Wyznaczanie Jasności Nocnego Nieba przy pomocy miernika SQM-L

Jak zmierzyć jasność nieba?

Jasność nieba nawet w bezksiężycowe noce w najodleglejszych bezludziach nigdy nie jest zerowa. Nocne niebo „świeci” rozproszonym w atmosferze światłem gwiazd i innych obiektów astronomicznych oraz dzięki zjawisku zwanemu poświatą atmosfery. W obszarach zamieszkałych przez ludzi, gdzie w nocy używane jest oświetlenie uliczne, do tego naturalnego świecenia nieba dochodzi rozproszone światło „sztuczne”. Z tego powodu niebo nad miastem jest zawsze jaśniejsze niż niebo na bezludziu. Rozjaśnienie nocnego nieba światłem z instalacji oświetleniowych jest jednym z przejawów tzw. zanieczyszczenia światłem. Zanieczyszczenie to jest poważnym problem o wielorakich, negatywnych skutkach.

Mierząc jasność nieba możemy wyznaczyć poziom zanieczyszczenia światłem w miejscu wykonywania obserwacji. Do pomiarów wykorzystamy urządzenie zwane Sky Quality Meter (SQM).

Czym jest SQM i co mierzy?

SQM to prosty, nieduży fotometr, czyli urządzenie do mierzenia ilości światła. SQM umożliwia łatwe i szybkie wykonanie pomiaru jasności nieba. Do pomiarów wykorzystamy SQM z soczewką, czyli model o nazwie SQM-L. Instrument ten ma pole widzenia około 20°, czyli obejmuje niewielką część nieba (Księżyc na ziemskim niebie jest dyskiem o średnicy 40x mniejszej, czyli ma 0.5°; więcej informacji o rozmiarach kątowych). Pole widzenia SQM-L zaznaczone jest na zdjęciu poniżej. Instrument sumuje światło z całego pola widzenia i dzieli je przez powierzchnię tego pola. Wynik, który ostatecznie dostajemy, jest tzw. „jasnością powierzchniową” nieba wyrażoną w magnitudo na sekundę łuku kwadratową. Jest to nic innego jak miara ilości światła docierającego do SQM-L z jednostkowej powierzchni nieba. Jednostki tu używane są typowo astronomiczne. Ilość światła wyrażona jest w wielkościach gwiazdowych (magnitudo, mag.), czyli jednostce jasności używanej w astronomii. Jednostka ta ma ciekawą własność – im większa liczba, tym słabsze źródło światła. Dla przykładu Wega (najjaśniejsza gwiazda w gwiazdozbiorze Lutni) ma jasność 0 mag. Jest ona jaśniejsza od Gwiazdy Polarnej mającej jasność 2 mag. Sekunda łuku kwadratowa to powierzchnia na niebie w kształcie kwadratu o boku równym 1 sekundzie łuku. Sekunda łuku (w skrócie zapisywana " lub arcsec) to miara kątowych odległości na niebie. Jedna sekunda łuku to 1/3600 jednego stopnia łuku. Wspomnianą średnicę kątową Księżyca wynoszącą 0.5° możemy zapisać jako 1800 sek. łuku (1800 arcsec). Sekunda łuku kwadratowa jest bardzo małym fragmentem nieba. Całe niebo widoczne w danej chwili ma powierzchnię równą 270 mld sekund łuku kwadratowych!

SQM-L – wygląd ogólny

Rysunek 1. SQM-L – wygląd ogólny.

Jak wykonać pomiar SQM-L

Wykonanie pomiaru jest proste. Należy wycelować SQM-L w niebo (bokiem zawierającym „okno wejściowe”) i nacisnąć przycisk. Instrument w ciągu kilku-kilkunastu sekund zmierzy ilość światła a wynik zostanie wyświetlony we wspomnianych jednostkach mag. na sekundę łuku kwadratową (mag/arcsec2). Wykonywanie pomiaru sygnalizowane jest dźwiękiem i w tym czasie należy nie zmieniać kierunku, w którym celujemy SQM-em.

W jakim kierunku wycelować instrument? Niebo nie ma jednakowej jasności na całej swojej powierzchni (patrz zdjęcie poniżej). Najciemniejsze jest zwykle w okolicy zenitu, najjaśniejsze – blisko horyzontu. Często rozkład jasności nieba bywa jednak bardziej złożony. Poza obszarami miejskimi na niebie wyraźnie widoczna jest jasna smuga, czyli Droga Mleczna (patrz zdjęcie poniżej). Jeśli w danym momencie Droga Mleczna przechodzi przez zenit to wtedy nie jest on najciemniejszym miejscem na niebie. Poza zupełnymi bezludziami niebo mniej lub bardziej rozjaśnione jest światłami cywilizacyjnymi. Na zdjęciu poniżej to zjawisko widoczne jest jako pomarańczowe świecenie w pobliżu horyzontu. Blisko dużych miast i w miastach to świecenie obejmuje prawie całe lub całe niebo. Jednak rozświetlenie nieba „sztucznym” światłem nie musi być symetrycznie względem zenitu. Na przykład niebo w stronę centrum miasta będzie wyraźnie jaśniejsze niż w kierunku przeciwnym.

Z powyższych powodów musimy wykonać pomiar SQM w kilku kierunkach, jeśli chcemy, aby nasze wyniki były dobrą charakterystyką jasności nocnego nieba i poziomu zanieczyszczenia światłem. Do pomiarów wybrane są następujące kierunki (o kierunkach na niebie poczytaj na stronie Sfera niebieska):

  • Z – zenit,
  • S60 – 60° nad horyzontem w kierunku południowym,
  • W60 – 60° nad horyzontem w kierunku zachodnim,
  • N60 – 60° nad horyzontem w kierunku północnym,
  • E60 – 60° nad horyzontem w kierunku wschodnim,

Dla każdego z tych pięciu kierunków pomiar należy powtórzyć 5-krotnie, a z pięciu uzyskanych wartości wyznaczyć wartość średnią. Pomiary wpisujemy do raportu obserwacyjnego (odnośnik do raportu w pdf).

Wykonując pomiar należy pamiętać o tym, że:

  • nie możesz znajdować się w polu widzenia instrumentu – trzymaj SQM nie niżej niż na wysokości głowy
  • przesłanianie nieba przez okoliczne drzewa, budynki, itp. nie może sięgać wyżej niż 40° nad horyzont
  • bok SQM zawierający okno wejściowe nie może być oświetlony światłem z okolicznych latarni, okien itp. nawet jeśli te obiekty są poza polem widzenia SQM
  • bateria w SQM musi być sprawna, ponieważ bateria bliska wyczerpaniu może powodować błędne
  • wyniki, np. jeśli pod bezchmurnym niebem otrzymasz wynik >22 mag/arcsec2 oznacza to, że musisz wymienić baterię na nową

Zachowanie powyższych zasad zapewnia wykonanie wiarygodnego pomiaru.

Przykłady pomiarów

Jakich wyników pomiarów możemy oczekiwać? Jasność nieba wyznaczona SQM-L w przykładowych miejscach wynoszą w przybliżeniu (dla zenitu):

  • niebo nad dużym miastem: 17.0 mag/arcsec2
  • niebo podmiejskie lub w małym mieście: 19.0 mag/arcsec2
  • niebo w terenie wiejskim, z dala od miast: 21.0 mag/arcsec2
  • naturalnie ciemne niebo nocne: 22.0 mag/arcsec2

Jak widać, ciemniejsze niebo daje większą liczbę, co jest zgodne ze wspomnianą cechą skali jasności magnitudo (słabszy obiekt – większa liczba).