Tik pred sklepno fazo dela na diplomi je bil oktobra 2013 v znanstvenem časopisu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society objavljen članek, ki opisuje novo metodo določanja sija nočnega neba. Avtor članka (v nadaljevanju: avtor) je dr. Tomascz Ściężor s poljske fakultete za okoljski inženiring, ki je del krakovske tehniške univerze (angleški naziv ustanov: Faculty of the Enviromental Engineering, Cracow University of Technology). V tem poglavju bomo precej podrobno predstavili vse vidike, ki jih je potrebno upoštevati pri določanju trenda svetlobne onesnaženosti in same stopnje svetlobne onesnaženosti, in probleme, s katerimi se je ukvarjal avtor pri določanju le-teh;
razlog za to je, da so nam avtorjeve ugotovitve pomagale osvetliti naše rezultate. Hkrati bomo opisali tudi novo metodo določanja sija nočnega neba, ki naj bi določanje trendov spreminjanja sija nočnega neba poenostavila in ki nam bo omogočila rekonstruirati rast svetlobnega onesnaženja v drugi polovici 20. stoletja, če bo njena primernost potrjena z nadaljnjimi raziskavami. (Ściężor, T., 2013)
Revolucionarnost te metode se skriva v njeni preprostosti in v zmožnosti uporabe posnetkov nočnega neba, ki so bili narejeni ob amaterskih opazovanjih kometov.
Astronomi amaterji pogosto opazujejo komete, arhivske baze teh opazovanj pa segajo tako desetletja v preteklost kot tudi na različne konce sveta. Sedanji sij neba tako lahko primerjamo s sijem neba iz časa, ko se o svetlobnem onesnaženju še ni govorilo in ko namenski posnetki za spremljanje sija neba niso bili narejeni. Z uporabo teh nenamenskih posnetkov se izognemo tudi morebitni pristranskosti pri določanju trenda spreminjanja sija nočnega neba.
V literaturi se po avtorjevih besedah srečamo s tremi oblikami meritev umetnega sija nočnega neba:
1. Najstarejše objave, iz 60-ih in 70-ih let prejšnjega stoletja, se ukvarjajo z meritvami spektra nočnega neba in s prisotnostjo umetnih komponent v tem spektru.
2. V literaturi se manjkrat srečamo z drugo obliko merjenj, ki se ukvarja s kvalitativno obravnavo nočnega neba okoli astronomskih središč.
3. Pri tretji obliki meritev gre za namenske meritve sija nočnega neba tako v velikih urbanih središčih kot v zaščitenih območjih, s pomočjo opazovanj ali merjenj z instrumenti. Prve meritve te vrste so bile narejene v 70-ih letih prejšnjega stoletja,
Univerza v Ljubljani – Pedagoška fakulteta Tanja Žontar; diplomsko delo
- 39 -
izmerjen površinski sij nočnega neba nad centri večjih mest pa je bil 17,5 magnitude na kvadratno ločno sekundo.
V desetletjih, ki so sledila, so nadaljevali z izvajanjem meritev na posameznih območjih po svetu (Japonska, Nizozemska, Sicilija, posamezni rezervati v ZDA …), a pravi preboj se je zgodil šele, ko je vojno letalstvo ZDA (v angleščini: United States Air Force) omogočilo
»civilistom« dostop do visoko resolucijskih satelitskih posnetkov Zemlje. To je v letih 2000 in 2001 omogočilo nastanek 3 verzij atlasov svetlobnega onesnaženja (avtorji:
Pierantonio Cinzano, Christopher D. Elvidge, Fabio Fachi):
- atlasa pričakovanega sija najšibkejših zvezd, ki so vidne s prostim očesom, - atlasa absolutnega sija nočnega neba in
- atlasa pričakovane stopnje svetlobne onesnaženosti.
Satelitski posnetki zemeljskega površja iz začetka tega stoletja nam dajo nek osnovni zemljevid svetlobne onesnaženosti, a sateliti, kot smo že omenili, zaznajo le svetlobo, ki seva ali se odbije navpično navzgor. Kvalitativni zemljevid sija neba lahko naredimo že s pomočjo opazovanj najšibkejših zvezd s prostim očesom, do sedaj pa je bilo nemogoče določiti stopnjo svetlobne onesnaženosti v preteklosti in za koliko se je ta povečala do sedaj, po vsem svetu. Za izdelavo zemljevidov svetlobne onesnaženosti je bilo torej potrebno iznajti nov način.
Kot drug pomemben mejnik je v članku omenjen razvoj cenovno dostopnih merilcev površinskega sija neba, angleško »Sky Quality Meter«, na kratko SQM. Enostavna raba in cenovna dostopnost naprave že slabo desetletje omogoča izvajanje meritev širšemu krogu ljudi, manjka torej le še določitev svetlobne onesnaženosti oz. določitev doprinosa umetne svetlobe siju nočnega neba za daljše časovno obdobje, za nazaj.
Metoda kometov (v angleščini: cometary method), kot jo je avtor poimenoval, se opira na merjenja površinskega sija najšibkejših razpršenih objektov, ki so vidni na nebu. Sij teh objektov mora biti porazdeljen čim bolj ploskovno in zato galaksije, zvezdne kopice … ne zadostijo temu pogoju, kometi pa. Avtor pravi, da je za opazovalca komet nejasen objekt s površinskim sijem, ki pada enakomerno iz centra navzven, dokler se ne stopi z ozadjem.
Na podlagi svojih primerjalnih SQM meritev in drugih objav v literaturi avtor verjame, da je povprečni sij površine najbolj šibkih kometov, ki so vidni s teleskopom, z daljnogledi ali celo s prostim očesom, z zelo nizko DC vrednostjo (0, 1 ali 2) lahko dober približek za vrednost površinskega sija nočnega neba, da je le za malenkost višji kot sij nočnega neba oz. določa spodnjo mejo te vrednosti. DC vrednost določa stopnjo zgoščenosti kometa na
Univerza v Ljubljani – Pedagoška fakulteta Tanja Žontar; diplomsko delo
- 40 -
nebesnem ozadju in pove, za koliko površinski sij kome narašča proti centru kome.
Vrednost DC = 0 ima popolnoma nejasen komet, pri katerem sij ne narašča proti centru, pri vrednosti DC = 9 pa komet izgleda kot zvezda z rahlo zamaknjenim goriščem ali planet v slabih razmerah za opazovanje.
Amaterskih opazovalcev kometov je veliko, po vsem svetu je več 100 amaterskih opazovalcev, in ti se svojih opazovanj lotevajo zelo skrbno ter za opazovani komet določijo DC vrednost in absolutno magnitudo kometa ter opažen maksimalni premer ovojnice. Zaradi tega je raziskovalcem v posameznih državah na voljo velik izbor zanesljivih meritev za nadaljnje analize za posamezno leto, ker se poleg ostalih objektov vsako leto opazuje tudi več šibkih kometov, vsaj od zgodnjih let 20. stoletja dalje. Po avtorjevih besedah naj bi bila odstopanja od natančne vrednosti zaradi subjektivnosti pri izkušenem opazovalcu do 0,2 magnitudi in do 20 % pri premeru kome. Maksimalna napaka pri izračunu površinskega sija na opazovalca naj bi bila tako okoli 0,36 magnitude na kvadratno ločno sekundo, kar naj bi bila sprejemljiva vrednost. Na opazovanja vpliva seveda tudi vreme, zato lahko zaradi tega in vseh morebitnih drugih dejavnikov in subjektivnosti opazovalcev, ki jo pri večjem številu opazovalcev ne smemo zanemariti, opisano metodo po avtorjevih besedah upoštevamo prvenstveno le kot statistično metodo za določitev astronomske svetlobne onesnaženosti oz. za oceno svetlobne onesnaženosti jasnega nočnega neba.
Površinski sij nočnega neba (v angleščini: surface brightness of the night sky) je avtor označil s Sa in za enoto v glavnem uporabil magnitude na kvadratno ločno sekundo, tako zaradi skladnosti z drugimi objavami na to temo kot zaradi enot, v katerih podaja vrednosti SQM. Zapisali smo že, da je povprečni sij površine najbolj šibkih kometov lahko dober približek za vrednost površinskega sija nočnega neba. Površinski sij nekega objekta, kometa, pa lahko na podlagi zbranih podatkov s strani opazovalcev kometov izračunamo iz C$T 2,5 · GHI$-,
kjer je Sa površinski sij objekta (magnitude na kvadratno ločno sekundo), C$ absolutna magnituda objekta (magnitude), A pa površina objekta (kvadratne ločne sekunde).
Za analizo svetlobne onesnaženosti neba nad Poljsko s svojo novo metodo je avtor uporabil opazovanja kometov s strani amaterskih astronomov, ki se ne hranijo le v poljskih arhivih, temveč se redno pošiljajo tudi v Smithsonianov Astrofizikalni observatorij v ZDA (v angleščini: Smithsonian Astrophysical Observatory). Na voljo je imel 10 428 opazovanj iz obdobja 1994–2009, s povprečno 652 opazovanji letno (leta 1996 je bilo največ
Univerza v Ljubljani – Pedagoška fakulteta Tanja Žontar; diplomsko delo
- 41 -
opazovanj – 1907, leta 1994 najmanj – 92). Po avtorjevem mnenju na število opazovanih kometov s strani amaterskih astronomov v posameznem letu, kar je naslednja statistična pomembna vrednost, močno vpliva vreme, ker so za opazovanje kometov potrebni ugodni vremenski pogoji. Naslednji pomemben podatek je število rednih opazovalcev, ki se lotijo tudi težjih opazovanj, opazovanj šibkih kometov – za Poljsko je to število 20. Od tega je 15 opazovalcev tako izkušenih, da je napaka posameznika minimalna tudi pri manjšem številu opazovanj.
Na koncu se je avtor odločil za 451 opazovanj kometov, ki so ustrezala naslednjim pogojem:
- vrednost magnitude posameznega kometa je bila manjša od 7, - vrednost DC je bila med 0 in 2,
- višina opazovanega kometa je bila večja od 45°, - čas opazovanja med 22:00 in 2:00 po lokalnem času, - Luna je bila pod obzorjem, razen za testna snemanja,
- uporaba opazovanj le enega opazovalca za določanje trenda na določenem opazovalnem mestu (z vsaj 5-imi določanji sija v isti noči, od katerih sta 2 ekstrema izločena).
Zgornji kriteriji za izbiro so avtorju omogočili določitev najvišje zabeležene vrednosti Sa, ki predstavlja najnižjo vrednost površinskega sija nočnega neba na opazovanem mestu. Še vedno pa mu je delalo težave določanje napake za vrednosti Sa, pridobljene z metodo kometov. Premajhno število izbranih opazovanj ne omogoča zanesljive določitve standardnega odklona, zato je uporabil že zgoraj omenjeno največjo možno napako, ki jo lahko naredi izkušeni opazovalec (0,36 magnitude na kvadratno ločno sekundo), kot napako merjenja. Za nekaj primerjav je poleg že omenjenih opazovanj uporabil še opazovanja kometov iz nemškega (1984–2009) in angleškega arhiva (1995-2004), v katerih se nahajajo podatki o več kot 20 000 opazovanjih.
Za potrditev ustreznosti pridobljenih vrednosti Sa z metodo kometov je naredil primerjavo med vrednostmi, pridobljenimi z metodo kometov, in s SQM, pri dodatnih analizah pa je preverjal možnost povezanosti morebitnih opaženih periodičnih sprememb v siju nočnega neba z naravnimi pojavi, kot so:
- spreminjanje Luninih men,
- menjavanje letnih časov (spreminjanje globine Sonca pod obzorjem opolnoči) in - aktivnost Sonca.
Univerza v Ljubljani – Pedagoška fakulteta Tanja Žontar; diplomsko delo
- 42 - Prišel je do naslednjih zaključkov:
1. Na podlagi podatkov iz literature je izračunal, da bi morala biti razlika med vrednostjo Sa, pridobljeno z metodo kometov, in vrednostjo Sa, izmerjenos SQM,0,7 magnitude na kvadratno ločno sekundo. Večjo vrednost Sa nam da metoda kometov, saj SQM meri poleg sija neba tudi sij zvezd in preostalih objektov na nebu. Razlika med
»izmerjenimi« vrednostmi na 4 opazovalnih točkah je v skladu z izračunano, saj se giblje med 0,4 in 1,0 magnitude na kvadratno ločno sekundo. Razlika med
»izmerjenimi« vrednostmi narašča z večjo svetlobno onesnaženostjo določenega področja, na kar, po avtorjevih besedah, verjetno vpliva zaznavanje razpršene svetlobe iz lokalnih virov svetlobe. Zaradi tega meni, da je vrednost Sa, pridobljena z metodo kometov pri dovolj velikem izboru podatkov, bližja resnični vrednosti sija nočnega neba kot pri merjenju s SQM.
2. Vrednosti Sa so v času ščipa za več kot eno magnitudo na kvadratno ločno sekundo nižje kot v času mlaja, kar je blizu vrednostim iz literature (V filter - 1,8 magnitude na kvadratno ločno sekundo) in njegovim meritvam s SQM (1,5 magnitude na kvadratno ločno sekundo). Meritve in opazovanja so bila izvedena v predelu Poljske, kjer skoraj ni svetlobnega onesnaženja, v obdobju 1994–2004, razlika v siju pa bi bila še večja, če bi jih ne izvajali daleč stran od Lune. Zaključek? V poštev pride le določanje Sa iz opazovanj, ki so se izvajala v času, ko Luna ni bila nad obzorjem, ko je zašla zvečer oz.
vzšla šele zjutraj.
3. Za preverjanje vpliva menjav letnih časov na Sa je uporabil 49 opazovanj iz istega izbora opazovanj kot za testiranje vpliva faz Lune, le da je uporabil opazovanja, ki so bila izvedena v nočeh brez Lune. Preverjal je, za koliko se spremeni Sa vrednost zaradi manjše globine Sonca pod obzorjem v poletnih mesecih, še posebej na severovzhodu Poljske. Tam je Sonce sredi poletja le 13° pod obzorjem, zato govorijo celo o »belih nočeh«. Razlika med decembrsko in junijsko Sa vrednostjo je okoli 0,7 magnitude na kvadratno ločno sekundo, kar je blizu vrednosti 0,5 magnitude na kvadratno ločno sekundo, ki jo je dobil pri SQM meritvah. Sij neba se sicer spreminja počasneje kot letni časi. Kot morebitne razloge za zamik navaja kriterije za izbiro opazovanj in dodaja, da tudi v literaturi zamik ni popolnoma pojasnjen.
4. Sončev cikel, katerega vrhunci aktivnosti se pojavljajo približno vsakih 11 let, vpliva na gibanje vrednosti površinskega sija neba med 22 (obdobje minimalne aktivnosti) in 21 (obdobje maksimalne aktivnosti) magnitudami na kvadratno ločno sekundo. Za
Univerza v Ljubljani – Pedagoška fakulteta Tanja Žontar; diplomsko delo
- 43 -
preverjanje skladnosti gibanja vrednosti Sa, pridobljene z metodo kometov, in Sončevega cikla je uporabil 167 opazovanj, ki so jih izvedli najbolj izkušeni poljski opazovalci v najboljših pogojih, in to ponovil še na vzorcu opazovanj iz nemških in angleških arhivov. Dobil je pričakovan trend, krivuljo v območju med 21 in 22 magnitudami na kvadratno ločno sekundo, z vrhuncem med 2001 in 2003 ter najnižjima vrednostma leta 1995 in 2009. Vrednost Sa je vsota sija neba zaradi astronomske svetlobne onesnaženosti in naravnega sija neba zaradi Sončeve aktivnosti.
Če je Sa manjši od 20 magnitud na kvadratno ločno sekundo, je naravni sij manjši od napake (tj. 0,2 magnitudi na kvadratno ločno sekundo) in ga lahko zanemarimo. V primeru, da je vrednost Sa večja od 20 magnitud na kvadratno ločno sekundo, pa je upošteval le opazovanja, izvedena v času minimalne aktivnosti Sonca (1994–1998 in 2006–2009).
Vrednosti Sa za posamezna področja, ki jih je avtor pridobil z metodo kometov, so v skladu s satelitskimi posnetki nočnega neba nad Poljsko. To ga je spodbudilo, da je na podlagi pričakovanega vzorca sija nočnega neba nad Poljsko ter pridobljenih vrednosti Sa naredil zemljevid svetlobne onesnaženosti, ki pa ne pokriva celotne Poljske. Skladnost vrednosti sija neba je zadovoljiva, do razlik pride le na področjih, kjer so viri onesnaženja sicer vidni za satelit, za lokalne opazovalce pa zaradi razgibanosti terena ne. To v atlas pričakovanih vzorcev svetlobnega onesnaženja za posamezna območja do sedaj še ni bilo vključeno, do razlik med meritvami in pričakovanim vzorcem za določeno področje pa lahko pride zaradi upoštevanja povprečne razpršitve svetlobe v atmosferi v vzorcu, kar lahko ne ustreza dejanskim lokalnim razmeram.
Na sliki št. 7 je avtorjeva predstavitev spreminjanja sija nočnega neba s časom za nekaj vzorčnih regij na Poljskem:
- Če je upošteval spreminjanje vrednosti Sa zaradi Sončevega cikla, se površinski sij nočnega neba nad Poljsko ni spremenil v treh predelih, kjer svetlobnega onesnaženja očitno ni (oznaka BIA, 22 magnitud na kvadratno ločno sekundo). Prav tako se ni spremenil v predelih z visoko stopnjo svetlobnega onesnaženja, kot sta mesti Varšava in Krakov ter industrijska področja (oznaka PRZ, 20 magnitud na kvadratno ločno sekundo, vpliv Sončevega cikla zanemarimo).
- Svetlobno onesnaženje je prisotno tudi v goratih predelih (oznaka MAK), kjer je nebo sedaj približno šestkrat svetlejše oz. je Sa vrednost za 2 magnitudi na kvadratno ločno sekundo nižja (s 23 na 21). Spremenila se je tudi Sa vrednost na območjih, ki mejijo na
Univerza v Ljubljani – Pedagoška fakulteta Tanja Žontar; diplomsko delo
- 44 -
močno onesnažena področja in so se močno urbanizirala (oznaka LAG). Na teh mestih je prisoten padec za 3 magnitude na kvadratno ločno sekundo (z 22 na 19), kar pomeni povečanje sija za faktor 16, saj je skala inverzna in logaritmična.
- Hkrati se zdi, da lahko povežemo padec in ponovno rast svetlobne onesnaženosti na določenih področjih s propadom industrije oz. spreminjanjem industrije teh področij.
Na sliki to prikazujeta krivulji z oznako WAL in ELB za področji, ki sta iz centrov mest, ki se skrivata pod temi kraticami, oddaljeni nekaj kilometrov. V teh dveh krivuljah ni upoštevan Sončev cikel, zato so spremembe videti večje od dejanskih sprememb.
Slika 7: Spreminjanje sija neba v odvisnosti od časa za različne regije na Poljskem v obdobju 1995–2009.
Vir slike: Ściężor, T. (11. oktober 2013). »A new astronomical method for determining the brightness of the night sky and its application to study long-term changes in the level of light pollution«, MNRAS, 435, str. 309.
Avtor je pri predstavljanju rezultatov še enkrat poudaril, da je metoda kometov statistična metoda, ki je omejena na situacijo, v kateri imamo veliko število meritev s strani več opazovalcev. Meni, da uvodni rezultati potrjujejo primernost nove metode kometov za določanje sija nočnega neba.
Univerza v Ljubljani – Pedagoška fakulteta Tanja Žontar; diplomsko delo
- 45 -