Aktuálny výskum zverejnený v časopise Nature Astronomy ukazuje, že mnohé bežne používané modely sú zrejme zaťažené systematickou chybou.
Ilustračný obrázok. Zdroj: iStockphoto.com
Svetelné znečistenie je alarmujúcim globálnym environmentálnym problémom, ktorý sa viaže na pozemné zdroje umelého svetla a je výrazne ovplyvnený rozptylom svetla v atmosfére. Takmer vo všetkých monitorovaných regiónoch vykazuje rastúci trend, no všade tam, kde chýbajú priame merania, sa musíme spoliehať iba na modely.
Nový výskum zverejnený v prestížnom časopise Nature Astronomy ukazuje, že mnohé bežne používané modely sú pravdepodobne zaťažené systematickou chybou a doterajšie predpovede mohli byť tendenčne podhodnotené.
Rozptyl svetla je často popisovaný pomocou dobre známej Mieho teórie. Ide o jednoduché riešenie pre sférické častice umožňujúce rýchle numerické výpočty aj na osobných počítačoch. Slovenský tím však ukázal, že predpovede založené na Mieho teórii nezodpovedajú reálnym podmienkam pozorovaným v atmosfére.
„Mieho teória je veľmi užitočný nástroj na pochopenie zmien jasu v smere k zdroju svetla, ale nie je vhodný pre presnú kvantifikáciu ani pre modelovanie jasu v ostatných smeroch pozorovania. Rozptyl svetla na reálnych časticiach sa výrazne líši od toho, čo predpovedá Mieho teória. Široké spektrum tvarov častíc atmosférického aerosólu tak spôsobuje tendenčný rozdiel medzi modelom a skutočnou hodnotou jasu nočnej oblohy,“ povedal Miroslav Kocifaj zo Slovenskej akadémie vied a z Univerzity Komenského, ktorý štúdiu viedol.
„To umocnilo našu motiváciu stanoviť veľkosť tohto efektu pre častice bežne sa vyskytujúce v prostredí atmosféry. Naše predbežné výpočty pomocou vysoko presného simulátora vyvinutého na SAV ukázali, že účinky tvaru častíc na jas oblohy sa kumulujú v zenite, pričom monitorovacie siete práve zaznamenávajú zenitový jas. Táto skutočnosť ešte znásobila pochybnosti o správnosti doterajšej interpretácie celosvetových dát jasu oblohy,“ hovorí vedec.
Publikovaný výsledok je užitočný pre vyhodnotenie svetelného znečistenia na miestach, kde sú priame merania nepraktické, ale podporuje aj úsilie o pochopenie premenlivosti úrovní svetelného znečistenia a boj proti jeho účinkom.
Tvar je dôležitý
Isté množstvo umelého svetla vyžarovaného v noci zo zemského povrchu smeruje nad horizont a interaguje so zložkami atmosféry, pričom časť sa vracia späť vo forme rozptýleného svetla a pozorujeme ho ako „žiaru oblohy“. Presvetlenie oblohy môže výrazne zhoršovať podmienky pre astronomické pozorovania alebo ich celkom znemožniť a negatívne ovplyvňuje i prirodzené nočné prostredie.
Konvenčný spôsob modelovania jasu nočnej oblohy predpokladá, že vypočítaný jas závisí skôr od objemu či veľkosti aerosólových častíc než od ich tvaru, a preto namiesto realistických morfológií pracuje s idealizovaným modelom častíc sférického tvaru. Výrazne to zjednodušuje a urýchľuje výpočet, čo je veľmi dôležité pri hromadných výpočtoch, nevyhnutných pre stanovenie rozsahu úrovní svetelného znečistenia za rôznych atmosférických podmienok. Model sférických častíc funguje dobre v mnohých situáciách, no má určité nedostatky. Fyzika rozptylu svetla naznačuje, že obloha môže byť v rôznych jej častiach v závislosti od tvaru častíc silne premenlivá.
Kocifaj a jeho spolupracovníci získali veľmi odlišné výsledky pre častice realistických tvarov, teda práve také, ktoré sa nachádzajú v prízemnej atmosfére. Práca ukázala, že predikčné modely založené na Mieho teórii systematicky podhodnocujú jas nočnej oblohy v zenite, a to až 2,5-násobne. Sférické častice totiž rozptyľujú svetlo s najnižšou efektivitou akurát v oblasti bočného rozptylu (t. j. pre uhly 80 – 120°) a tento efekt súvisiaci s interferenčnými javmi je pozorovateľný pre široké spektrum rozmerov častíc. Prejavuje sa preto tiež v prirodzených podmienkach pri pestrej skladbe aerosólových častíc vznášajúcich sa v ovzduší.
Meranie jasu nočnej oblohy
Jav uvedený v štúdii je najsilnejší v blízkosti zenitu, teda bodu na oblohe priamo nad hlavou. Najdôležitejšie sú práve modely jasu v zenite, keďže väčšina meraní oblohy sa vykonáva v tomto smere.
V mnohých častiach sveta je však ťažké získať priame merania jasu oblohy. Satelitné údaje z týchto miest ale naznačujú, že svetelné znečistenie rastie najrýchlejšie akurát tam. Niekedy sú jediné informácie, ktoré sú pre tieto oblasti k dispozícii, práve tie odvodené z modelov.
Jasová mapa nočnej oblohy pre realistické častice nepravidelných tvarov (vľavo) a pre rovnako veľké sférické častice (vpravo). Zenit sa nachádza v strede každého obrázka; horizont je na okraji. Farebná škála nereprezentuje skutočný vizuálny vnem, ale bola zvolená na lepšie zobrazenie úrovní jasu na oblohe. Údaje sú v logaritmickej mierke. Model sférických častíc predpovedá oveľa tmavšiu nočnú oblohu v okolí zenitu. Zdroj: Nature Astronomy/Kocifaj
Vo svete sú inštalované zariadenia na meranie jasu oblohy v rámci monitorovacích sietí, avšak správna interpretácia meraní vyžaduje pochopenie miestnych atmosférických podmienok. Výskyt častíc iného zloženia a tvarov (t. j. častíc iného pôvodu) nad miestom merania môže spôsobiť, že nočná obloha bude jasnejšia alebo tmavšia, a to aj v prípade, keď sa svetelné emisie z pozemných zdrojov nijako nezmenia.
Rýchlejšie, lepšie a užitočnejšie
Kocifaj a jeho tím v publikovanej práci ukázali, ako ich prístup môže spresniť súčasné modely a zároveň skrátiť výpočtový čas potrebný na predpoveď úrovne svetelného znečistenia. Pomocou aproximácie matematicko-fyzikálneho modelu rozptylu svetla na nepravidelných časticiach získali výsledky, ktoré dostatočne dobre reprodukujú skutočné merania jasu oblohy.
Nové riešenie zohľadnením rôznorodosti častíc nachádzajúcich sa najmä v mestách a ich blízkosti zásadne zlepší úspešnosť doterajších predpovedí. Priemysel či doprava produkujú častice výrazne odlišné od prirodzeného aerosólu. Vzhľadom na citlivosť jasu v súvislosti s typom znečisťujúcich prímesí je preto nevyhnutná aj lepšia presnosť modelovania.
„Produkcia častíc môže byť úplne náhodná alebo môže selektívne podporovať niektoré typy tvarových distribúcií,“ vysvetlil Kocifaj. „Správne pochopenie fyziky častíc pre miestne zdroje znečistenia teda môže pomôcť zlepšiť predikčné modely jasu nočnej oblohy.“
Členovia tímu dúfajú, že výsledok ich práce ovplyvní miestne autority, ktoré primárne vychádzajú z predstavy, že úroveň svetelného znečistenia možno znižovať iba zmenou parametrov svetelných zdrojov v mestách a obciach. Jas nočnej oblohy však možno ovplyvňovať aj redukciou množstva pevných častíc v ovzduší, predovšetkým tých, ktoré vykazujú vysokú efektivitu rozptylu svetla v oblasti uhlov 80 – 120°. Rýchle a presné modely môžu v tomto smere pomôcť kompetentným s rozhodovacou právomocou pochopiť dôsledky výberu osvetlenia vo vzťahu k prevládajúcemu typu znečistenia v danej lokalite.
Zdroj: Nature astronomy
(Miroslav Kocifaj, af)
