Видимость звезд на ночном небе снижается быстрее, чем считалось

Люди во всем мире видят все меньше и меньше звезд на ночном небе. Изменение видимости звезд можно объяснить увеличением яркости неба на 7-10% ежегодно.

Новое исследование, опубликованное в журнале Science, пришло к выводу, что темпы изменения быстрее, чем можно было бы предположить по результатам спутниковых измерений искусственного светового излучения на Земле.

Это исследование проведено группой под руководством Кристофера Киба из Немецкого исследовательского центра геонаук GFZ и Рурского университета Бохума с коллегами из GFZ и лаборатории NOIRLab Национального научного фонда США.

Они проанализировали более 50 000 наблюдений невооруженным глазом, проведенных гражданскими учеными во всем мире с 2011 до 2022 года в рамках проекта "Глобус ночью". Результаты показывают, что данные гражданских ученых являются важным дополнением к предыдущим методам измерения.

Фон светового загрязнения

На значительной части земной поверхности небо продолжает светиться в искусственном полумраке еще долгое время после захода солнца. Эта "освещённость неба" - одна из форм светового загрязнения, которая имеет серьезные последствия для окружающей среды и поэтому должна быть в центре внимания исследователей, как подчеркивает Констанс Волкер, соавтор исследования и руководитель проекта "Глобус ночью" в NOIRLab с момента его создания.

Ведь многие формы поведения и физиологических процессов живых существ определяются суточными и сезонными циклами, а следовательно, зависят от света. "Освещённое небо влияет как на дневных, так и на ночных животных, а также разрушает важную часть нашего культурного наследия, - говорит Волкер. Вид ночного неба меняется, что негативно сказывается на наблюдении за звездами и астрономии.

Credit: NOIRLab

Необходимость в соответствующих методах измерения

Изменение освещения неба во времени ранее не измеряли в глобальном масштабе. Хотя в принципе его можно было бы измерить с помощью спутников, единственные имеющиеся датчики, которые следят за всей Землей, не имеют достаточной точности и чувствительности.

Поэтому перспективным подходом является использование наблюдательной способности людей, которые используют человеческий глаз как датчик, и при этом - в рамках экспериментов Гражданской науки - полагаться на силу толпы. Проект "Глобус ночью", инициированный NOIRLab, осуществляется с 2006 года. В этом проекте могут участвовать люди со всего мира.

Гражданская наука

Участники смотрят на свое ночное небо, а затем сообщают, какая из восьми звездных карт лучше всего соответствует тому, что они видят, используя онлайн-форму. Каждая диаграмма показывает небо при разных уровнях светового загрязнения.

Влияние светового загрязнения 2: От отличного темного неба (слева) до неба внутри города (справа). Credit: NOIRLab/NSF/AURA, P. Marenfeld

"Вклад отдельных людей работает вместе, как глобальная сенсорная сеть, делая возможным новую науку", - говорит Кристофер Киба. Вместе со своим коллегой из GFZ Йигитом Энером Алтинтасом, а также Констанс Э. Волкер и Марком Ньюгаусом из NOIRLab он проанализировал данные 51 351 участника со всего мира, полученные в безоблачные и лунные ночи в период с 2011 по 2022 год. Они были получены из 19 262 точек по всему миру, включая 3 699 точек в Европе и 9 488 точек в Северной Америке.

Чтобы рассчитать скорость изменения освещённости неба на основе этих данных и учесть, что наблюдатели также находились в разных местах в течение нескольких лет, они использовали глобальную модель яркости неба, основанную на спутниковых данных 2014 года.

Удивительные выводы

"Скорость, с которой звезды становятся невидимыми для людей в городской среде, драматична", - резюмирует Кристофер Киба, ведущий автор работы. Исследователи обнаружили, что изменение количества видимых звезд можно объяснить увеличением освещённости ночного неба. В Европе они обнаружили увеличение освещённости на 6,5% в год, что соответствует данным; в Северной Америке - на 10,4%.

Чтобы поместить эти цифры в более понятный контекст, Киба объясняет, какие последствия может иметь наблюдение звезд в месте с увеличением освещённости на 9,6% в год, что было средним показателем для всех мест по всему миру. "Если развитие будет продолжаться такими темпами, то ребенок, родившийся в месте, где видно 250 звезд, к своему 18-летию сможет увидеть там только 100 звезд".

Исходя из более медленного роста восходящих выбросов, наблюдаемого в спутниковых данных, исследователи были удивлены скоростью развития освещённости неба. Фактически, для мест, где находились наблюдатели, искусственная яркость, измеренная спутником, немного уменьшилась (на 0,3% в год в Европе, на 0,8% в Северной Америке).

Причины разницы между измерениями с Земли и из космоса

Кристофер Киба считает, что разница между человеческими наблюдениями и спутниковыми измерениями, вероятно, связана с изменениями в практике освещения. "Спутники наиболее чувствительны к свету, направленному вверх к небу. Но именно горизонтально излучаемый свет составляет большую часть освещённости неба", - объясняет Киба. "Поэтому, если реклама и фасадное освещение станут более частыми, большими или яркими, они могут сильно повлиять на освещённость неба, не оказывая существенного влияния на спутниковые снимки".

Еще одним фактором, на который ссылаются авторы, является повсеместный переход от оранжевых натриевых ламп к белым светодиодным лампам, которые излучают гораздо больше синего света. "Наши глаза более чувствительны к синему свету ночью, и синий свет с большей вероятностью рассеивается в атмосфере, поэтому вносит больший вклад в освещённость неба", - говорит Киба. "Но единственные спутники, которые могут снимать всю Землю ночью, не чувствительны в диапазоне длин волн синего света".

Фотографии части города Калгари (Канада), сделанные астронавтами, показывают примеры изменения освещения в период с 2010 по 2021 год: Было установлено новое освещение, и многие уличные фонари были переведены с оранжевого натриевого света высокого давления на белый светодиодный. (Примечание: фотографии сделаны с разными настройками и имеют разное пространственное разрешение. Поэтому фотография 2010 года имеет несколько более яркий вид. Credit: Изображения предоставлены отделом наук о Земле и дистанционного зондирования, Космический центр НАСА им. Джонсона, привязка к местности - GFZ Potsdam

Пределы исследования и дальнейший потенциал

Однако подход Гражданской науки также имеет свои ограничения. Например, количество участников из разных регионов мира определяет значимость пространственных и временных тенденций. До сих пор наибольшее участие в эксперименте принимали жители Северной Америки и Европы, а половина азиатского вклада приходится на одну страну: Японию.

"Больше всего данных поступает от тех регионов Земли, где освещённость неба сейчас наиболее распространено. Это полезно, но это означает, что мы не можем много сказать об изменении освещённости неба в регионах с небольшим количеством наблюдений", - подчеркивает Киба. Особенно в развивающихся странах предполагаются быстрые изменения искусственной освещённости неба, но наблюдений пока мало".

Два вывода: Политика в области освещения и гражданская наука

Исследователи делают два основных вывода из своих результатов: С одной стороны, они показывают, что текущая политика в области освещения, такая как использование светодиодов, пока что не привела к улучшению ситуации, по крайней мере на континентальном уровне, несмотря на рост осведомленности о световом загрязнении.

"А с другой стороны, мы смогли продемонстрировать, что данные Гражданской науки являются важным дополнением к предыдущим методам измерения", - говорит Киба.

Констанс Волкер добавляет: "При более широком участии мы могли бы определить тенденции для других континентов и, возможно, даже для отдельных штатов и городов". Проект продолжается, поэтому не стесняйтесь взглянуть сегодня и дайте нам знать, что вы видите".

Источник: GFZ Potsdam