Širjenje umetne svetlobe v atmosferi in vpliv na svetlobno onesnaženje nočnega neba

Širjenje umetne svetlobe v atmosferi in vpliv na svetlobno onesnaženje nočnega neba

Herman Mikuž in Tomaž Zwitter, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za matematiko in fiziko

Uvod

Opazovanja nočnega neba iz različnih lokacij po Sloveniji kažejo, da je nebo onesnaženo tudi nad področji, ki so razmeroma daleč od glavnih virov umetne svetlobe. Enake ugotovitve dajejo tudi študije, ki so jih naredili na inštitutu ISTIL (4) (Istituto di Scienza e Tecnologia dell’Inquinamento Luminoso). To nekoliko presenetljivo ugotovitev si lahko pojasnimo z naravo širjenja umetne svetlobe v atmosferi. Na nenaseljenih področjih namreč večino onesnaženja prispevajo oddaljeni viri, ki sevajo svetlobo pod majhnimi koti nad horizontom. Ti viri so v veliki večini nezasenčene ali delno zasenčene svetilke zunanje razsvetljave. Študije inštituta ISTIL (5) nadalje kažejo, da na razdalji vsega 20 km od svetlobnega vira kar 95% svetlobnega onesnaženja v zenitu prispeva svetloba, ki prihaja pod majhnimi koti nad horizontom.

To ugotovitev potrjujejo tudi posnetki nočnega neba nad Slovenijo, ki smo jih naredili s standardno opremo ter osvetlitvijo in so zato med seboj primerljivi. Tudi na posnetkih, ki smo jih naredili iz oddaljenih, nenaseljenih področij je vidno žarenje neba, ki sega nekaj deset stopinj nad obzorje in očitno prihaja iz gosto naseljenih področij z veliko gostoto zunanje razsvetljave.

Omenjena tuja študija in domači primeri nakazujejo, da je umetna svetloba polutant, ki v nasprotju z drugimi, kot so naprimer hrup, emisije škodljivih plinov, ipd., vpliva na zelo velika področja in je dejansko omejena le z ukrivljenostjo Zemlje. Tej posebnosti bi morali biti prilagojeni tudi ukrepi. Če želimo na tako majhnem ozemlju ohraniti temno nebo bodočim generacijam, ohraniti biotsko raznovrstnost in okolje nasploh, bi morali poskrbeti za zasenčeno razsvetljavo na celotnem ozemlju države. Poleg tega je razsvetljava pod majhnimi koti v bivalnih okoljih odgovorna tudi za bleščanje, na katerega so še zlasti občutljivi starejši ljudje. Končno pa so zasenčene svetilke tudi primernejše zaradi manjše porabe električne energije, saj nimamo svetlobnih izgub nad vodoravnico, zato lahko z uporabo sijalk manjše moči dosežemo enako osvetlitev.

Širjenje umetne svetlobe v atmosferi

Ker večina umetne svetlobe prihaja neposredno ali posredno od svetilk zunanje razsvetljave si poglejmo kako njihova konstrukcija vpliva na svetlobnotehnične lastnosti in posledični vpliv na okolje. Med tipi zunanjih svetilk razlikujemo nezasenčene, delno zasenčene in popolnoma zasenčene.

 

Slika 3: (desno) odbita svetloba s tal predstavlja obsežno vendar nizko postavljeno in vodoravno svetilo. Tako tla svetijo predvsem navzgor, manj pa postrani. Svetlobo v poševni smeri dodatno blokirajo zgradbe, drevesa, ograje,..ipd. Stranska ploskvica ne povsem zasenčene svetilke (levo) pa je svetilo, ki je postavljeno visoko (na vrhu droga) in ima skoraj navpično izhodno površino. Te svetlobe zidovi, grmovje in celo drevesa ne blokirajo, ker so preprosto nižji. Obenem gre večino svetlobe s te ploskvice v smeri blizu vodoravnice, zato se to svetilo z lahkoto vidi kilometre daleč.

Torej prihaja svetloba, ki je oddana pod majhnimi koti nad horizontom večinoma neposredno od nezasenčenih svetilk. Zaradi geometrije, ki jo je enostavno razumeti (glej sliko 4) se emisija svetlobe pod majhnimi koti glede na vodoravnico širi zelo daleč od vira, medtem ko svetloba, ki je oddana pod velikimi koti onesnažuje le dele atmosfere v bližnji okolici vira.

Slika 4: ker ima zemeljska troposfera (plast atmosfere, kjer poteka vremensko dogajanje) končno debelino (cca 10km) na osvetljenost nočnega neba nad oddaljenimi območji odločilno vplivajo svetila, ki oddajajo svetlobo pod majhnimi koti nad vodoravnico. Red velikosti teh kotov je 0-10o. Prikazani so emisijski koti svetil, ki osvetljujejo nebo opazovalcu, ki gleda zvezdo v zenitu na treh različnih razdaljah od vira umetne svetlobe.

Čim bližje je opazovalec svetlobnemu viru (npr. mesto), tem večji so emisijski koti svetil, ki osvetljujejo nebo nad njim. V mestih pa igra pomembno vlogo tudi odboj od tal. Z oddaljevanjem opazovalca od svetlobnega vira, nebo nad njim osvetljujejo le še izvori, ki sevajo pod majhnimi koti nad horizontom. Odboj od tal na velikih razdaljah praktično ne igra več nobene vloge.

V prvem primeru gre za osvetljevanje atmosferskih delcev, ki so zelo oddaljeni od vira, pri čemer se ta svetloba združi s preostalo svetlobo, ki prihaja iz oddaljenih virov ter tako povzroča seštevalni učinek in pomembno povečanje nivoja svetlosti nočnega neba. Druga pa predvsem osvetljuje področje nad virom, se pa ne širi daleč in nima kumulativnih učinkov.(5)

Kot žarka nad vodoravnico(°) Razdalja, kjer zapusti troposfero za h = 5km (km) Razdalja, kjer zapusti troposfero za h = 10 km (km)
1 165 263
3 85 155
5 55 105
7 40 78
10 28 56
15 19 37
20 14 27

Tabela 1: Simulacija širjenja svetlobe iz umetnih virov pod majhnimi koti nad vodoravnico in za debelino troposfere 5 in 10 km. Emisija svetlobe pod koti 0-5 o je posebej problematična, ker se širi zelo daleč in je praktično omejena le z ukrivljenostjo Zemlje. Če uporabimo simulacijo na ozemlju Slovenije je jasno, da vsaka posamezna nezasenčena svetilka osvetljuje nebo nad celotno državo. Čeprav gre pri posamezni svetilki za majhne svetlobne tokove pa le-ti ob upoštevanju kumulativnega učinka celotne populacije zunanje razsvetljave nikakor niso zanemarljivi Pomen uporabe cut-off svetilk je očiten. Pri izračunu razdalj je upoštevana ukrivljenost Zemlje. Ker je ob jasnih nočeh v troposferi na višinah nad 5 km zelo malo vlage in prašnih delcev ocenjujemo, da je simulacija za višino troposfere 5 km bližje dejanskemu stanju.

Ocenjujejo, da na razdalji vsega 20 km od svetlobnega vira kar 95% svetlobnega onesnaženja v zenitu prispeva svetloba, ki prihaja pod majhnimi koti nad horizontom (med 90o in 135o takoimenovanega kota gama). Ker se svetloba prosto širi preko 200km daleč, jo praktično zastira le ukrivljenost Zemlje. Nad večjimi območji je onesnaženje neba z umetno svetlobo v veliki meri rezultat seštevanja učinkov oddaljenih virov, ki sevajo svetlobo pod majhnimi koti. Ocenjujejo, da znotraj Padove (300000 prebivalcev), prispevajo 20% svetlosti neba v zenitu ob jasnih nočeh svetlobni viri, na širšem območju.(5)

Vpliv sevanja pod majhnimi koti na svetlobno onesnaženje nad Slovenijo

V Sloveniji je svetlobno onesnaženje v hitrem porastu. Tako v mestih, primestjih in na podeželju se postavljajo nove instalacije zunanje razsvetljave. Ocenjujemo, da gre v 95% primerov za nezasenčene ali delno zasenčene svetilke, ki svetijo tudi neposredno v nebo in ga osvetljujejo do stopnje, ko so tako amaterska kot tudi profesionalna astronomska opazovanja resno ogrožena. Delež popolnoma zasenčenih svetilk je zelo majhen in po naših ocenah ne presega 5% vseh zunanjih svetilk. Poleg stalnega večanja števila svetilk zbuja skrb tudi povečevanje izseva sijalk, kar neposredno vpliva na povečanje svetlobnega onesnaženja. Cestni razsvetljavi je treba dodati še dekorativno razsvetljavo cerkva in ostalih objektov ter osvetljene reklamne panoje, katerih število se hitro povečuje in mu ni videti konca. V zadnjem času posebej zaskrbljuje postavljanje takoimenovanih “jumbo” panojev vzdolž avtocestnega križa, ki so orjaških dimenzij (100 m2) in so tako močno osvetljeni (800 lx)(7), da jih opazimo že iz nekajkilometrske razdalje . Tako dekorativna, kot tudi reklamna razsvetljava sta okoljsko problematični. Večina fasad in panojev je namreč osvetljenih od spodaj navzgor, pri čemer gre velik del svetlobe neposredno v nebo. Ker področje svetlobnega onesnaženja še ni regulirano v nobeni od okoljskih uredb, je stanje skrb zbujajoče.

Ugotovitve iz prejšnjega poglavja smo želeli preverili z instrumentalnim monitoringom 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 v nadaljevanju tega prispevka, z njimi pa bomo seznanili tudi Ministrstvo za okolje in prostor.

Nadaljevanje v rubriki “Monitoring svetlobnega onesnaženja”

Literatura:

1. Askey, P., Canon EOS 1Ds review , 2002 http://www.dpreview.com/reviews/canoneos1ds/

2. Buil, C., Canon EOS 350D IR-cut filter removal operation performances and image samples (2005), http://www.astrosurf.org/buil/350d/350d.htm

3. Buil, C., Spectral calibration, http://www.astrosurf.org/buil/us/spe2/hresol4.htm

4. Cinzano, P., Falchi, F., Elvidge, C.D., The first world atlas of the artificial night sky brightness, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 328, 689-707 (2001).

5. Cinzano, P., Technical measures for an effective limitation of the effects of light pollution, Proceedings of a conference light pollution and the protection of the night environment, IDA regional meeting, Venice, 193-205 (2002). http://dipastro.pd.astro.it/cinzano/download/ProcVenice1200.pdf

6. CIE technical report: Guidelines for minimizing sky glow, CIE TC 4-21, draft report, 97-02-21.

7. Mohar, A., Svetlobno onesnaženje, bleščanje in primerjalne meritve, Posvetovanje razsvetljava 2005, Postojna 13. – 14. oktober 2005.

8. UNI 10819, Luce e illuminazione, impianti di illuminazione esterna. Ente Nazionale Italiano di Unificazione, Milano (1999).