A Csillagászat Nemzetközi Évének megtartására a
távcső csillagászati használatának négyszáz éves évfordulója ad okot.
Galilei első megfigyeléseinek ötszáz éves jubileuma nyilván ismét
megfelelő alkalom lesz az ünneplésre. Ha azonban a mostani jubileumi
év fő célkitűzését nézzük, akkor sajnos már kevésbé lehetünk biztosak
a jövőben. Amit Galilei látott mai szemmel már kezdetleges
távcsövével, még mindig nem jutott el mindenkihez. Az emberek jelentős
része nem látta még saját szemével, távcsövön keresztül a Hold
krátereit vagy éppen a Jupiter holdjait. A Csillagászat Nemzetközi
Évének egyik fő feladata éppen az, hogy ezt a Galilei-élményt minél
több emberhez eljuttassa. A Hold és a bolygók látványának
elvesztésétől nem kell tartanunk, hiszen azok fényes égitestek. Ám már
napjainkra elértük azt, hogy a népesség jelentős részének ismeretlenek
az égbolt halványabb jelenségei, melyek száz évvel ezelőtt még
természetesek voltak mindenki számára. Egy nagyobb területet érintő
áramkimaradás után tanult emberek is meglepődve érdeklődtek, hogy mi
az a fényes sáv az égbolton, amit korábban nem láthattak. A Tejút
eltűnt a városlakók szeme elől. Az ok a fényszennyezés, az égbolt
mesterséges fénylésének növekedése. Meddig folytatódhat ez a folyamat,
milyen fényességhatárig csökken az égitestek láthatósága a Föld
felszínéről? Sürgősen tenni kell az aggasztó kilátások ellen.
Fényszennyezés és zavaró fények
Sajnos a fényszennyezés problémájának súlyosságát még ma is kevesen
érzékelik. A természet- és környezetvédelemnek számos fontos feladatot
kell megoldania. Egyiket sem lehet elhanyagolni pusztán azért, mert
másokat mindenek fölé emelnek… A fényszennyezés problémáját a legtöbb
országban annyira bagatellizálták, hogy igazából még a megfelelő
szakmai/jogi kifejezések sem alakultak ki. A hazai jogrendszer sem
ismeri megfelelő szabatossággal a jelenségkört – mert nem is igazán
beszél róla. Egyedüli kivételként említhető országos hatókörű
szabályozása a nemrég kihirdetett, a természet védelméről szóló 1996.
évi LIII. törvényt (is) módosító 2008. évi XCI. törvény, amelynek 19.
§-a áttörésnek tekinthető a fényszennyezéssel kapcsolatos hazai jogi
szabályozás történetében. Megszületett az első hazai jogszabály, amely
foglalkozik a kérdéssel, és lehetővé teszi a fényszennyezés
korlátozását, legalább védett természeti területen. A törvény így
rendelkezik: „…Védett természeti területen a helyhez kötött kültéri
mesterséges megvilágítást külterületen, illetve beépítésre nem szánt
területen – a közcélú közlekedési létesítmények biztonságos
üzemeltetéséhez szükséges megvilágítástól eltekintve – úgy kell
kialakítani, hogy a védett vagy a közösségi jelentőségű állatfajokat
ne zavarja, veszélyeztesse, károsítsa.” A törvény általánosan
fogalmaz, így konkrét utasítást nem ad. Viszont a védett természeti
területek (nemzeti parkok, tájvédelmi körzetek stb.) közelében már
lehetőséget teremt konkrétabb szabályozás létrehozására. Azonban ez a
törvény sem definiálja magát a jelenséget. Érdemes azért jelen írásban
is ismertetni azt a definíciórendszert, amelyben természetvédők,
világítástechnikusok és csillagászok egyetértettek.
A nemzetközi tendenciákat is követve, a mesterséges
fények okozta ártalmak összefoglaló neve zavaró fény lehet. A
jelenségkör összetettsége miatt a zavaró fény definíciója is
összetett, célszerű ezért egyes fogalmakat először külön-külön is
definiálni. Egyes kifejezéseknél – amelyek nem szerepelnek elterjedten
a magyar nyelvű szakiro-dalomban – az angol megfelelőket is megadjuk.
Az egyedüli fogalom, amely a jogrendszerbe korábban
beépült, a káprázás. Ennek szabványos definíciója is létezik, az MSZ
9620-2 definíciója szerint: „A látás kényelmetlensége és/vagy a
tárgyak felismerhetőségének csökkenése, a fénysűrűség szokatlan
eloszlásának vagy szokatlan értékének, illetve a térben vagy időben
fellépő igen erős kontrasztnak a következtében.” Tipikusan ebbe a
kategóriába tartoznak a gépjárművezetést és munkavégzést zavaró
fények.
Birtokháborítás fénnyel (light trespass): az a
fény, amely a megvilágításra szánt területet övező ingatlanokra,
épületekre esik, és ott káprázást vagy egyéb kellemetlenségeket okoz.
Ebben a kategóriában különösen fontos odafigyelni az ablakokon
beszűrődő, az éjszakai pihenést zavaró fényekre. Ide tartozik továbbá
a lámpatestekből közvetlenül a védett természeti területekre eljutó
fény is.
Az éjszakai égbolt mesterséges fénylése (skyglow):
Az égbolt megnövekedett fénysűrűsége, amely felhők megvilágításából,
ill. a levegő molekuláin és aeroszoljain szóródó mesterséges
világítástól eredő fényből származik.
Mindezek után már definiálhatjuk a zavaró fényeket
azok hatása szerint: zavaró az a fény, amely káprázást,
birtokháborítást, az égbolt mesterséges kifényesedését vagy bármely
más nemkívánatos környezeti hatást okoz.
Fényszennyezés és természetvédelem
A fényszennyezés nemcsak a Tejutat lopja el tőlünk, de jelentős
hatással van a természeti környezetre is. Az ökoszisztéma, az élővilág
éjjel és nappal is működik. Az élővilág ritmusa a nappalok és éjszakák
változásának megfelelően alakult ki. Vannak fajok, amelyek menedéket
találnak az éjszaka sötétjében, mások speciális képességeiket
használják ki, hogy az éjszaka megváltozott körülményei között
vadásszanak. A mesterséges fények hatással vannak egyes állatfajok
vándorlására, a ragadozó–zsákmány viszonyra és a cirkadián1
ritmusára. Ha önmagukban nem is feltétlenül végzetesek ezek a hatások,
más környezeti hatásokkal együttesen határozottan hozzájárulnak
bizonyos fajok eltűnéséhez. A hazai védett természeti területek között
szerencsére könnyedén találunk olyanokat, ahol a fényszennyezés
mértéke még elfogadható. Ahhoz, hogy hosszabb távon is megőrizzük az
országban ezeket a szigeteket, ahol garantált a Tejút látványa, egy
csillagoségbolt-park programot kezdeményeztünk. Elsőként a Zselici
Tájvédelmi Körzetben indult az akció, a Duna− Dráva Nemzeti Park
Igazgatósága és a Magyar Csillagászati Egyesület összefogásával. A
kezdeményezőkhöz később csatlakozott a MEE Világítástechnikai
Társaság, a Zselica Szövetség és a SEFAG Erdészeti és Faipari Zrt. A
széleskörű együttműködés nem véletlen, hiszen csak így, minden
oldalról jó szándékkal és hozzáértéssel őrizhető meg az égbolt
szépsége. A második csillagoségbolt-park a Hortobágyi Nemzeti Parkban
jöhet majd létre.
Ahhoz, hogy megfelelően felmérjük az égbolt
jelenlegi állapotát és a veszélyeztető tényezőket, valamiképpen mérni
és modellezni kell a fényszennyezést ezeken a helyeken. Ez már csak
azért is fontos, mert a megfelelő fórumokon csak objektív tények
alapján léphetünk fel a helyes világítás érdekében, esetleg a rossz
világítási berendezések/megoldások megszüntetéséért. Mindkét helyen
részben már lezárult az égbolt minőségének vizsgálata, melynek
eredménye igazolta az előzetes várakozást, amely szerint tényleg
kiváló csillagnéző helyeket találunk e védett természeti területeken.
A két helyszínen kívül az ország több más pontján is készültek
felmérések.
A fényszennyezés mechanizmusa
és modellezése
Tiszta, felhőmentes levegőben a fényterjedést a molekulák
Rayleigh-szórása és az aeroszolok Mie-szórása határozza meg. Látható
tartományban a fényelnyelés elhanyagolható a fényszennyezés
szempontjából. A légkör optikai tulajdonságait több fizikai
paraméterrel is jellemezhetjük. Számunkra ezek közül a legfontosabb az
optikai mélység (t), amely a megfigyelőtől egy adott pontig
elhelyezkedő szóró részecskék számával arányos. A közegen áthaladó és
a bemenő fényintenzitás aránya az optikai mélység exponenciális
függvénye: I/I0 = exp(-t). Ha az optikai mélység lényegesen kisebb
egynél, a közeg gyakorlatilag teljesen átlátszó; ha pedig sokkal
nagyobb egynél, akkor átlátszatlan opalizáló a légmennyiség. Mint a
formulából egyszerűen kiszámolható, t=1 esetén a fény kb. 37%-a jut át
akadály nélkül a közegen.
Az optikai mélység fogalmát megérthetjük egy másik
fogalom bevezetésével is. A fotonok szabad úthossza az a geometriai
távolság, amelynek a megtétele után a fotonok átlagosan egyszer
szóródnak egy részecskén (levegőmolekulán vagy aeroszolon). Jó
átlátszóság mellett a földi légkörben a fotonok szabad úthossza 10 és
50 km közötti, ami erős ködben néhányszor tíz méterre csökken. Ha a
közeg tulajdonságai nem függnek a helytől, az optikai mélység
megadható a valódi geometriai úthossz (s) és a szabad úthossz (l)
hányadosaként: t=s/l. Mivel a légkör sűrűsége, az aeroszolok
koncentrációja, és így a fotonok szabad úthossza erősen függ a
tengerszint feletti magasságtól, a direkt hányados csak közelítő
értéket ad. Függőlegesen felfelé haladva 10 km után a levegőmolekulák
és a szennyező anyagok nagy részét magunk alatt hagyjuk. Becslésként
ezt az értéket (s=10 km) és l=50 km-t választva, a zenitben t=0,2
adódik. A pontos adat megmérhető például a napkorong felszínen és a
légkörön kívül mért fénysűrűségének hányadosából. Ilyen méréseket
végez az Országos Meteorológiai Szolgálat is, az eredményekről
részletesen olvashatunk Tóth Zoltán (2009) Magyar Tudományban
megjelent írásában. Budapesten tiszta időben t=0,3–0,4 adódik, azaz a
zenit irányában látszó csillag fényének 25–33%-a szóródik, és csak a
maradék érkezik közvetlenül hozzánk. Nyáron, amikor a Nap
legmagasabban jár, ugyanilyen arányban jut át a napfény a légkörön.
Persze mindez függ a fény hullámhosszától, a kék fényben az optikai
mélység több mint háromszor nagyobb, mint vörösben. A horizont
irányában az optikai mélység többszörösére növekszik. Ez ismét csak
meghatározható mérésekből, de akár egy kis számolást is
megkísérelhetünk.
Ha pontosan meg akarjuk határozni a fény útját a
légkörben, azaz a fényszennyezés hatásait, akkor figyelembe kell
vennünk a légkör sűrűségeloszlását. A légkör skálamagassága (H) –
amennyit emelkedve a sűrűség e-ed részére, azaz 0,37 szeresére csökken
– kb. 8–9 km. Azonban a légköri szennyeződések, amik a fényszórásban
meghatározók lehetnek, eltérő skálamagassággal szerepelnek a
molekulákhoz képest. Az aeroszolok a légkör alsó kilométereiben
koncentrálódnak, például első közelítésként használhatjuk a H=1,5 km
értéket. Ahhoz, hogy a fény terjedését számolhassuk, ismernünk kell az
egyes komponensek szórási együtthatóit. Viszont a megfigyelések
alapján ismerjük a légkör teljes optikai mélységét a zenit irányában,
így abból illeszthetők ezek az optikai tulajdonságok is.
Viszonylag egyszerűen és nagy pontossággal
számolható a fény terjedése, ha kihasználva a
sugárzás részecsketermészetét, fotononként követjük a folyamatot egy
Monte Carlo-szimulációban. A fény megfigyelhető sajátságai a
|
|
fotoncsomagok statisztikus átlagai, ennek
megfelelően a Monte Carlo-szimuláció természetes választás a
szóródásos fényterjedés modellezésére. Gyakorlatilag a fotonok
szintjére lemenve modellezzük a folyamatot, ennek megfelelően
viszonylag kevés közelítést alkalmazunk. Napjaink asztali számítógépei
pedig elég gyorsak ahhoz, hogy akár fotonok milliárdjainak az útját
végigszámoljuk. A témának kiterjedt irodalma van, egy gyakorlati
szempontból is jól kezelhető leírást találunk Francesco Spada és mtsai
(2006) cikkében.
A számolás menete
viszonylag egyszerű: egy meghatározott tartományon belül,
véletlenszerű irányban útjukra engedjük a fotonokat. Ezek után minden
egyes lépésben megadható egy olyan véletlen optikaimélység-érték,
amelynek valószínűségi eloszlása pontosan megfelel a fotonok ütközései
közötti optikaimélység-változásoknak. Ebből már egyszerűen számolható,
hogy hol van az a geometriai pont, ahol a szórási jelenség
bekövetkezik. Ezen a helyen, megint csak véletlen számok segítségével
kiválasztható a szórás fajtája és az irányváltoztatás nagysága. A
fotonokat addig követjük szórásról szórásra, míg azok el nem hagyják a
légkört, vagy ismételten a felszínre nem érkeznek.
Tanulságos megnézni, hogy mi történik a különböző
irányban távozó fotonokkal. Az
1. ábrán bemutatjuk a zenit körüli egy fokos és a horizont fölötti
egy fokos tartományba távozó ezer foton közül a felszínre visszatérők
„becsapódási” helyét. Amint várható, a horizont irányában távozó fény
jóval messzebbre eljut, s ráadásul nagyobb arányban is tér vissza.
Több fotonnal végigszámolva azt kapjuk, hogy a felfelé induló
fénykvantumok 9%-a, míg a horizontálisan kibocsátott részecskék 60%-a
tér vissza a felszínre. Mindkét érték könnyedén értelmezhető: a
számolásban alkalmazott vertikális optikai mélység értékére (0,3) a
függőlegesen távozó fotonok 24%-a szóródik. A fotonok kevesebb mint
fele szóródik visszafelé a Mie-szórás erős aszimmetriája miatt. Ennek,
illetve a többszörös szórásnak tudható be a 9%-os fényszennyező arány.
A horizontálisan távozó fotonok gyakorlatilag mindegyike legalább
egyszer szóródik, mivel az optikai mélység abban az irányban
lényegesen nagyobb. Első szórás után a fotonok fele indul a felszín
irányába, melyeknek többsége a talajszintre érkezik.
A fénykvantumok másik felének egy jó része viszont másodszor (vagy
többször is) szóródik, ezzel megnövelve a felszínre érkező fotonok
arányát. A számolások további eredményeit a kapott mérésekkel együtt
mutatjuk be.
A fényszennyezés mérése
A fényszennyezést helyesen leíró mennyiség az égbolt fénysűrűsége.
Zavaró fények nélkül, a láthatónál halványabb csillagok összességéből,
a bolygóközi és csillagközi porról visszaverődő nap- és
csillagfényből, valamint a felsőlégkör naptevékenységtől függő saját
fényléséből tevődik össze az égbolt hozzávetőlegesen 0,000250 cd/m2
fénysűrűségű derengése.2
Ez az érték megfelel annak, mintha az egyik legfényesebb csillag, a 0
magnitúdós Vega fényét közel kétszáz teliholdnyi területre kennénk
szét. Ilyen kicsiny fénysűrűségek mérésére az általánosan használt
eszközök nem alkalmasak. Vagy csillagászati célú detektorokat, vagy
speciális eszközöket kell használnunk. A Hortobágyon és a Zselicben is
végzünk méréseket digitális fényképezőgépekkel. Megfelelő
halszemoptikával és szigorú kalibráció után a teljes égbolt
fénysűrűség-eloszlása meghatározható ezzel a módszerrel. A
felvételeken jól kirajzolódnak azok az irányok, ahonnan a legnagyobb
veszély leselkedik a csillagos égboltra. Több helyről készítve ezeket
a felvételeket, térképen kimetszhetők azok a pontok, ahonnan a
fényszennyezés érkezik. Ezzel a módszerrel egyelőre előzetes
eredményeink vannak, de a zenit körüli fénysűrűség átlagos értékére
már nagyobb adatbázis született.
Ahhoz, hogy feltérképezzük a fényszennyezés
állapotát védett természeti területeken és azok környezetében, egy
könnyen szállítható fotométerre volt szükségünk. Az eszköznek elegendő
érzékenységűnek kell lennie ahhoz, hogy az eldugott, mesterséges
fényektől távoli helyeken is megbízható eredményeket kapjunk. Egy
egyszerű égboltminőség-mérő eszközt (Sky Quality Meter – SQM)
nemrégiben fejlesztett ki és kezdett el forgalmazni az Unihedron cég.
Az eszközt egyre szélesebb körben használják a fényszennyezés
monitorozására.
Az akár zsebben is hordozható SQM viszonylag nagy
térszögből (1,5 szteradiánból, közelítőleg 42 fokos félszélességű
kúpból) összegzi a fényt, és ez alapján mér egy átlagos fénysűrűséget.
Az elsődleges csillagászati felhasználás miatt a fénysűrűséget
magnitúdó/négyzetívmásodpercben jelzi ki, amiből könnyedén
származtatható egy közelítő érték cd/m2-ben
kifejezve. Az SQM hőmérsékletre kompenzált, a mérési pontosság kb. 0,1
magnitúdó, ami lineáris fénysűrűségskálán körülbelül 10%-os hibának
felel meg. Ez a pontosság megfelel a
céljainknak, hiszen az időjárási változások (páratartalom) és a
légkör portartalma hasonló vagy nagyobb eltéréseket okoz. Ahhoz, hogy
jól értelmezhető méréseket kapjunk, csak megfelelő körülmények között
szabad mérni. Elsődleges a felhő- és ködmentes időjárás, az adatok
meghamisításának elkerülésére. A Nap fénye még napnyugta után is
sokáig érzékelhetően növeli az égbolt fénysűrűségét, hatása csak akkor
válik elhanyagolhatóvá, ha több mint 18 fokkal a horizont alatt van
(csillagászati szürkület). Hasonlóan a holdfény is zavaró, de ennél az
égitestnél elegendő, ha a horizont alatt tartózkodik. Természetesen
minden mesterséges fényforrásból közvetlenül érkező fényt is ki kell
zárnunk.
A 2. ábrán bemutatjuk az égboltminőség mérésének eredményeit a Zselici
Tájvédelmi Körzetben és annak környezetében. A zenitben mért
fénysűrűségekből levontuk azt a háttérértéket (L0=0,00032 cd/m2),
ami a természetes fénysűrűség, illetve a nagy távolságban lévő
mesterséges források eredője. Egy alkalommal sikerült közvetlenül
hóesés után, derült, nagyon tiszta levegőjű éjszakán mérni. Az ekkor
kapott értékeket körökkel ábrázoltuk. Az összes mérésből
kiválasztottuk a hasonló minőségű éjszakákat – ahol a távolságfüggés
jól értelmezhető és hasonló lefutású. Ezeket a normál talajreflexió
mellett készült adatokat X-ekkel mutatjuk. Tisztán megfigyelhető a
tendencia, ahogy a fénysűrűség csökken Kaposvártól távolodva. Az
eltérést ettől a trendtől a települések közelében mért adatok és a
levegő pára- és aeroszol-tartalmának változásai okozzák az időjárás
függvényében. Jól látható, hogy a Kaposvártól származó
fénysűrűség-növekmény a centrumtól 7–8 km-re az égbolt természetes
fénysűrűségére csökken. Ez az a határ, ahol már megfelelő minőségű az
égbolt. A tájvédelmi körzet már ezen a határon kívül van, így a
terület megfelel ez ezüst kategóriájú sötétégbolt-parkoknak. Azonban
Kaposvár fényei hosszabb távon jelentős kockázati tényezőt jelentenek.
Az ábrán látható görbék a Monte Carlo-szimuláció eredményei nagyon
tiszta levegő (kevés Mie-szórás) esetére. A két vonal között pontosan
kétszeres a fénysűrűség aránya. Az adatok alapján a hóval fedett és a
normál körülmények között másfélszeres–kétszeres fényességnövekedéssel
kell számolnunk, amit a talajszint megnövekedett reflexiója okoz.
Ez az adat felhasználható arra, hogy megbecsüljük,
a zselici fényszennyezésben milyen arányban szerepel a mesterséges
világítás talajról reflektált része. Ez a komponens nehezen
szüntethető meg, ugyanis a megfelelő irányba eső megvilágítás esetén
elkerülhetetlen a visszaverődés, hiszen éppen az teszi lehetővé, hogy
az úttestet lássuk. Helyes világítás
esetén (amikor a horizont síkja fölé egyáltalán nem távozik
közvetlenül fény), a reflektált arány közel 100% lenne. Ha
feltételezzük, hogy a hó miatt a talaj fényvisszaverő képessége
négy–hatszorosára növekedett, akkor azt kapjuk, hogy normál
körülmények között a reflektált fény csak 20–50%-ig felelős az égbolt
mesterséges fényléséért. Innen már egyszerűen adódik a
végkövetkeztetés: a város fényeinek legalább fele haszontalanul
távozik az égbolt irányába, anélkül, hogy hasznos megvilágítást
okozna. A felhasznált elektromos energia jó része megtakarítható
lenne, és ezzel az égbolt Kaposvár okozta mesterséges fénylése is a
felére csökkenhetne.
Az iménti, valamint a
3.
ábrán bemutatott példából is
látszik, hogy vannak még tartalékok: a köz-, dísz- és térvilágítás
optimális megvalósításával jelentős mértékben csökkenthető a
fényszennyezés, anélkül, hogy a világítás célja csorbulna. A
megtakarítható energia mennyisége is tekintélyes, így a világítás
intelligensebbé tétele hosszabb távon megtérül. Sok esetben egy
egyszerű kapcsolóval megszüntethető az éppen akkor feleslegesen
használt fény. Ha minél többen alkalmaznák ezeket az egyszerű elveket,
s talán megfelelő törvényi szabályozás is késztetné a fényt
kibocsátókat erre, akkor nyugodtak lehetnénk afelől, hogy száz év
múlva is látják majd az utódaink a Tejutat, s megfelelően ünnepelhetik
a csillagászatot, nem csak egy évforduló ürügyén.
Kulcsszavak: Csillagászat Nemzetközi Éve, fénysűrűség,
fényszennyezés, szórás, zavaró fény
IRODALOM
Spada, Francesco − Krol, M. C. − Stammes,
P. (2006): McSCIA: Application of the Equivalence Theorem in a Monte
Carlo Radiative Transfer Model for Spherical Shell Atmospheres.
Atmospheric Chemistry and Physics Discussions. 6, 4823–4842.
WEBCÍM >
Tóth Zoltán (2009): A légkör rövidhullámú
sugárzásátbo-csátásának hosszú távú változása Budapest felett. Magyar
Tudomány. 4, 428. WEBCÍM
>
LÁBJEGYZETEK
1 A cirkadián, azaz
körülbelül egynapos (circa diei) biológiai óra a legtöbb élőlényre
jellemző. Külső ingerek nélkül (például teljes sötétségben és állandó
hőmérsékleten) is megmarad. Egyes élőlényeknél mutációk hatására a
cirkadián ritmus periódusának megváltozását is megfigyelték. Ez a
biológiai óra természetes körülmények között az éjszakák–nappalok
egynapos változásának megfelelően szinkronizálódik. Több időzónát
átívelő utazások után az alkalmazkodás, a cirkadián óra átállása
idején érezzük magunkat rosszul.
<
2 A kandela (cd) az
SI-mértékegységrendszer egyik fotometriai alapegysége. 1 cd annak a
sugárzónak a fényerőssége egy adott irányban, amely az 550 nm
hullámhosszú (pontosabban az 540 THz frekvenciájú) sugárzásból az
adott irányba és egységnyi (1 sr) térszögbe 1/683 W fényteljesítményt
bocsát ki. Mivel a fénysűrűség egy adott felület fényerősségének és a
felület nagyságának a megfigyelő irányába eső vetületének a hányadosa,
a fénysűrűséget
cd/m2-ben
mérhetjük.
<
|
|