Видимість зірок на нічному небі знижується швидше, ніж вважалося

Люди в усьому світі бачать все менше й менше зірок на нічному небі. Зміну видимості зірок можна пояснити збільшенням яскравості неба на 7-10% щорічно.

Нове дослідження, опубліковане в журналі Science, дійшло висновку, що темпи зміни швидші, ніж можна було б припустити за результатами супутникових вимірювань штучного світлового випромінювання на Землі.

Це дослідження проведено групою під керівництвом Крістофера Кіба з Німецького дослідницького центру геонаук GFZ і Рурського університету Бохума з колегами з GFZ і лабораторії NOIRLab Національного наукового фонду США.

Вони проаналізували понад 50 000 спостережень неозброєним оком, проведених цивільними вченими в усьому світі з 2011 до 2022 року в рамках проєкту "Глобус вночі". Результати показують, що дані цивільних вчених є важливим доповненням до попередніх методів вимірювання.

Фон світлового забруднення

На значній частині земної поверхні небо продовжує світитися у штучній напівтемряві ще довгий час опісля заходу сонця. Ця "освітленність неба" - одна з форм світлового забруднення, що має серйозні наслідки для довкілля й тому має бути в центрі уваги дослідників, як підкреслює Констанс Волкер, співавторка дослідження та керівниця проєкту "Глобус вночі" у NOIRLab з моменту його створення.

Адже багато форм поведінки та фізіологічних процесів живих істот визначаються добовими та сезонними циклами, а отже, залежать від світла. "Освітленність неба впливає як на денних, так і на нічних тварин, а також руйнує важливу частину нашої культурної спадщини, - каже Волкер. Вигляд нічного неба змінюється, що негативно позначається на спостереженні за зорями та астрономії.

Credit: NOIRLab

Необхідність у відповідних методах вимірювання

Зміну освітленності неба в часі раніше не вимірювали в глобальному масштабі. Хоча в принципі її можна було б виміряти за допомогою супутників, єдині наявні датчики, які стежать за всією Землею, не мають достатньої точності та чутливості.

Тому перспективним підходом є використання спостережливої здатності людей, які використовують людське око як датчик, і при цьому - в рамках експериментів Цивільної науки - покладатися на силу натовпу. Проєкт "Глобус вночі", ініційований NOIRLab, здійснюється з 2006 року. У цьому проєкті можуть брати участь люди з усього світу.

Цивільна наука

Учасники дивляться на своє нічне небо, а потім повідомляють, яка з восьми зоряних карт найкраще відповідає тому, що вони бачать, використовуючи онлайн-форму. Кожна діаграма показує небо за різних рівнів світлового забруднення.

Вплив світлового забруднення 2: Від відмінного темного неба (зліва) до неба всередині міста (праворуч). Credit: NOIRLab/NSF/AURA, P. Marenfeld

"Внесок окремих людей працює разом, як глобальна сенсорна мережа, уможливлюючи нову науку", - каже Крістофер Кіба. Разом зі своїм колегою з GFZ Йігітом Енером Алтинтасом, а також Констанс Е. Волкер і Марком Ньюгаусом з NOIRLab він проаналізував дані 51 351 учасника з усього світу, отримані в безхмарні та місячні ночі в період із 2011 до 2022 року. Їх було отримано з 19 262 точок по всьому світу, включно з 3 699 точками в Європі і 9 488 точками в Північній Америці.

Щоб розрахувати швидкість зміни освітленності неба на основі цих даних і врахувати, що спостерігачі також перебували в різних місцях протягом кількох років, вони використовували глобальну модель яскравості неба, засновану на супутникових даних 2014 року.

Дивовижні висновки

"Швидкість, з якою зорі стають невидимими для людей у міському середовищі, драматична", - резюмує Крістофер Кіба, провідний автор роботи. Дослідники виявили, що зміну кількості видимих зірок можна пояснити збільшенням освітленності нічного неба. У Європі вони виявили збільшення освітленності на 6,5% на рік, що відповідає даним; у Північній Америці - на 10,4%.

Щоб помістити ці цифри в більш зрозумілий контекст, Кіба пояснює, які наслідки може мати спостереження зірок у місці зі збільшенням освітленності на 9,6% на рік, що було середнім показником для всіх місць по всьому світу. "Якщо розвиток триватиме такими темпами, то дитина, яка народилася в місці, де видно 250 зірок, до свого 18-річчя зможе побачити там тільки 100 зірок".

Виходячи з більш повільного зростання висхідних викидів, що спостерігається в супутникових даних, дослідники були здивовані швидкістю розвитку освітленності неба. Фактично, для місць, де перебували спостерігачі, штучна яскравість, виміряна супутником, трохи зменшилася (на 0,3% на рік у Європі, на 0,8% у Північній Америці).

Причини різниці між вимірюваннями із Землі та з космосу

Крістофер Кіба вважає, що різниця між людськими спостереженнями і супутниковими вимірами, імовірно, пов′язана зі змінами в практиці освітлення. "Супутники найбільш чутливі до світла, спрямованого вгору до неба. Але саме горизонтально випромінюване світло становить більшу частину освітленого неба", - пояснює Кіба. "Тому, якщо реклама і фасадне освітлення стануть частішими, більшими або яскравішими, вони можуть дуже вплинути на освітленність неба, не чинячи істотного впливу на супутникові знімки".

Ще одним фактором, на який посилаються автори, є повсюдний перехід від помаранчевих натрієвих ламп до білих світлодіодних, які випромінюють набагато більше синього світла. "Наші очі більш чутливі до синього світла вночі, і синє світло з більшою ймовірністю розсіюється в атмосфері, тому робить більший внесок в освітленність неба", - каже Кіба. "Але єдині супутники, які можуть знімати всю Землю вночі, не чутливі в діапазоні довжин хвиль синього світла".

Фотографії частини міста Калгарі (Канада), зроблені астронавтами, показують приклади зміни освітлення в період з 2010 до 2021 року: Було встановлено нове освітлення, і багато вуличних ліхтарів переведено з помаранчевого натрієвого світла високого тиску на біле світлодіодне. (Примітка: фотографії зроблені з різними налаштуваннями та мають різну просторову роздільну здатність. Тому фотографія 2010 року має дещо яскравіший вигляд. Credit: Зображення надані відділом наук про Землю та дистанційного зондування, Космічний центр НАСА ім. Джонсона, прив′язка до місцевості - GFZ Potsdam

Межі дослідження та подальший потенціал

Однак підхід Цивільної науки також має свої обмеження. Наприклад, кількість учасників з різних регіонів світу визначає значущість просторових і часових тенденцій. Досі найбільшу участь в експерименті брали жителі Північної Америки та Європи, а половина азійського внеску припадає на одну країну: Японію.

"Найбільше даних надходить від тих регіонів Землі, де освітленність неба нині найбільш поширене. Це корисно, але це означає, що ми не можемо багато сказати про зміну освітленності неба в регіонах із невеликою кількістю спостережень", - підкреслює Кіба. Особливо в країнах, що розвиваються, передбачаються швидкі зміни штучної освітленності неба, але спостережень поки мало".

Два висновки: Політика в галузі освітлення й цивільна наука

Дослідники роблять два основних висновки зі своїх результатів: З одного боку, вони показують, що поточна політика в галузі освітлення, така як використання світлодіодів, поки що не призвела до поліпшення ситуації, принаймні на континентальному рівні, незважаючи на зростання обізнаності про світлове забруднення.

"А з іншого боку, ми змогли продемонструвати, що дані Цивільної науки є важливим доповненням до попередніх методів вимірювання", - каже Кіба.

Констанс Волкер додає: "За ширшої участі ми могли б визначити тенденції для інших континентів і, можливо, навіть для окремих штатів і міст". Проєкт триває, тож не соромтеся поглянути сьогодні і дайте нам знати, що ви бачите".

Джерело: GFZ Potsdam