Quanto e’ stellata la notte?

Gli studenti misurano la brillanza del cielo

Prof. Roberto Nesci, Universita’ La Sapienza

Prof. Aldo Altamore, Universita’ RomaTre

Dr. Ilaria De Angelis, Universita’ RomaTre

Con la collaborazione di:Museo del Bali’, Saltara (PU) (coordinamento scuole delle Marche)Prof. Antonio Princi, Roma (coordinamento scuole di Roma)dott. Giuseppe Cirimele (realizzazione database web)

Obiettivi dell’esperienza

1. Familiarizzare gli studenti col cielo tramite attivita’ pratiche;

2. Far partecipare gli studenti ad una VERA attivita’ di rilevamento di dati scientifici;

3. Favorire contatti tra studenti di scuole diverse;

4. Sensibilizzare gli studenti agli argomenti della migliore illuminazione e del risparmio energetico.

Storia del progetto

Il progetto e’ iniziato nell’anno scolastico 2008/09, in concomitanza con l’Anno Internazionale dell’Astronomia.

In quell’anno ha coinvolto 11 licei e 2 scuole medie del Lazio. Gli osservatori effettivi sono stati 102, con 560 osservazioni.

L’anno successivo, 2009/10, si sono iscritte 10 scuole medie della Provincia di Latina e un Liceo di Roma. Di fatto hanno partecipato solo 3 scuole, con 24 osservatori effettivi, per un totale di 78 osservazioni.

Anno scolastico 2010/11

hanno partecipato al progetto 18 scuole:12 nella zona di Roma (Lazio) 6 nella zona di Pesaro-Urbino (Marche).

I ragazzi iscritti sono stati 180Osservatori effettivi 97

Sono stati raccolti piu’ di 1100 dati

Elenco scuolescuola citta' regione iscritti osservatori dati

Astrofili Urbino Urbino Marche 10 3 202

I.C. G. Padalino Fano Marche 7 4 14

I.C. Marco Polo Pesaro Marche 15 12 160

IC "Gio' Pomodoro" Orciano Marche 5 1 5

ICS E Mattei Acqualagna Marche 5 1 2

LEOPARDI Saltara Marche 27 17 140

ITAER De Pinedo Roma Lazio 11 4 179

L.C. G.CESARE Roma Lazio 10 1 2

VITTORIO GASMANN Roma Lazio 5 1 3

L.C. SOCRATE Roma Lazio 14 11 192

L.C.CAVOUR Roma Lazio 6 4 49

L.S. A. LABRIOLA Ostia Lazio 10 9 55

L.S. Cannizzaro Roma Lazio 2 1 6

L.S. LEVI Roma Lazio 20 11 48

L.S. Pasteur Roma Lazio 1 0 0

L.S. PEANO Roma Lazio 14 3 44

Qualche dato statistico

Istogramma del numero di osservazioni per studente

Valore medio 12

Istogramma delle magnitudini osservate:media migliori osservazioni 4.6Media totale dati 3.6

Qualche commento didattico

Nonostante la procedura per la registrazione fosse stata semplificata, e nonstante diversi richiami, si sono avuti numerosi casi (13/111) di studenti che hanno compiuto osservazioni ma non hanno indicato la loro posizione geografica (Longitudine e Latitudine), rendendo inutilizzabili i loro dati.

In 12/1150 casi la altezza sull’orizzonte della stella osservata e’ stata riportata come superiore a 90 gradi !

In 170 casi l’altezza riportata della stella era largamente impossibile.

In molti casi l’altezza era comunque evidentemente errata, anche se non impossibile, data l’ora e la data di osservazione.

Sono state riportate alcune osservazioni di stelle basse sull’orizzonte, anche se era esplicitamente richiesto di non fare osservazioni sotto I 30 gradi.

Ne deduco che c’e’ nell’insegnamento della geometria qualche problema strutturale che rende difficile ai ragazzi fare un uso pratico delle nozioni riguardanti gli angoli.

Posizioni osservatori

Osservatori nelle Marche

Zona di Fano

Zona di Saltara

Zona di Urbino

Da Cinzano 2001

Il colore indica la magnitudine delle stelle piu’ deboli visibili

Rosso 4.50Arancio 5.00Giallo 5.25Verde 5.50Blu 5.75Nero 6.00

Inquinamento luminoso in Italia

Asiago 17-08-2011 Quanto e' stellata la notte? 15

Confronto con DeGraeve et al.

1972

Le Marche in dettaglio

legenda

>6.0 nero

5.75-6.0 grigio

5.5-5.75 blu scuro

5.25-5.5 blue chiaro

5.0-5.25 azzurro

4.75-5.0 giallo

4.5-4.75 giallo oro

4.25-4.5 arancione

4.0-4.25 arancione scuro

3.75-4.0 rosso

<3.75 violetto

Visibilita’ delle stelle ad occhio nudo (Cinzano 2001)

Come confrontare i nostri dati con la mappa di Cinzano?

La mappa di Cinzano e’ calcolata in base a due elementi:1. la luce emessa verso l’alto e vista dai satelliti DMSP (Defense

Meteorological Satellite Program) dell’Aeronautica Militare degli Stati Uniti;

2. un modello di diffusione della luce nell’atmosfera terrestre.

La risoluzione della mappa e’ di circa 5 km, quindi per un confronto bisogna mediare i dati del nostro campionamento su aree di dimensioni confrontabili.

La visibilita’ delle stelle ad occhio nudo dipende da molti fattori: 1. Esperienza dell’osservatore2. Adattamento al buio3. Eta’ dell’osservatore4. Altezza delle stelle sull’orizzonte5. Trasparenza dell’atmosfera6. Luminosita’ del cielo

Tecnica utilizzata

Per ottenere un valore ragionevole delle visibilita’ delle stelle, partendo da un insieme di dati di osservatori non esperti, ho

deciso di:

1. prendere per ciascun osservatore il dato migliore;2. definire aree geografiche omogenee;3. calcolare la mediana dei dati in ciascuna area geografica;4. calcolare la deviazione standard dei dati come indice della

dispersione dei dati nell’area.

I calcoli sono stati fatti utilizzando un foglio di calcolo elettronico

Tabella Marche

Zona Oss Mag Cinzano Mag

Fano 10 3.5 arancione 4.25-4.50

Saltara 7 5.5 Giallo oro 4.50-4.75

Calcinelli 9 5.7 Giallo oro 4.50-4.75

Frontone 3 5.8 Blu chiaro 5.25-5.75

Orciano 1 2.1 azzurro 5.00-5.25

Tavullia 1 5.5 giallo 4.75-5.00

Urbino 7 6.0 giallo 4.75-5.00

Lucrezia 10 5.7 Giallo oro 4.50-4.75

Confronto con Cinzano

Il punto discrepante e’ quello di Fano, che peraltro ha 10 osservatori.

La retta di fit e’ forzata a passare per l’origine, la pendenza e’ nettamente minore di 1, indice che la visibilita’ delle stelle e’ migliore del valore aspettato.

Si conferma che la visibilita’ delle stelle dipende dalle condizioni locali, non valutabili sulla scala del satellite

I dati del LazioDistribuzione degli osservatori nel Lazio

Zona Ostiamedia

Zona Roma Colombomedia

Zona Roma Centro

Zona Roma Sud

Mappa LazioVisibilita’ aspettata delle stelle nel Lazio

Colore magnitudine

Rosso 4.00-3.75Marron 4.25-4.00Arancio 4.50-4.25Giallo scuro 4.75-4.50Giallo oro 5.00-4.75Blu chiaro 5.25-5.00Blu medio 5.50-5.25Blu scuro 5.75-5.50

Confronto dati-aspettative

zona n best mdn med disp aspettato

ostia 4 4.41 4.34 4.15 0.37 4.25-4.50

colombo 5 5.77 3.88 4.18 0.80 4.25-4.50

romaest 6 6.04 4.65 4.79 0.81 4.50-4.75

romacc 12 5.04 3.52 3.00 1.42 3.75-4.25

Statistica generalezona n best mdn med sigmabest_lazio 44 6.04 5.04 4.00 1.21best_roma 34 6.04 3.88 3.90 1.30best_ostia 4 4.41 4.34 4.15 0.37best_colombo 5 5.77 3.88 4.18 0.80best_romaest 6 6.04 4.65 4.79 0.81best_romacc 12 5.04 3.52 3.00 1.42 best_marche 50 6.04 5.74 5.20 0.92best_fano 7 6.00 4.34 4.39 1.28best_marche_ovest 6 6.04 6.04 5.77 0.60best_marche_sud 3 5.85 5.85 5.07 1.10best_saltara 23 6.04 5.59 5.31 0.61

Valori per ambiente

Ambiente media dev.st

Urbano 4.21 1.36

Periferia 4.91 0.95

Campagna 5.84 0.18

Confronto su anni successiviPer la zona di Roma sono disponibili dati su tutti e tre gli anni, anchese con valore statistico diverso. Sono raccolti nella tabella seguente:

Anno Nord Est Centro Ovest Sud Ostia

2009Osserv.

3.684

3.687

4.429

3.967

4.008

4.313

2010Osserv.

3.881

3.602

5.384

----- 5.413

3.602

2011Osserv.

----- 4.656

3.5212

----- 3.885

4.344

Cosa si vede in media?

Istogramma magnitudiniosservate da tutti gli studentinel 2011

Istogramma magnitudiniosservate da tutti gli studentinel 2009

Istogramma magnitudini osservateda tutti gli studenti nel 2010

Quanto hanno osservato?

Osservazioni per studente nel 2009; media 5.3Da 1 a 51

Osservazioni per studentenel 2011; media 12.0Da 1 a 156

Un confronto strumentalelo Sky Quality Meter

Lo Sky Quality Meter (SQM) e’ un semplice strumento che misura la brillanza del fondo cielo con un sensore CCD: in pratica e’ un esposimetro per bassi livelli di luminosita’.

Uno SQM e’ operativo in maniera continuativa sul tetto del Dipartimento di Fisica della Universita’ La Sapienza dal 2010. Lo strumento e’ accessibile pubblicamente al sito astrowww.phys.uniroma1.it/sqm/.

MAG N. stelle brillanza cielo1 5 14.92 22 15.93 82 17.04 250 18.05 800 19.06 2500 20.1

La seguente tabella, calcolata dai fabbricanti dello SQM, permette un confronto tra la visibilita’ delle stelle ad occhio nudo e la brillanza del cielo.

Asiago 17-08-2011 Quanto e' stellata la notte? 34

I dati dell’SQM di RomaGrafico della brillanza del cielo in una notte nuvolosa e in una notteserena. Le nuvole riflettono la luce dispersa verso l’alto dallailluminazione stradale e producono una brillanza del cielo molto

maggiore di quella prodotta dall’atmosfera pulita in assenza di nubi.

Lo SQM e’ quindi un ottimo misuratore della copertura nuvolosanotturna di una citta’.

Asiago 17-08-2011 Quanto e' stellata la notte? 35

Statistica SQM Roma 2010/11

Dispersione dei datirispetto ad un andamentolineare nella notte. Le nottiserene hanno dispersioneminore.

Brillanza media del cielo nellenotti nell’anno 2010/11. Nelle notti piu’ trasparenti si raggiungela 18-ma mag/arcsec2.Le notti serene sono circa un terzo(115/365)

Confronto visuale-SQM

Roma centro

anni

2009 2010 2011

Studenti 4.42 5.38 3.52

SQM 4.00

Cinzano 3.75--4.25

In condizioni di cielo sereno, la brillanza del cielo al centro di Roma

e’ di 18.0 mag/arcsec^2.

Dalla tabella suddetta verrebbe una magnitudine limite di circa 4,

in sostanziale accordo con la mappa di Cinzano.

Conclusioni

Risultati principali:

1. Accordo della mappa del progetto con la mappa di Cinzano per quanto riguarda l’andamento generale.

2. Differenze sensibili nei valori numerici di magnitudine limite rispetto alle aspettative.

3. Forti dispersioni dei dati tra diversi osservatori anche a breve distanza geografica.

4. Bassa visibilita’ delle stelle al centro di una citta’ anche piccola (Fano, Anagni), confrontabile con quella all’interno di Roma.

5. Visibilita’ migliore del previsto nelle localita’ di campagna.

6. Buona affidabilita’ dello strumento SQM per monitorare la copertura nuvolosa e variazioni a lungo termine della trasparenza del cielo.