L’inquinamento luminoso ci ruba il cielo

G.Valentini – INAF Osservatorio Astronomico di Teramo

Per poter osservare apprezzare il colore delle stelle piùluminose o distinguere un numero sufficiente di stelle perriconoscere il profilo delle costellazioni, od ancorascorgere con un telescopio i deboli oggetti diffusi comenebulae e galassie, è necessario allontanarsi dalle lucidella città che rendono il cielo più luminoso degli oggettideboli ed in questa luminosità diffusa e lattescente essiscompaiono alla vista.

Perché per vedere le stelle dobbiamo allontanarci dallacittà?Ma che cosa è l'inquinamento luminoso e perchéavviene?

L’espressione “inquinamento luminoso” indica ladispersione verso l’alto della luce artificiale.

La definizione di inquinamento luminoso è piuttostocomplessa, tanto che è stata nominata una commissione,in ambiente astronomico internazionale, il cui compito èdare una definizione universale di tale termine e dare leindicazioni di base per la sua riduzione.

Iniziamo col dire che il cielo, anche il più buio, ha una sua luminosità, che chiameremo naturale:• Emissione intrinseca atmosfera superiore• Luce delle stelle non risolte• Luce zodiacale• Luce dai corpi del sistema solare

Emissione intrinseca dell'atmosfera superiore: tutte leparticelle che compongono gli strati più alti dell'atmosferaassorbono e riemettono la luce in determinate lunghezzed'onda (righe di emissione) o in tutte le lunghezze d'ondadi una larga parte dello spettro elettromagnetico(emissione continua).

Temperatura di emissione della Terra

E assorbita = E emissione

Costante solare S= 1367 Wm-2

Albedo terrestre medio a= 0.3

E assorbita = S(1-a) πR2T

E emissione= 4 πR2T σ T4

T =4√ [S(1-a)/4 σ] =260 K = -13 °C

Luce di stelle non risolte: intorno a noi vi sono miliardi di stelle. Adocchio nudo, nel cielo più scuro ne scorgiamo appena tremila; conun telescopio il loro numero aumenta rapidamente al crescere dellasuperficie di raccolta della luce e del potere risolutivo dellostrumento. Con l'occhio o con il telescopio vi sono sempre,comunque, stelle non risolte che contribuiscono, seppurdebolmente, alla luce di fondo del cielo.

Magnitudine limite dell’occhio m=6 a 550nm sono 100 fotoni

Stelle che emettono almeno un fotone che arrivi al nostro occhio:

m1-m2 = -2.5 log (F1/F2) m2 = 11

Luce zodiacale: nel sistema solare la materia che non fa parte delSole si trova tutta nel ed attorno al piano dell'orbita terrestre.Questo piano interseca la sfera celeste lungo l'eclittica, cioè lungo ilcammino apparente del Sole tra le stelle. Allineati lungo l'eclittica sitrovano i pianeti che, avendo orbite poco inclinate rispetto al pianodi quella terrestre, si mantengono sempre all'interno di una fasciache borda l'eclittica e prende il nome di zodiaco. Oltre che da pianetila materia è costituita da polvere che diffonde la luce solare econtribuisce ad aumentare la luminosità del fondo, prendendo ilnome di luce zodiacale.

Luce proveniente da tutti i corpi del sistema solare e diffusa dallaatmosfera terrestre. Durante il giorno il cielo è luminoso a causadella diffusione della luce solare che giunge a noi anche durantel'aurora ed il crepuscolo della sera, quando il Sole è sotto l'orizzonte.L'atmosfera diffonde la luce della Luna ed il cielo notturno non è deltutto scuro quando la Luna è alta in cielo ed estesa la porzione delsuo disco illuminata dal Sole e rivolta verso di noi. Un altro esempioè dato dalle eclissi totali di Luna: il nostro satellite appare debole erossiccio in quanto illuminato dalla luce solare diffusa dall'atmosferaterrestre.

Un semplice confronto tra le mappe della brillanza artificiale delcielo ottenute nel 1971 da Bertiau, Treanor and De Graeve(1973) con le analoghe mappe ottenute nel 1998 con lo stessometodo ma in base alle immagini da satellite, indica una crescitamedia della brillanza artificiale sul territorio nazionale di unfattore 7 nel periodo 1971-1998!

ASIAGO

L’atmosfera della Terra produce un alone di luce visibilediffondendo la luce proveniente dalle aree urbane. Ognisingola sorgente di luce in un’area buia può essere sorgente diuna maggiore brillanza del cielo locale. La luce viene diffusa incielo dalle molecole e aerosol (particelle solide e liquide)presenti nell’aria.

Uno studio di Walker (Università della California) dimostra chela relazione fra l’incremento della brillanza del cielo ΔI, lapopolazione della città P e la distanza dalla città in chilometri Dè del tipo:

ΔI = 0.01 P D-2.5

Per una città di 500000 abitanti ad una distanza di 60 Km da un sitoosservativo, la brillanza del cielo cresce del 18%.

Per una cittadina di 5000 abitanti a distanza di 16 Km la crescitadella brillanza è del 5%.

Il 40% dell’inquinamento luminoso proviene dalla illuminazionestradale.

Forte dipendenza dalla distanza!!!!

1) Allontanarsi dalle fonti di luce2) Utilizzo di un paraluce al telescopio3) Migliore qualità dell’aria4) Riflettività del suolo (terra-cemento-neve)

Visibilità delle stelle ad occhio nudo

>6.0 nero

5.75-6.0 grigio

5.5-5.75 blu

5.25-5.5 blu chiaro

5.0-5.25 azzurro

4.75-5.0 giallo

4.5-4.75 giallo-oro

4.25-4.5 arancio

4.0-4.25 arancio scuro

3.75-4.0 rosso

<3.75 violetto

X = crescita della brillanza

1.2 = crescita del 20%

Rapporto segnale-rumore

In due casi di livello di rumore!

A causa della natura quantistica della luce, il rilevamento dei fotoni (con un dispositivo come il CCD) è sempre un processo casuale dominato dalla statistica di Poisson: la distribuzione poissoniana

Calcoliamo la probabilità che il risultato della partita Inter – Milansia 2-1. Dalle statistiche della Lega vediamo che il numero medio digoal dell’Inter è 2.5 e quello del Milan 1.8. Determiniamo questaprobabilità:

P(Inter) = (2.52 e-2.5) / 2! = 0.257

P(Milan) = (1.81 e-1.8) / 1! = 0.298

P(Inter-Milan) = 0.257 * 0.298 = 0.077

Cioè è un risultato che ha il 7.7% di probabilità che possa avvenire.

L’Inter che perde ha probabilità -∞

Distribuzione poissoniana : calcolo delle probabilità

Supponiamo, per semplicità, che il seeing sia talmente buono da far cadere la nostra fonte di segnale (una stella) completamente all'interno di un pixel.

Il segnale complessivo accumulato dal pixel è di 900 conteggi: 400 di loro provengono dal fondo cielo mentre 500 provengono dalla luce della stella.

La combinazione stella+cielo ha un rumore di √ 900 = 30 conteggi su quel pixel e questo darebbe un SNR di 900/30 = 30.

Ma questo non è il modo corretto per valutare l'SNR.

Il segnale della nostra fonte è infatti di 500 conteggi, dunque una stima migliore del SNR è 500/√900 = 16,7.

In realtà, il vero SNR è ancora più basso: poiché non abbiamo alcun modo di sapere che il fondo cielo è esattamente di 400 conteggi (lo sfondo del cielo è a sua volta influenzata dal rumore poissoniano!) dobbiamo aggiungere il contributo del rumore dal cielo (√ 400 = 20) a quello della stella più il rumore del fondo cielo ancora (√400+500 =30 ), allora si ha:

Ma cosa succede se cerchiamo di prendere le immagini della stella stessa sotto un cielo luminoso urbano dove lo sfondo è, per esempio, 5000 conteggi invece di 400?

Ora la stella è appena visibile: infatti un valore tipico del SNR per una stella rilevabile è ≥ 3, e siamo in grado di misurare la sua luminosità con una precisione di ± 20% soltanto.

• Rumore di lettura (readout noise): è il numero di elettroni per pixel introdotti nel segnale finale sulla lettura del CCD. Valori tipici nei moderni CCD sono entro i 10 elettroni / pixel;

• Rumore termico (dark count): è il numero di elettroni termici generati al secondo per pixel ad una temperatura specifica. I valori tipici sono pochi elettroni o frazioni di elettroni al secondo nel caso CCD raffreddato;

• Rumore di fondo (background noise): non si tratta di un rumore strumentale, ma è di grande importanza. L'inquinamento luminoso del fondo cielo, sia artificiale che naturale, come la presenza della luna, contribuiscono al segnale di fondo raccolto dal CCD, ma questi non si traducono in un aumento del segnale dell'oggetto di nostro interesse.

Osservatorio Astronomico di Teramo

(1890)

Telescopio Nazionale Galileo

Paraluce nei piccoli telescopi

Cosa possiamo fare oltre che scappare?

Controllare l’inquinamento luminosoaiuta anche la nostra salute!

L’inquinamentoluminoso

uccide

Nuoce gravemente all’astronomia

Effetto sugli animali

Difficilmente ci si rende conto che una illuminazionesovradimensionata e/o di pessima qualità rappresentaun costo in termini economici, di produzioni di scarti edi riscaldamento del pianeta.

Bisogna che non solo gli astronomi, biologi ecc eccmettano in allarme con una specifica educazione ilpubblico e i rappresentanti governativi, ma ènecessario trovare, con l’aiuto di professionisti diilluminazione le soluzioni più adeguate.

Per questo sono nate in tutto il mondo commissionitecniche per lo studio del problema.

Può apparire fin troppo ovvio, ma il primo suggerimento è quello di spegnere la luce quando non serve.

Orientare le lampade che illuminano gli esterni in mododa colpire solo il bersaglio da illuminare e rendereminima quella parte di radiazione luminosa che è emessasopra il piano dell'orizzonte.

Purtroppo, anche se una lampada è ben orientata, esiste sempre unacomponente della luce emessa che comunque è riflessa verso l'altoda parte dell'oggetto illuminato. Il manto stradale, per come è fatto,riflette da solo il 10% della luce che riceve dall'impianto diilluminazione e tale percentuale al momento non è riducibile a causadella normativa che regolamenta l'asfaltatura e di strade asfaltate cene sono tante.....

Usare lampade progettate in modo da non dirigere laluce verso l'alto o sopra l'orizzonte

Usare proiettori solo in caso di necessità ed in ognicaso con una inclinazione non < 60°

Usare, quando è possibile, proiettori asimmetrici

Usare lampade che non emettano nelle stesse bandedel cielo, contribuendo a un incremento della sualuminosità. Utilizzo preferenziale di lampade al sodio

Tenere sotto controllo l'inquinamento atmosferico. Leparticelle che compongono l'atmosfera terrestrediffondono tutta la luce che ricevono, per cui anchel'inquinamento atmosferico ha un suo ruolo eun'atmosfera tersa e pulita giova a ridurrel'inquinamento luminoso.

La UNI 10819 affronta problematiche inerenti la limitazione della dispersione verso il cielo della luce artificiale, argomento oggetto di diversi interventi legislativi a livello nazionale e regionale. Non si applica agli impianti di gallerie e sottopassi, ad ambienti paesaggistici soggetti a particolari prescrizioni locali.Per la stesura di questa norma sono state prese come riferimento:

• UNI 10439 strade con traffico motorizzato• UNI 10671 apparecchi di illuminazione• CIE 17/4/87 international vocabulary for lighting• CIE 92-1982 guide to the lighting of urban areas• CIE TC 4.21-97 guidelines for min. sky glow• CIE TC 5.12-95 guide on the limitation of effects.

Lo scopo della UNI 10819 è quello di proteggere gliosservatori astronomici professionali e non professionali,vietando o limitando l'uso di illuminazione, in un'area di25 km di raggio per i primi, e di 10 km per i secondi. Pergli osservatori professionali, entro il raggio di unchilometro, sono vietati fasci luminosi fissi o rotanti, chediano qualsiasi emissione verso l'alto o che possanoessere riflessi verso il cielo. Pertanto l'esistenteapparecchio dovrà essere sostituito o schermato edessere orientato almeno 90 gradi dall'osservatorio.La norma UNI 10819, inoltre, fissa:- i criteri di valutazione degli impianti;- le regole per le verifiche illuminotecniche;- angoli di orientamento, schermature, inclinazioni, che il costruttore deve rispettare;

Classificazione degli impiantiTipo A: Impianti dove la sicurezza è a carattere prioritario, per esempio illuminazione pubblica di strade, aree verdi, ecc.Tipo B: Impianti sportivi, impianti di centri commerciali e ricreativi, impianti di giardini.Tipo C: Impianti di interesse ambientale.Tipo D: Impianti pubblicitari.Tipo E: Impianti a carattere temporaneo ornamentale (luci natalizie).

Classificazione delle zone di installazioneZona 1: zona altamente protetta, ad illuminazione limitata (per esempio, osservatori astronomici). Raggio dal centro di osservazione R= 5Km.Zona 2: zona protetta intorno alla zona 1 o intorno ad osservatori a carattere nazionale. Raggio dal centro di osservazione R=5/10/15Km in funzione dell'importanza del centro.Zona 3: territorio nazionale non classificato nelle zone 1 e 2. Sulla base della distanza dai centri di osservazione ufficialmente riconosciuti, il territorio comunale è classificato idealmente in una delle zone sopra indicate, qualora lo stesso territorio fosse suddiviso in più parti dai cerchi di influenza, a ciascuna parte deve essere assegnata la rispettiva zona di appartenenza o la zona maggiormente protetta è estesa a tutto il territorio comunale.