کنترل آلودگی نوری از مدار زمین - کتاب یار مهربان

به گزارش کتاب یار مهربان، با شروع عصر فضا، بشر هر روز و شب به تماشای زمین، این خانه پدری از فضا نشسته است. پس از سفر یوری گاگارین در سال 1340 شمسی/ 1961 میلادی به عنوان اولین انسانی که راهی فضا شد، جان گِلِن، اولین فضانورد آمریکایی بود که در مدار زمین قرار گرفت.

معروف است که به افتخار وی مردم شهر پرت (Perth) استرالیا چراغ های شهر خود را روشن کرده بودند تا گلن بتواند آنها را از فضا ببیند.

مسلما آنچه جان گلن و مردم شهر پرت آن زمان نمی دانستند، خطر جدی آلودگی نوری بود؛ نورهای مصنوعی در شب که جدا از اتلاف انرژی، اثرات مخربی بر محیط طبیعی شبانه دارد.

امروزه دانشمندان از طیف وسیع و نگران کننده خطرات این نورپردازی های غیراصولی و غیراستاندارد بر گونه های گیاهی و جانوری خبر می دهند؛ تاثیر مهم آلودگی نوری در انقراض جهانی حشرات، تهدید حیات گونه های جانوری مثل مهاجرت پرندگان و لاک پشت ها و ارتباطش با مسائل مختلف بر سلامتی انسان ها در جریان مطالعات مختلف اثبات شده است.

با توجه به افزایش تابش نورهای مصنوعی در شب در سراسر جهان، دانشمندان به دنبال مشخص میزان گستردگی آن در شب هستند.

تا به امروز تصور می شد اندازه گیری آلودگی نوری فقط با ابزارهای زمینی امکان پذیر است اما نتایج مطالعه ای جدید نشان می دهد این اندازه گیری از فضا نیز امکان پذیر است.

در دهه 1350 شمسی/ 1970میلادی، پرتاب ماهواره ها به فضا به همراه ابزارهای لازم برای ثبت نور جهان در قسمت شب زمین شروع شد؛ قابلیتی که در ابتدا به صورت محرمانه در اختیار ارتش آمریکا بود اما در اوایل دهه 1370/ 1990 برنامه ماهواره ای پدافند هوایی (DMPS) از شکل محرمانه خارج شد و عکس های زمین در شب در دسترس پژوهشگران غیرنظامی نیز قرار گرفت.

در سال های بعد ماهواره های دیگری، از بزرگ ترین رصدخانه های زمینی تا تاسواره های (Cubesats) گران قیمت، مناظری با جزئیات بیشتر از جهان در شب ثبت کرده اند. اما با وجود گذشت چند دهه از تاریخ شروع پروازهای فضایی، دانشمندان به تازگی پی برده اند آنچه ماهواره ها از زمین مشاهده می کنند، می تواند تمام داستان تاثیرات نورهای ساخته دست بشر در شب را تعریف کند.

چالش های سنجش آلودگی نوری

آلودگی نوری مسأله ای است جهانی که همه کشورهای روی زمین آن را لمس کرده اند اما زمین سیاره بزرگی است که اندازه گیری های ناکافی روی آن مانع درک بهتر و جلب توجه ما به این مشکل شده است؛ هرچند به خوبی متوجه افزایش روشنایی آسمان شب شده ایم.

به طور مرسوم آلودگی نوری و آسمان تاب روی زمین با دستگاهی مثل فوتومتر اندازه گیری می شود که داده های به دست آمده از آن فقط برای یک منطقه است؛ این محدودیتی است که اجازه تهیه نقشه ای کامل از تاثیرات دقیق آلودگی نوری برای منطقه ای بزرگ را نمی دهد.

ناهمواری زمین، بی ثباتی های سیاسی و از بین رفتن زیرساخت ها در بلایای طبیعی نیز از جمله دلایلی است که چرا به آسانی ابزارهای اندازه گیری را هر جا بخواهیم نمی توانیم قرار دهیم.

امکان استفاده از داده های ماهواره ای برای بررسی نورهای مصنوعی در شب پیشرفت بزرگی است که به دانشمندان امکان می دهد تا به داده هایی که مساحت زیادی از زمین را پوشش می دهند دسترسی داشته باشند و در زمان شان صرفه جویی کنند.

ماهواره های سنجش از دور، نقش اساسی در درک ما از مقدار و پخش آلودگی نوری در سراسر جهان داشته اند.

اولین اطلس جهانی از روشنایی مصنوعی آسمان شب در سال 1380 شمسی /2001 میلادی، نمای جامعی از زمین در شب بود که از مقدار قابل توجه گسترش آلودگی نوری در جهان شب خبر می داد.

با پیشرفت فناوری ماهواره های سنجش از راه دور، این اطلس در سال 1395/2016 با تفکیک پذیری بهتری از زمین و افزایش حساسیت به نورهای ضعیف، به روزرسانی شد.

اطلس جدید، با اولین پیش بینی های رسمی از میزان روشنایی آسمان شب زمین همراه بود. به کمک این داده ها و تحلیل های عمیق، فرایند گسترش آلودگی نوری در کشورهای جهان مشخص شد. این نتایج درک ما را از آلودگی نوری تغییر داد و خوب و بد و زشتی این مسأله جهانی را نشان دادند.

اما تفسیر درست آنچه ماهواره ها قصد دارند به ما بگویند سخت است؛ به علاوه این که بتوانیم به درک درستی برسیم هم حیاتی است. برای مثال اگر بخواهیم بدانیم یک آشکارساز در مدار دقیقا چه مقدار نور دریافت می کند، نه تنها باید بدانیم در آزمایشگاه چگونه کار می کند، بلکه باید بفهمیم وقتی در فضا قرار می گیرد هم عملکردش چگونه است. بنابراین کار چالش برانگیزی پیش روست.

پایین بودن تفکیک پذیری آنچه از مدار مشاهده می کنیم نیز تا حدی عذاب آور است. در بهترین حالت فقط می توانیم منابع نوری را تا سطح یک بلوک شهری جدا کنیم (با فرض این که تصاویر را فضانوردان از داخل ایستگاه بین المللی فضایی گرفته باشند) و جدا کردن منابع منفردی که در فاصله کمی از هم هستند، سخت است.

سال ها تفسیر اشتباه از داده های ماهواره ای

چالش همیشگی سنجش نور شب ماهواره های سنجش از دور، هاله نوری است که خارج و اطراف شهرها دیده می شود.

آیا این نور واقعی است یا نتیجه خطای ابزار اپتیکی یا الکترونیکی دوربین های ماهواره است؟ نزدیک به 30 سال تصور می شد که این هاله نتیجه نور بسیار روشن شهرهاست و این خطا مربوط به سنسور و اثر درخششی (blooming) است که در سی سی دی دوربین هنگام عکاسی از یک منبع نوری شدید، رخ می دهد اما مطالعات جدید ادعا می کنند این هاله، نور واقعی شهرهاست که تا ارتفاع نزدیک به مدار ماهواره ها پراکنده می شود و باید در مدل سازی ها وارد شود.

در شب منابع نوری که جهت شان به سمت آسمان باشد یا نوری که از سطح زمین بازتاب می شود، از اتمسفر عبور کرده و با برخورد به مولکول های هوا و آئروسل ها در همه جهات جو زمین پخش می شود و باعث ایجاد هاله ای نورانی در آسمان می شود که ما از زمین آن را به صورت روشنایی آسمان می بینیم.

در حالی که در فضا هاله ای از نور پخش شده است و این هاله نورانی آسمان تاب نامیده می شود.

سهم عمده آسمان تاب مربوط به چراغ هایی با زاویه انتشار افقی است. در انتشار افقی به علت تقارن سمتی در پراکندگی مای (Mie scattering) مقدار مساوی از نور در جهت بالا و پایین پراکنده می شود.

همچنین به علت تقارن سمتی و بالا-پایین در پراکندگی رایلی (Rayleigh scattering) میزان نور پراکنده شده به سمت زمین برابر با نور پخش شده به سمت آسمان است (با چشم پوشی از انحنای جزئی زمین).

این دو اثر باعث می شود حاشیه شهرها به صورت نسبی و هاله مانند، روشن به نظر برسد. نوری که در گذشته به عنوان خطای ابزاری تفسیر می شد اما امروز می بینیم این طور نیست.

برای تشخیص نورهای پراکنده شده در اتمسفر به عکس هایی با نورپردازی طولانی مدت نیاز است. اما دریافت چنین عکس هایی در ایستگاه فضایی که با سرعت 28 هزار کیلومتر بر ساعت حرکت می کند، آسان نیست.

برای حل این مشکل سازمان فضایی اروپا (اِسا) از یک دوربین نصب شده روی یک موتور سه محوره استفاده می کند تا با دنبال کردن حرکت نقاط خاصی روی زمین به صورت اتوماتیک، حرکت ایستگاه فضایی را جبران کند.

به این ترتیب عکس شهری که از آن عکاسی می شود تک فریم و با نوردهی طولانی خواهد بود. این دوربین را در عکس بالا - چپ همین صفحه می بینید.

دو مثال معروفی که در این تحقیق به آنها اشاره شده است، مربوط به شهر مادرید اسپانیا و شیکاگو در آمریکاست.

پژوهشگران دانشگاه مادرید با همکاری دانشگاه اکستر (Exeter) انگلیس با ترکیب داده های 24 ماه (در بیش از شش سال) ماهواره SNPP/VIIRS-DNB و با استفاده از تصاویر HDR که اخترشناسان اسا و ناسا تهیه کرده بودند، پی بردند میزان آلودگی نوری برای شهری مثل راسکافریا (Rascafrya) بسیار کمتر از مقادیر پیش بینی شده است، زیرا پیش بینی ها بر اساس مدل هایی بودند که شکل جغرافیایی منطقه را در نظر نگرفته بود. کوه های La Morcuera همچون دروازه ای مانع از رسیدن آلودگی نوری شهر مادرید می شوند.

در عکس پایین و راست همین صفحه که با ماهواره بر فراز شیکاگو ثبت شده است، در سمت چپ مرکز شهر با نور زرد مشخص شده که حاکی از انتشار مستقیم نور بسیار زیاد به سمت بالاست که آشکارساز ماهواره از آن نور اشباع شده و در مورد نحوه پخش نور هیچ اطلاعی را نمی توان به دست آورد.

در سمت راست نیز تابش از سطح دریاچه دیده می شود که هر چه از شهر فاصله می گیریم، کمتر می شود.

درحالی که می دانیم یک دریاچه تابش نوری در شب ندارد. اگر نور بر فراز دریاچه واقعی نباشد، یعنی ما انتشار نور از منطقه شهری را بیش از حد و اشتباه حساب کرده ایم. اما اگر این نور واقعی و یک نور مصنوعی باشد، نور آن منطقه کمتر از واقعیت محاسبه شده بوده و سبب می شود این مناطق روی زمین تاریک تر از آنچه واقعا است، به نظر برسد.

چرا این نتایج مهم هستند؟

تصاویر رادیومتری که از فضا گرفته می شود، تغییرات پخش آسمان تاب در شهرها را رصد می کنند. همان طور که جمعیت شهرها به خصوص در کشورهای در حال توسعه بیشتر می شود، بررسی ها نشان می دهد آلودگی نوری سریع ترین رشد را در این کشورها دارد. به کمک داده های ماهواره ای می توانیم تهدیدهای حاصل از گسترش آلودگی نوری را بدون نیاز به تکیه بر مشاهده های زمینی، بهتر تخمین بزنیم.

به علاوه نقشه های دقیق تری از فرایند روشنایی آسمان شب در هر منطقه می توان داشت. با توجه به این نتایج پژوهشگران اپلیکیشن جدیدی که فعلا در مرحله بتا است را عرضه کرده اند که می تواند روشنایی آسمان و تغییرات آن را در خارج از مناطق شهری با اندازه گیری های مستقیم و نه داده هایی که مدل های تئوری را پیش بینی می کنند، به دست آورد.

نتایج این پروژه، خبری خوب برای کسانی است که اثرات نور مصنوعی شبانه را بررسی می کنند و دیگر لازم نیست کیلومترها برای اندازه گیری آسمان تاب از شهرها فاصله بگیرند.

اثر کووید 19 بر هاله نورانی شهرها

بررسی ها نشان می دهد که قرنطینه و فاصله گذاری اجتماعی برای کاهش شیوع کووید 19، در تغییر این هاله نیز موثر بوده است.

روشنایی آسمان شب بستگی به آئروسل های معلق در هوا و پخش نور مصنوعی دارد. در طول مدت قرنطینه، آلودگی هوا با توجه به کاهش فعالیت های انسانی به شدت کاهش یافت.

ریحانه رادی - دانش / روزنامه کتاب یار مهربان

منبع: Nature