Mapy sztucznego światła

Metodą pozwalającą wzrokowo objąć skalę problemu utraty ciemnego nieba są satelitarne zdjęcia powierzchni miast i innych obszarów narażonych na zanieczyszczenie sztucznym światłem. Nocne obrazy Ziemi uzyskiwane są w wyniku programu Defense Meteorological Satellite Program (DMSP) Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych od wczesnych lat 70-tych. Pierwszy obraz globalny został uzyskany przez Woodruff Sullivan w późnych latach 80-tych. Obrazy te, pokazywały jedynie geograficzne rozmieszczenie źródeł na powierzchni Ziemi ponieważ czujniki satelitarne były nasycone silnym strumieniem świetlnym przez nie emitowanym, a żadne pomiary ilościowe nie były możliwe. Od 1998 roku, dostępne są dane umożliwiające pomiary ilościowe strumieni światła skierowanych ku górze emitowanych przez źródła. Jednakże, dane satelitarne nie dostarczają żadnych bezpośrednich informacji na temat wpływu strumieni świetlnych na nocne niebo spowodowanego rozchodzeniem się zanieczyszczenia świetlnego. Informacje te są dopiero przetwarzane na stronę odwrotną, tak iż obszar na mapie oznaczony jako mocno rozświetlony, jest równocześnie uznawany na rozjaśnione łuną nocne niebo.

Pomiarów strumieni świetlnych skierowanych w górę, emitowanych przez źródła światła na powierzchni Ziemi dokonuje się w oparciu o dane satelitarne DMSP, a następnie obliczany zostaje wpływ na nocne niebo modelując rozchodzenie się światła w atmosferze.

Każdy satelita DMSP ma 101 minutową, zsynchronizowaną ze słońcem orbitę blisko bieguna, na wysokości 830km nad powierzchnią ziemi. Czujniki promieniowania widzialnego i podczerwonego(OLS) zbierają zdjęcia obszaru 3000km, zapewniając globalny zasięg dwa razy dziennie. Kombinacja dziennych/nocnych oraz porannych/wieczornych satelitów pozwala na monitorowanie globalnych informacji np. o chmurach co 6 godzin. Czujnik mikrofal (MI) oraz sondy (T1, T2) obejmują zasięgiem połowę obszaru widocznego w świetle widzialnym i w podczerwieni. Instrumenty te obejmują zasięgiem regiony polarne co najmniej dwa razy oraz regiony równikowe co najmniej raz dziennie. Czujniki przestrzeni kosmicznej (J4, M, IES) mierzą gęstość, prędkość, skład oraz kierunki przepływu plazmy na drodze satelity.

Twórcami pierwszego, Światowego Atlasu Jasności Nocnego Nieba są Pierantonio Cinzano i Fabio Falchi z Uniwesytetu w Padwie we Włoszech oraz Chris Elvidge z Narodowego Centrum Danych Geofizycznych. Projekt wspierał Włoski Naukowo-Technologiczny Instytut Zanieczyszczeń Świetlnych (ISTIL). Zespół pozyskał odpowiednie dane od Programu Satelitów Meteorologicznych Obrony Sił Powietrznych USA, który śledził warunki atmosferyczne, oceanograficzne i oddziaływania między Słońcem a środowiskiem Ziemi. Naukowcy określili rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń świetlnych w zawartych w atmosferze aerozolach biorąc przy tym pod uwagę naturalne przeszkody, takie jak łańcuchy górskie, zakrzywienie Ziemi a ponadto światło pochodzące od gwiazd.

W zależności od rodzaju mapy, opisać można wiele różnych szczegółów tj. rozproszenie światła przez cząsteczki i aerozole, gaśnięcie części dróg świetlnych, zawartość aerozoli w atmosferze, krzywizna Ziemi, wysokość poszczególnych obszarów nad poziomem morza, monitorowanie gór, kierunek obserwacji nieba, naturalna jasność nieba, gaśnięcie gwiazd, możliwości oka itp. Mapy całkowitej jasności nieba nocnego pokazują jego jakość na danym terenie. Zazwyczaj, obliczane są w zenicie, ze względu na wysokość n.p.m. i naturalną jasność nieba.

Powyższa fotografia obrazuje ilość sztucznego światła uciekającego nocą w kosmos. Łatwo dają się rozróżnić poszczególne stolice państw, ośrodki przemysłowe, największe miasta, również platformy wiertnicze. Przy większych miastach, szczególnie stolicach państw zauważyć można ciągnące się jak wielkie pajęczyny główne trakty drogowe tworzące sieć komunikacyjną z pobliskimi miejscowościami. Na ich podstawie łatwo można dostrzec na ziemskim globie, np. połączenia Moskwy z takimi miastami jak Ryazan, Kaluga, Tver itp. Zauważalne „odgałęzienia” to również efekt rozbudowy mniejszych miejscowości wzdłuż głównych arterii komunikacyjnych.

Natomiast powyższa grafika przedstawia przełożoną na mapę widoczność gwiazd na danym obszarze okiem nieuzbrojonym oraz ograniczoną wielkość gwiazdową obliczoną z danych satelitarnych DMSP-OLS, P. Przy opracowywaniu powyższej mapy, uwzględniono całkowitą jasność nieba nocnego ze względu na wysokość n.p.m. (w V wielkości gwiazdowej/sekundę kątową2). Mówiąc o skali magnitudo użytej jako podstawa do określenia zmian obserwowalnych na nocnym niebie, należy przede wszystkim przybliżyć czym ta skala jest i co dokładnie określa.

Wielkość gwiazdowa nazywana fachowo skalą magnitudo, oznaczana albo poprzez skrót mag, albo ^m, jest powszechnie używaną miarą natężenia oświetlenia gwiazdy opartą na wprowadzonej przez Ptomeleusza Klaudiusza (w Almageście w 140 n.e.) klasyfikacji gwiazd widocznych gołym okiem na sześć grup jasnościowych. Gwiazdy najjaśniejsze Ptomeleusz nazwał gwiazdami pierwszej wielkości (gwiazdowej, oznaczenie 1^m), a najsłabsze – szóstej wielkości (gwiazdowej, oznaczenie 6^m). Obecnie wielkość gwiazdowa określa ilość energii promieniowania elektromagnetycznego docierającego w jednostce czasu od danego obiektu do jednostkowej powierzchni ustawionej prostopadle do kierunku padania promieni światła. Ponieważ oświetlenie E dawane przez gwiazdę pierwszej wielkości jest sto razy większe od oświetlenia dawanego przez gwiazdę szóstej wielkości, to różnica w wielkości gwiazdowej o 1 mag. Określa stosunek jasności gwiazd równy ⁵√100≈2,512. Wielkość gwiazdową opisuje się wzorem: m=-2,5 lg E+b, gdzie E wyraża się w luksach, a stałą b dobiera się tak, aby obliczona w ten sposób wielkość gwiazgowa jak najlepiej odpowiadała skali Ptolemeusza (w układzie jednostek SI b=-14,05). Najjaśniejsze obiekty na niebie, jak Słońce, Księżyc, najjaśniejsze planety (np. Wenus, Mars) oraz najjaśniejsze gwiazdy (np. Syriusz, Kanopus) mają ujemne wielkości gwiazdowe (magnitudo) – wyraźnie powyżej jasnego krańca oryginalnej skali Ptolemeusza.

Wracając do ostatniej mapy, to należy jeszcze wspomnieć, że została ona sporządzona przez naukowców przy czystej atmosferze o przejrzystości powietrza K=1, odpowiadającej wertykalnemu zanikaniu w częstotliwości V równemu 0,33 wielkości gwiazdowej na poziomie morza (0,21 wielkości gwiazdowej na wysokości 1000 m n.p.m., 0,15 na wysokości 2000 m n.p.m., horyzontalna widoczność na poziomie morza wynosząca 26km). Mapa została ponownie przeskalowana z lat 1996-1997 do 1998-1999, aby odpowiadać obserwacjom. Każdy piksel ma rozmiar 30”x30” projekcji długości/szerokości geograficznej. Granice państw są przybliżone. Ominięto obrazowanie wzgórz. Wysokość n.p.m. brana jest z cyfrowych map wysokości (DEM – z ang. „digital elevation map”) i ma wpływ zarówno na naturalną jak i na sztuczną jasność nieba oraz na zanikanie gwiazd. Naturalna jasność nieba zależy od wybranego punktu widzenia oraz od wysokości n.p.m., a oblicza się ją za pomocą modeli Garstanga (1989), które uwzględniają światło pochodzące z całego nieba i te rozproszone wzdłuż linii wzroku obserwatora oraz dane warunki atmosferyczne. Obrazy wzgórz uzyskiwane są przez badanie wysokości każdego piksela wzdłuż linii łączącej każdą stronę z każdym źródłem, a następnie przez wyliczanie maksymalnego kąta obrazu. Z niego określamy odcinek zasłoniętej linii widoku. Jest to bardzo czasochłonny proces, szczególnie, jeśli linia wzroku nie jest wertykalna, gdyż wymaga to obliczania każdego z jej punktów.

Ciemniejsze obszary (biały kolor) wydają się nieco większe niż na mapach sztucznej jasności nocnego nieba. Jest to pozorny efekt dużych kontrastów między uzyskanymi przez włoskich naukowców kolorami (0,5 jednostki wielkości gwiazdowej/sekundę kątową2), co nie pokazuje, w którym miejscu sztuczna jasność nieba zaczyna być naturalną. Poziomy odpowiadają całkowitej jasności nieba w V wielkości gwiazdowej/sekundę kątową2.

Jednak najczęściej spotykanymi mapami sztucznego światła w opracowaniu o dane z satelitów DMSP, są  kolorowe grafiki przedstawiające topografię zanieczyszczenia począwszy od czarnego (naturalna jasność nieba) po czerwony i biały (wielokrotnie przewyższająca jasność). Nie podają one szczegółowych informacji na temat widzialności nieba, jednakże ukazują w przybliżeniu rozkład i intensywność sztucznego światła w oparciu o mapy tradycyjne. Mapy sztucznego oświetlenia nocnego nieba w zenicie na poziomie morza pozwalają porównać poziomy zanieczyszczenia świetlnego atmosfery, rozpoznać mniej zanieczyszczone obszary oraz określić regiony szczególnie narażone na ucieczkę światła oraz ogólnie zlokalizować ich źródła. Nie mogą być jednak traktowane jako jedyna wytyczna w ocenie stopnia jakości ciemnego nieba. Dla przykładu warto porównać poniższą grafikę przedstawiającą wybrany wycinek mapy z obszarem woj. śląskiego, opracowany na podstawie ww. danych z satelitów DMSP. Na jej podstawie należałoby sądzić, że nocne niebo jest zanieczyszczone w stopniu znacznym na terenie całego województwa, gdy tymczasem w jego północnych, południowych, a nawet zachodnich regionach można jeszcze podziwiać Drogę Mleczną.

Na podstawie tych danych pojawiły się jeszcze dokładniejsze opracowania rozkładu sztucznego światła na Ziemi i tak efektem ich obróbki jest poniższe opracowanie nakładki na mapy Google autorstwa C. Mayhewa i R. Simmona. Serwis Blue Marble był zainicjowany przez Goddard Space Flight Center oraz National Geophysical Data Center NOAA:

Ostatnim jak dotąd, najdokładniejszym instrumentem, z którego możemy korzystać jest VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite) umieszczony na pokładzie satelity Suomi NPP wyniesionym na orbitę okołoziemską w 2011 roku. Mapy opierające się o te dane są znacznie bardziej szczegółowe i pozwalają już z dosyć dużą precyzją określić nie tylko intensywność, ale i lokalizację, a nawet rodzaj oświetlenia w wybranym fragmencie mapy. Przykładem może tutaj być zmodernizowany obszar ochrony ciemnego nieba CN-001 Sopotnia Wielka w woj. śląskim, gdzie jak można zauważyć na poniższej grafice, po raz pierwszy jesteśmy świadkami efektów ochrony ciemnego nieba w Polsce "widocznych" z orbity okołoziemskiej.

Jasnozielone i źółtawe obszary to wykryta przez instrument pomiarowy VIIRS ucieczka sztucznego światła pochodząca głównie z oświetlenia ulicznego w pobliskich miejscowościach jak Jeleśnia, Krzyżowa czy Sopotnia Mała. Natomiast na terenie Sopotni Wielkiej dzięki zmodernizowaniu całego oświetlenia ulicznego pod obszar ochrony ciemnego nieba, ucieczka sztucznego światła jest znacznie ograniczona, o czym świadczy kolor bladozielony, a więc słabszy od sąsiednich terenów mieszkalnych. Jedynym punktem wskazującym na nadmierne zanieczyszczenie sztucznym światłem jest centralny punkt w miejscowości, gdzie faktycznie do 2014 roku istniały jeszcze nieosłonięte modele opraw oświetleniowych w otoczeniu miejscowego kościoła.

Przydatnym opracowaniem map dot. problematyki zanieczyszczenia sztucznym światłem jest również Raport nt. Zanieczyszczenia Światłem w Polsce 2023, wydanym przez Light Pollution Think Tank we współpracy z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz Stowarzyszenie POLARIS - OPP. Przedstawia on stan badań na koniec roku 2022 i stanowi cenne źródło wiedzy o problemie, który możemy zmierzyć wieloma przyrządami, obliczyć wieloma wzorami i przedstawić w różnych ujęciach - jednak zawsze wniosek jest ten sam: "zanieczyszczenie światłem w Polsce jest powszechne i nasila się; wywiera silną presję na zdrowie ludzi i środowisko naturalne; nie jest interpretowane w polskim systemie prawnym jako zagrożenie oraz nie jest monitorowane przez żadną z państwowych służb". Z pełną wersją raportu można się zapoznać klikając w poniższą grafikę: