potencialnih lokacij, kjer bi se zaradi relativno temnega neba lahko izvajala astronomska opazovanja. Prvi rezultati monitoringa so predstavljeni na teh straneh. Z njimi pa bomo seznanili tudi Ministrstvo za okolje in prostor.

Monitoring se izvaja s Canon digitalnimi fotoaparati tipa EOS 1Ds (1), 20D in 350D, s skoraj identičnimi spektralnimi karakteristikami senzorjev in objektivom ribje oko Peleng 3.5/8 mm, pritrjenem na fiksno stojalo. Opazovanja se izvajajo ob jasnih nočeh, pri stabilnih opazovalnih pogojih (anticiklon) z namenom, da dobimo čimbolj celovito sliko svetlobnega onesnaženja nad Slovenijo.

Slika 1: Digitalni fotoaparat Canon EOS 1Ds, velikost senzorja 4064×2704 pik, (25x36mm), opremljen z objektivom ribje oko Peleng 3.5/8 mm, ki naredi 180o projekcijo neba v krog s premerom 24 mm. Tako z enim samim posnetkom pokrijemo celotno vidno nebo.

Senzorji serije digitalnih fotoaparatov Canon EOS imajo identične spektralne karakteristike in so optimizirani za detekcijo v vidnem spektru. Pri nastavitvah občutljivosti nad ISO 400 učinkovito zaznavajo tudi razmeroma majhne svetlobne tokove. Njihova spektralna občutljivost pokriva celoten vidni spekter od 400 do 700 nanometrov. To je obenem tudi spektralno območje v katerem sevajo visokotlačne natrijeve ter živosrebrne svetilke zunanje razsvetljave, ki so v Sloveniji največ v uporabi.

Slika 2: Standardna spektralna odzivnost senzorja na svetlobo halogenske svetilke v digitalnem fotoaparatu Canon 350D. Maksimum odzivnosti v posameznem spektralnem območju je normaliziran na celo enoto.(2) Vir: Christian Buil 2005 http://www.astrosurf.org/buil/350d/350d.htm

Iz gornje slike je razvidno, da je optimalna spektralna odzivnost Canonovega senzorja v območju valovnih dolžin 400 do 700 nanometrov, kar se zelo dobro ujema s spektralno porazdelitvijo emisijskih črt živosrebrnih svetilk (Hg) in visokotlačnih natrijevih svetilk (Na I) na sliki spodaj. Zato smatramo, da so navedeni digitalni fotoaparati primerni za snemanje svetlobnega onesnaženja neba.

Slika 3: Spekter nočnega neba z emisijskimi črtami živosrebrnih svetilk (Hg) in visokotlačnih natrijevih svetilk (Na I).(3) Ordinatna os je v Angstromih. Vir: Christian Buil 2005, http://www.astrosurf.org/buil/us/spe2/hresol4.htm

Posnetki svetlobnega onesnaženja iz različnih lokacij po Sloveniji

Prvi rezultati monitoringa

1. Analiza posnetkov svetlobnega onesnaženja na lokacijah Observatorija Črni Vrh, Zaplana in AGO v Ljubljani

Snemanje smo izvedli v jasni noči 1.-2. september 2005 s postavitvijo, ki je prikazana na sliki 1. Kamero smo orientirali po glavnih straneh neba. Na posnetkih je sever zgoraj, vzhod pa na levi strani. Občutljivost kamere je bila nastavljena na ISO 1000, osvetlitve pa so trajale 180 sekund. Določili smo jih eksperimentalno. Da bi čimbolj ohranili verodostojnost posnetkov jih nismo dodatno procesirali. Posneli smo jih v RAW formatu, ki ohrani informacije brez izgub. Odštet je bil le termični šum kamere.

Canon 1Ds, 3min@ISO 1000, Peleng 3,5/8 mm fisheye @f/5,6 vlaga 100%
Črni Vrh                                          Zaplana                                        AGO
  
d=35 km                                          d=22 km                                      d=0 km

Slika 4: Posnetek neba iz observatorijev na Črnem Vrhu (levo), na Zaplani (sredina) in AGO (desno) v noči 1.-2. september 2005. Pod vsako sliko je zabeležena zračna razdalja lokacije od Ljubljane. Nebo nad AGO, ki je sredi Ljubljane je preosvetljeno z umetno svetlobo, ki prihaja neposredno od nezasenčenih svetilk ter od odboja svetlobe od tal. Nebo nad Zaplano in Črnim Vrhom je temnejše. Svetel trak, ki se razprostira čez posnetek je naša Galaksija. Nad obema lokacijama je vidno žarenje neba, ki prihaja od oddaljenih virov, ki sevajo pod majhnimi koti nad horizontom. Sevanje v oranžni barvi prihaja od visokotlačnih natrijevih, v zelenkasti barvi pa od živosrebrnih svetilk. Foto A. Mohar in H. Mikuž. Celotna zbirka posnetkov je dosegljiva na spletni strani http://www.observatorij.org/Monitoring.html

Zaradi preosvetljenega neba na lokaciji AGO smo natančneje analizirali le posnetka iz Zaplane in Črnega Vrha. Identifikacijo virov onesnaženja smo opravili s pomočjo karte in kotomera. Prikazani so v spodnji tabeli.

Observatorij Črni vrh (730m)                        Observatorij Zaplana (600 m)

Identifikacija in oddaljenost virov svetlobnega onesnaženja

Na obeh posnetkih je močno prisotno žarenje neba, ki se pokriva s smerjo naselij iz tabele 2. Na lokaciji Zaplana sega svetlobni smog v smeri Vrhnike in Ljubljane vse do višine 45° nad obzorjem, v smeri Logatca pa nekoliko manj. V ostalih smereh nebo osvetljujejo žarometi iz bližnjih cerkva. Od celotne površine neba ga je okoli 50% omejeno ali sploh neuporabno za astronomska opazovanja. Nebo nad Črnim Vrhom je nekoliko temnejše, kot na Zaplani. Svetlobni smog v smeri Ljubljane sega do višine 30°, v smeri Trsta in Furlanije pa do višine 20°. Viden je sicer večji del Galaksije, ki pa proti obzorju izgine v soju Ljubljane in Trsta. Od celotne površine neba ga je okoli 30% omejeno uporabno za astronomska opazovanja.

Iz posnetkov lahko zaključimo, da je na lokaciji Zaplana stanje onesnaženja neba kritično, na lokaciji Črni Vrh je nebo sicer temnejše, vendar je predvsem v smeri proti Ljubljani osvetljenost neba močno povečana in to kljub razmeroma veliki oddaljenosti od vira umetne svetlobe. To razmeroma visoko stopnjo onesnaženja pripisujemo prav svetenju slabo zasenčenih svetilk iz oddaljenih virov pod majhnimi koti nad obzorjem.

2. Analiza posnetkov svetlobnega onesnaženja na lokacijah Črni Vrh, Zaplana, Barje in AGO v Ljubljani

Snemanje smo izvedli v dveh jasnih nočeh in sicer: 8. avgusta in 30. septembra 2005 s postavitvijo, ki je prikazana na sliki 1, s to razliko, da smo uporabili digitalni fotoaparat Canon 20D, ki ima nekoliko manjši CMOS detektor zato na posnetkih vidimo celo nebo le v smeri daljše stranice.

Canon 20D, 3min@ISO 1600, Peleng 3,5/8 mm fisheye @f/5,6 vlaga 80%

Črni Vrh           Zaplana              Barje                  AGO
   
d=35 km              d=22 km              d=8 km                 d=0 km

Slika 5: Posnetki neba (od leve proti desni) iz Črnega Vrha, Zaplane, Barja in AGO v nočeh 8. agusta (zgoraj) in 30. septembra 2005 (spodaj). Pod vsako sliko je zabeležena zračna razdalja lokacije od Ljubljane. Nebo nad AGO, ki je sredi Ljubljane in Barju je preosvetljeno z umetno svetlobo, ki prihaja neposredno od nezasenčenih svetilk ter od odboja svetlobe od tal. Nebo nad Zaplano in Črnim Vrhom je temnejše. Svetel trak, ki se razprostira čez posnetke je naša Galaksija. Nad obema lokacijama je vidno žarenje neba, ki prihaja od oddaljenih virov, ki sevajo pod majhnimi koti nad horizontom. Sevanje v oranžni barvi prihaja od visokotlačnih natrijevih, v zelenkasti barvi pa od živosrebrnih svetilk. Foto H. Mikuž. Celotna zbirka posnetkov je dosegljiva na spletni strani http://www.observatorij.org/Monitoring.html

V obeh nočeh je bil enak tip vremena – dan po prehodu fronte s čisto atmosfero in relativna vlago okoli 80%. Nebo nad AGO in delno na Barju je preosvetljeno z umetno svetlobo, ki prihaja neposredno od nezasenčenih svetilk ter od odboja svetlobe od tal. Kljub precejšnji razliki v razdalji od Ljubljane ni opazne razlike v svetlosti neba v zenitu na Zaplani in Črnem Vrhu. Vidimo tudi, da je nebo nad Črnim Vrhom 8. 8. in 30. 9. (enak tip vremena) enako svetlo, kar je seveda pričakovano.

Zaključki

Monitoring svetlobnega onesnaženja kaže, da je nočno nebo močno onesnaženo tudi na oddaljenih lokacijah, kjer sicer v bližini ni večjih naselij. Sem lahko prihaja umetna svetloba le iz oddaljenih urbanih področij. Ključen problem pri omejevanju onesnaženja je torej preprečevanje sevanja nad vodoravnico, ki očitno prihaja od nezasenčenih ali slabo zasenčenih svetil. To se zdi edina smiselna fizikalna razlaga za širjenje umetne svetlobe na velike razdalje. Glede na velike prostorske dimenzije širjenja svetlobe pod majhnimi koti (glej sliko 6) bo za resen in dolgoročen nadzor svetlobnega onesnaženja nujno potrebno v čim večji meri uporabljati popolnoma zasenčene svetilke, kot edino učinkovito tehnično rešitev.

Slika 6: Prikaz prostorskega dosega sevanja svetilk pod majhnimi koti nad ozemljem Slovenije. Za izhodišče smo vzeli Ljubljano, ki je v naši državi največji vir svetlobnega onesnaženja. Koncentrični krogi povezujejo točke v gornji plasti troposfere (h=5 km), kjer jo žarki pod značilnimi koti iz tabele 1 zapustijo.

Če se bo v Sloveniji nadaljeval sedanji trend povečevanja nezasenčene zunanje razsvetljave, resna astronomska opazovanja ne bodo več možna že v začetku naslednjega desetletja. Nujno je spoznanje, da je tudi nočno nebo del naše naravne dediščine, ki je nimamo pravice uničevati, ampak jo moramo ohraniti bodočim generacijam. Vsako drugačno ravnanje bi bilo neodgovorno in škodljivo. Za to že obstaja potrebna tehnologija cut-off svetilk, ki je na trgu dostopna in ni bistveno dražja od starejše, ki povzroča še vrsto drugih okoljskih problemov. Njihova pomembna prednost pa je tudi učinkovitejša izraba energije. Vsekakor je na potezi Ministrstvo za okolje in prostor z napovedano uredbo o zmanjšanju svetlobnega onesnaženja.

Zahvala

Podjetju Infocona d.o.o. se iskreno zahvaljujemo za izposojo digitalnega fotoaparata Canon 1Ds. Gospodu Matjažu Gostinčarju iz Urada RS za seizmologijo pa za pomoč pri izdelavi karte prostorske razporeditve širjenja umetne svetlobe pod majhnimi koti.