محققان با بهره‌گیری از تصاویر ماهواره‌ای، ماهیت هاله نورانی نزدیک شهرها را بررسی می‌کنند

کنترل آلودگی نوری از مدار زمین

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 ۱۳۴۰ شمسی/ ۱۹۶۱ میلادی به‌ عنوان اولین انسانی که راهی فضا شد، جان گِلِن، اولین فضانورد آمریکایی بود که در مدار زمین قرار گرفت.

کد خبر: ۱۳۰۳۲۲۶

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

مسلما آنچه جان گلن و مردم شهر پرت آن زمان نمی‌دانستند، 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 نگران‌کننده خطرات این نورپردازی‌های غیراصولی و غیراستاندارد بر گونه‌های گیاهی و جانوری خبر می‌دهند؛ تاثیر مهم آلودگی نوری در انقراض جهانی حشرات، تهدید حیات گونه‌های جانوری مثل مهاجرت پرندگان و لاک‌پشت‌ها و ارتباطش با مشکلات مختلف بر سلامتی انسان‌ها در جریان مطالعات مختلف اثبات شده است.

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

تا به امروز تصور می‌شد اندازه‌گیری آلودگی نوری فقط با ابزارهای زمینی امکان‌پذیر است اما نتایج مطالعه‌ای جدید نشان می‌دهد این اندازه‌گیری از فضا نیز امکان‌پذیر است.

در دهه ۱۳۵۰ شمسی/ ۱۹۷۰میلادی، پرتاب ماهواره‌ها به فضا به همراه ابزارهای لازم برای ثبت نور جهان در قسمت شب زمین آغاز شد؛ قابلیتی که در ابتدا به‌صورت محرمانه در اختیار ارتش آمریکا بود اما در اوایل دهه ۱۳۷۰/ ۱۹۹۰ برنامه ماهواره‌ای پدافند هوایی (DMPS) از شکل محرمانه خارج شد و عکس‌های زمین در شب در دسترس پژوهشگران غیرنظامی نیز قرار گرفت.

در سال‌های بعد ماهواره‌های دیگری، از بزرگ‌ترین رصدخانه‌های زمینی تا تاسواره‌های (Cubesats) گران‌قیمت، مناظری با جزئیات بیشتر از جهان در شب ثبت کرده‌اند. اما با وجود گذشت چند دهه از تاریخ شروع پروازهای فضایی، دانشمندان به‌تازگی پی برده‌اند آنچه ماهواره‌ها از زمین مشاهده می‌کنند، می‌تواند تمام داستان تاثیرات نورهای ساخته دست بشر در شب را تعریف کند.

چالش‌های سنجش آلودگی نوری

آلودگی نوری مسأله‌ای است جهانی که همه کشورهای روی زمین آن را لمس کرده‌اند اما زمین سیاره بزرگی است که اندازه‌گیری‌های ناکافی روی آن مانع درک بهتر و جلب توجه ما به این مشکل شده است؛ هرچند به‌خوبی متوجه افزایش روشنایی آسمان شب شده‌ایم.

به‌طور مرسوم آلودگی نوری و آسمان‌تاب روی زمین با دستگاهی مثل فوتومتر اندازه‌گیری می‌شود که داده‌های به‌دست آمده از آن فقط برای یک منطقه است؛ این محدودیتی است که اجازه تهیه نقشه‌ای کامل از تاثیرات دقیق آلودگی نوری برای منطقه‌ای بزرگ را نمی‌دهد.

ناهمواری زمین، بی‌ثباتی‌های سیاسی و از بین رفتن زیرساخت‌ها در بلایای طبیعی نیز از جمله دلایلی است که چرا به آسانی ابزارهای اندازه‌گیری را هر جا بخواهیم نمی‌توانیم قرار دهیم.

امکان استفاده از داده‌های ماهواره‌ای برای بررسی نورهای مصنوعی در شب پیشرفت بزرگی است که به دانشمندان امکان می‌دهد تا به داده‌هایی که مساحت زیادی از زمین را پوشش می‌دهند دسترسی داشته باشند و در زمان‌شان صرفه‌جویی کنند.

ماهواره‌های سنجش از دور، نقش اساسی در درک ما از مقدار و پخش آلودگی نوری در سراسر جهان داشته‌اند.

اولین اطلس جهانی از روشنایی مصنوعی آسمان شب در سال ۱۳۸۰ شمسی /۲۰۰۱ میلادی، نمای جامعی از زمین در شب بود که از مقدار قابل توجه گسترش آلودگی نوری در جهان شب خبر می‌داد.

با پیشرفت فناوری ماهواره‌های سنجش از راه دور، این اطلس در سال ۱۳۹۵/۲۰۱۶ با تفکیک‌پذیری بهتری از زمین و افزایش حساسیت به نورهای ضعیف، به‌روزرسانی شد.

اطلس جدید، با اولین پیش‌بینی‌های رسمی از میزان روشنایی آسمان شب زمین همراه بود. به کمک این داده‌ها و تحلیل‌های عمیق، روند 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 ماهواره‌ها قصد دارند به ما بگویند سخت است؛ به‌علاوه این‌که بتوانیم به درک درستی برسیم هم حیاتی است. برای مثال اگر بخواهیم بدانیم یک آشکارساز در مدار دقیقا چه مقدار نور دریافت می‌کند، نه‌تنها باید بدانیم در آزمایشگاه چگونه کار می‌کند، بلکه باید بفهمیم وقتی در فضا قرار می‌گیرد هم عملکردش چگونه است. بنابراین کار چالش‌برانگیزی پیش‌روست.

پایین ‌بودن تفکیک‌پذیری آنچه از مدار مشاهده می‌کنیم نیز تا حدی عذاب‌آور است. در بهترین حالت فقط می‌توانیم منابع نوری را تا سطح یک بلوک شهری جدا کنیم (با فرض این‌که تصاویر را فضانوردان از داخل ایستگاه بین‌المللی فضایی گرفته باشند) و جدا کردن منابع منفردی که در فاصله کمی از هم هستند، سخت است.

سال‌ها تفسیر اشتباه از داده‌های ماهواره‌ای

چالش همیشگی سنجش نور شب ماهواره‌های سنجش از دور، هاله نوری است که خارج و اطراف شهرها دیده می‌شود.

آیا این نور واقعی است یا نتیجه خطای ابزار اپتیکی یا الکترونیکی دوربین‌های ماهواره است؟ نزدیک به ۳۰ سال تصور می‌شد که این هاله نتیجه نور بسیار روشن شهرهاست و این خطا مربوط به سنسور و اثر درخششی (blooming) است که در سی‌سی‌دی دوربین هنگام عکاسی از یک منبع نوری شدید، رخ می‌دهد اما مطالعات جدید ادعا می‌کنند این هاله، نور واقعی شهرهاست که تا ارتفاع نزدیک به مدار ماهواره‌ها پراکنده می‌شود و باید در مدل‌سازی‌ها وارد شود.

در شب منابع نوری که جهت‌شان به سمت آسمان باشد یا نوری که از سطح زمین بازتاب می‌شود، از اتمسفر عبور کرده و با برخورد به مولکول‌های هوا و آئروسل‌ها در همه جهات جو زمین پخش می‌شود و باعث ایجاد هاله‌ای نورانی در آسمان می‌شود که ما از زمین آن را به صورت روشنایی آسمان می‌بینیم.

در‌حالی‌که در فضا هاله‌ای از نور پخش شده است و این هاله نورانی «آسمان‌تاب» نامیده می‌شود.
سهم عمده آسمان‌تاب مربوط به چراغ‌هایی 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 می‌شود.

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 چشم‌پوشی از انحنای جزئی زمین).

این دو اثر باعث می‌شود حاشیه شهرها به‌صورت نسبی و هاله‌مانند، روشن به نظر برسد. نوری که در گذشته به عنوان خطای ابزاری تفسیر می‌شد اما امروز می‌بینیم این‌طور نیست.

برای تشخیص نورهای پراکنده شده در اتمسفر به عکس‌هایی با نورپردازی طولانی‌مدت نیاز است. اما گرفتن چنین عکس‌هایی در ایستگاه فضایی که با سرعت ۲۸ هزار کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کند، آسان نیست.

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

به این ترتیب عکس شهری که از آن عکاسی می‌شود تک‌فریم و با نوردهی طولانی خواهد بود. این دوربین را در عکس بالا - چپ همین صفحه می‌بینید.

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 داده‌های ۲۴ 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 پیش‌بینی شده است، زیرا پیش‌بینی‌ها بر‌اساس مدل‌هایی بودند که شکل جغرافیایی منطقه را در‌نظر نگرفته بود. کوه‌های La Morcuera همچون دروازه‌ای مانع از رسیدن آلودگی نوری شهر مادرید می‌شوند.

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 نمی‌توان به‌دست آورد.

در سمت راست نیز تابش از سطح دریاچه دیده می‌شود که هر‌چه از شهر فاصله می‌گیریم، کمتر می‌شود.

درحالی که می‌دانیم 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 کرده‌ایم. اما اگر این نور واقعی و یک نور مصنوعی باشد، نور آن منطقه کمتر از واقعیت محاسبه شده بوده و سبب می‌شود این مناطق روی زمین تاریک‌تر از آنچه واقعا است، به نظر برسد.

چرا این نتایج مهم هستند؟

تصاویر رادیومتری که از فضا گرفته می‌شود، تغییرات پخش آسمان‌تاب در شهرها را رصد می‌کنند. همان‌طور که جمعیت شهرها به‌خصوص در کشورهای در حال توسعه بیشتر می‌شود، بررسی‌ها نشان می‌دهد آلودگی نوری سریع‌ترین رشد را در این کشورها دارد. به‌کمک داده‌های ماهواره‌ای می‌توانیم تهدیدهای حاصل از گسترش آلودگی نوری را بدون نیاز به تکیه بر مشاهده‌های زمینی، بهتر تخمین بزنیم.

به علاوه نقشه‌های دقیق‌تری از روند روشنایی آسمان شب در هر منطقه می‌توان داشت. با توجه به این نتایج پژوهشگران اپلیکیشن جدیدی که فعلا در مرحله بتا است را عرضه کرده‌اند که می‌تواند روشنایی آسمان و تغییرات آن را در خارج از مناطق شهری با اندازه‌گیری‌های مستقیم و نه داده‌هایی که مدل‌های تئوری را پیش‌بینی می‌کنند، به‌دست آورد.

نتایج این پروژه، خبری خوب برای کسانی است که اثرات نور مصنوعی شبانه را بررسی می‌کنند و دیگر لازم نیست کیلومترها برای اندازه‌گیری آسمان‌تاب از شهرها فاصله بگیرند.

اثر کووید ۱۹ بر هاله نورانی شهرها

بررسی‌ها نشان می‌دهد که قرنطینه و فاصله‌گذاری اجتماعی برای کاهش شیوع کووید ۱۹، در تغییر این هاله نیز موثر بوده است.

روشنایی آسمان شب بستگی به آئروسل‌های معلق در هوا و پخش نور مصنوعی دارد. در طول مدت قرنطینه، آلودگی هوا با توجه به کاهش فعالیت‌های انسانی به‌شدت کاهش یافت.