علم نور در آسمان ها بسیار مهم است

علم نور

خورشید منبع اصلی نور ماست.

ناسا

یادگیری بیشتر در مورد علم نور و بینایی انسان به ما کمک می کند تا ارزش و شکنندگی مناظر نور طبیعی را درک کنیم. در طول روز، سطح سیاره در نور خورشید غرق می شود. انرژی موجود در نور خورشید آب و هوا، چرخه آب و اکوسیستم ها را هدایت می کند. اما در شب، در غیاب نور روشن، جو ما شفاف می شود و به ما اجازه می دهد تا فراتر از سیاره خود را به وسعت کیهان ببینیم.

نور قابل مشاهده با چشم انسان بخشی از طیف الکترومغناطیسی است که انرژی تابشی را در کل محدوده مکانیسم های انتشار در بر می گیرد. انرژی تابشی ممکن است دیده شود (نور مرئی)، احساس شود (تابش مادون قرمز یا گرمای منتقل شده از اجسام گرم)، یا در واقع می تواند نفوذ کند (اشعه ایکس) و آسیب فیزیکی به سلول های بدن انسان وارد کند (اشعه گاما یا تابش هسته ای). . تابش انرژی بسیار کم توسط فناوری بشر به عنوان حامل برای ارتباطات (مایکروویو و امواج رادیویی) استفاده می شود. آنچه ما نور مرئی می نامیم، طیف مرئی یا رنگ های رنگین کمان را تشکیل می دهد و نشان دهنده یک نوار بسیار باریک در کل طیف الکترومغناطیسی است. نور آبی و بنفش انرژی بیشتری دارند و طول موج کوتاه تری نسبت به نور نارنجی و قرمز دارند.

دو عملکرد بصری چشم انسان - اسکوتوپیک و فتوپیک - در اینجا رسم شده است که حساسیت را با رنگ نور دریافتی نشان می دهد.

NPS

بینش انسانی

پاسخ چشم انسان بر روی طیف نور مرئی، به اصطلاح تابع درخشندگی یا منحنی فتوپیک را تعریف می کند. اوج این منحنی در رنگ سبز زرد و در طول موج 555 نانومتر (nm) است. منحنی در شرایط بسیار تاریک به سمت رنگ آبی تغییر می کند (به نام اسکوپیک یا سازگار با تیره) به دلیل تفاوت در شیمی سلول های میله ای و مخروطی در شبکیه چشم انسان. دید اسکوتوپی به آبی حساس تر است، اما مغز انسان آن را به عنوان یک تصویر سیاه و سفید درک می کند، زیرا میله ها ابزاری برای تمایز رنگ ندارند. در حالی که دید اسکوپیک در مشاهده آسمان شب و منظره در شب مهم است، اندازه گیری نور (یا نورسنجی) بر اساس دید در روز یا منحنی فتوپیک است.

روشی که ترکیب چشم و مغز انسان نور را درک می کند برای درک زیبایی شناختی کیفیت آسمان شب مهم است. چشم (و سایر وسایل حسی انسان) به طور طبیعی در مقیاس لگاریتمی اندازه گیری می کند، از این رو مقیاس قدر ستاره اولیه لگاریتمی بود. یعنی اجسام نسبت به یکدیگر دیده می شوند، بنابراین اگر چهار جسم در کنار هم با روشنایی واقعی 2، 4، 8 و 16 دیده می شدند، با چشم به صورت 1، 2، 3 و 4 درک می شدند. در روشنایی این پاسخ لگاریتمی به چشم اجازه می دهد تا اجسام کم نور را بدون "پایین" ببیند. کنتراست بصری نیز به صورت غیر خطی دیده می شود. کنتراست نیز به اندازه زاویه ای جسم بستگی دارد.

اندازه گیری نور

انرژی تابشی هم به صورت امواج، با طول موج‌ها و فرکانس‌های قابل اندازه‌گیری، و هم به صورت ذرات یا به‌عنوان «بسته‌های» مجزای انرژی، به نام فوتون برای نور مرئی، رفتار می‌کند. نور را نمی توان در مقادیر کمتر از 1 فوتون منتشر، ارسال یا دریافت کرد و یک فوتون با طول موج خاص حاوی مقدار مجزای انرژی تابشی است. نور با سرعت ثابت ~3×108 ^متر در ثانیه یا 186000 مایل در ثانیه در خلاء حرکت می کند.

نور معمولاً به عنوان شار فوتون، متناسب با تعداد فوتون‌هایی که در ثانیه به چشم انسان برخورد می‌کند یا نورسنج اندازه‌گیری می‌شود. شار فوتون روشنایی نامیده می شود و واحدهای مهندسی آن لوکس (متریک) یا فوت کندل (انگلیسی) هستند؛ هر دو مقیاس خطی هستند. چشم انسان قادر است طیف بسیار وسیعی از شار فوتون را مشاهده کند، از حدود 6 فوتون در ثانیه نور آبی (حدود 10-9 ^لوکس ) تا نور درخشان خورشید که از برف منعکس می شود (حدود 104 ^لوکس )، محدوده ای نزدیک به 10 تریلیون. به یک.

در نجوم، روشنایی در قدرهای بصری اندازه گیری می شود، یک مقیاس لگاریتمی شبیه دسی بل برای اندازه گیری صدا، با این تفاوت که مقیاس بزرگی معکوس است، جایی که اعداد کوچکتر به معنای اجرام درخشان تر است. خورشید دارای قدر بصری -26.7 (با تولید روشنایی 108000 لوکس) در بالای جو زمین است، در حالی که کم نورترین ستارگان قابل مشاهده با چشم انسان بدون کمک نوری تقریباً قدر 7.2 (0.000000003 لوکس) هستند. بنابراین، منابع نوری مجزا را می‌توان بر حسب میزان روشنایی که در محل مشاهده‌گر تولید می‌کنند اندازه‌گیری کرد. فوتون هایی که از منبع خارج می شوند برای انرژی تابشی تابع قانون مربع معکوس هستند. این قانون بیان می کند که انرژی که به ناظر می رسد در مجذور فاصله تا منبع تغییر می کند.

انرژی = شدت / (فاصله از ناظر) ²

بنابراین، دوبرابر کردن فاصله باعث ایجاد یک چهارم روشنایی از همان منبع می شود. اجرام نجومی مانند ستارگان به قدری دور هستند که حتی با حرکت زمین به دور خورشید، روشنایی آنها به طور قابل اندازه گیری تغییر نمی کند. با این حال، درخشندگی سیارات عمدتاً به دلیل قانون مربع معکوس متفاوت است. خورشید و ماه نیز به دلیل تغییر در فاصله از زمین، در معرض تغییرات کوچک اما قابل اندازه گیری در روشنایی ظاهری هستند.

با این حال، منابع نوری روی زمین، مانند لامپ‌های خیابانی، با نزدیک‌تر شدن ناظر به آن‌ها، روشنایی بسیار بیشتری تولید می‌کنند. هنگامی که نور فضای باز در شب از کاربرد مورد نظر خود خارج می شود و مستقیماً مشاهده می شود، تجاوز نور ایجاد می کند که نوعی آلودگی نوری است، به ویژه در منظره طبیعی مانند پارک ملی. این اجسام درخشان حتی در فواصل دور بسیار قابل توجه هستند. به عنوان مثال، یک چراغ خیابان معمولی حدود 5 لوکس روشنایی را بلافاصله در زیر خود (مثلاً در فاصله 5 متری)، در منطقه ای که برای استفاده از آن در نظر گرفته شده، تولید می کند. اگر لامپ بدون حفاظ باشد و نور را به طور مساوی در همه جهات ساطع کند، ناظری در منظره ای که 100 برابر دورتر (500 متر یا ¼ مایل) دورتر است، طبق قانون مربع معکوس توسط لامپ روشن می شود:

انرژی = 5 لوکس / 100 ² = 0.0005 لوکس

این مقدار کمی به نظر می رسد، اما هلال ماه تنها 0.01 لوکس تولید می کند، و سیاره زهره در درخشان ترین حالت خود 0.0001 لوکس روشنایی تولید می کند. بنابراین، این چراغ خیابان بدون حفاظ که از فاصله 500 متری دیده می شود از هر جسم طبیعی در آسمان شب به جز ماه درخشان تر است. همچنین، یک منبع نور کوچک و روشن، انطباق تاریک چشم انسان را مختل می‌کند و توانایی مشاهده‌گر برای لذت بردن از محیط طبیعی شب را بیشتر محدود می‌کند.

تجاوز نور عبارت است از ریختن نور به محیط طبیعی از یک منبع درخشان بدون محافظ یا محافظت نادرست.

NPS / دن دوریسکو

در حالی که روشنایی شار فوتون کل است که به سطح یا چشم انسان برخورد می کند، درخشندگی به روشنایی سطح ظاهری اجسامی اطلاق می شود که اندازه یا زاویه دید قابل مشاهده از دید ناظر دارند. مانیتورهای رایانه و تلویزیون های صفحه تخت اغلب با مقدار حداکثر روشنایی سطح بر حسب nit یا کندلا در هر متر مربع (cd/m2) تبلیغ می ^شوند . مقادیر 500-1000 cd/m ² برای این دستگاه ها رایج است. روشنایی منظره از نور منعکس شده خورشید، ماه یا آسمان شب به بازتاب آن بستگی دارد (مثلاً برف در مقابل سنگ گدازه سیاه) و از حدود 8000 cd/m 2 در نور شدید خورشید تا 0.000001 cd / متغیر ^است . m ² در یک شب بدون ماه.

سطح خورشید همانطور که از زمین دیده می شود دارای قطر ظاهری 0.5 درجه است و درخشندگی آن در حدود 1,600,000,000 cd/m2 ^است . بدون آسیب رساندن به شبکیه به طور مستقیم با چشم انسان قابل مشاهده نیست. برعکس، تاریک‌ترین قسمت آسمان شب طبیعی در شب‌های بدون ماه، «سیاه تاریک» نیست، اما در واقع می‌توان آن را در حدود 0.00017 cd/m2 اندازه‌گیری ^کرد . به‌راحتی برای چشم انسان که با تاریکی سازگار است، درخشان دیده می‌شود، به‌ویژه اگر اشیایی مانند درختان در مقابل آن قرار بگیرند.

در نجوم، درخشندگی ممکن است به صورت قدر بصری در ثانیه قوس مربع بیان شود و 0.00017 cd/m2 ^معادل 22.0 قدر در ثانیه قوس مربع (MSA) است. به یاد داشته باشید که مقیاس بزرگی معکوس و لگاریتمی است: قدر 17.0 در هر ثانیه قوس مربع 100 برابر روشن تر از 22.0 است؛ 12.0 MSA 10000 بار روشن تر از 22.0 MSA است.

راه شیری بر فراز رودخانه سبز در بنای یادبود ملی دایناسورها بالا می رود.

NPS / دن دوریسکو

پراکندگی جو و آلودگی نوری

همچنین ممکن است آسمان در شب به دلیل نور پراکنده شده توسط جو درخشان به نظر برسد. هنگامی که نور از هر محیطی غیر از خلاء عبور می کند، در معرض بازتاب، شکست، پراش و جذب است. اثر ترکیبی این فرآیندها پراکندگی پرتو نور اصلی است. جو شامل مولکول های گازها (مانند نیتروژن، اکسیژن، بخار آب و دی اکسید کربن) و ذرات جامد معلق (مانند گرد و غبار، دوده، نمک ها و رسوبات شیمیایی است که در مجموع آئروسل نامیده می شوند). مقدار و نوع ذرات معلق در هوا، میزان رطوبت موجود در هوا و ارتفاع از سطح دریا متغیرهای اولیه تعیین کننده پراکندگی هستند. حتی هوای کاملاً صاف در ارتفاع بالا نور را تا حدودی پراکنده می کند. پراکندگی نور خورشید توسط مولکول های هوا به آسمان روز رنگ آبی می دهد.

پیاده روی مهتابی در مسیر جان مویر در پارک ملی کینگز کانیون.

مسافر نشنال جئوگرافیک / دیمیتری الکساندر

در شب، درخشندگی هوا را skyglow می نامند. منابع طبیعی درخشش آسمان وجود دارد، مانند شفق قطبی (نورهای شمالی)، درخشش هوای مایل به سبز (درخشش ضعیفی از اتمسفر بالای جو اغلب شب‌ها)، پراکندگی نور ماه، سیارات، و ستارگان؛ و نور زودیکال. یک نوار نور در امتداد زودیاک که بخشی از منظومه شمسی ما است). این منابع طبیعی معمولا ضعیف هستند. با این حال، اگر منبع نور ناشی از انسان باشد، مانند یک شهر بزرگ با هزاران لامپ خیابانی، درخشش آسمان حاصل از پراکندگی این نور نوعی آلودگی نوری است که با کاهش تضاد بین اجرام کم نور فرازمینی، دید آسمان شب را تخریب می کند. و پس زمینه، فضای درخشان.

حتی اگر ناحیه آسمان در نزدیکی Zenith نسبتاً عاری از نور پراکنده انسانی (ناشی از انسان) باشد، مناطق نزدیک به افق ممکن است درخشان به نظر برسند یا گنبدهای نوری منفرد از شهرهای دور دیده شوند. در یک منطقه حفاظت شده طبیعی مانند یک پارک ملی، این مناطق روشن یک آسیب قابل اندازه گیری یا انحراف از شرایط طبیعی ایجاد می کنند. مدل‌ها و اندازه‌گیری‌های روشنایی گنبدهای نور شهر، رابطه‌ای بین آن‌ها، جمعیت شهر و فاصله مرکز شهر تا ناظر را آشکار کرده است که به قانون واکر معروف است. این فرمول عمدتاً از مشاهدات واقعی مشتق شده است، این فرمول ممکن است درخشش انسان زایی آسمان را در یک نقطه مشخص در آسمان بالای شهر پیش بینی کند:

L = C x جمعیت x (فاصله) ^-2.5

ثابت C به واحدهای روشنایی استفاده شده و سرانه "نور فرار" شهر بستگی دارد. اندازه‌گیری‌ها نشان داده‌اند که برخی از شهرها، نور کمتری نسبت به سایر شهرها تولید می‌کنند. این یک نگرانی مهم در حفاظت از آسمان طبیعی شب است.

گنبدهای نورانی از شهرها در فواصل مختلف از کوه دلنباگ، بنای یادبود ملی پاراشانت گراند کنیون، 2007.

NPS

برای ناظر بصری، ویژگی های خاصی از ظاهر آسمان شب وجود دارد که ممکن است برای تعیین کیفیت آن استفاده شود. تعداد ستارگان قابل مشاهده یا به طور صحیح تر "قدر محدود بصری در نقطه زنیت" یا ZLM یکی از متداول ترین موارد ذکر شده است. ستارگان کم نور به سختی دیده می شوند و نیاز به انطباق با تاریکی مناسب و استفاده از دید بازدارنده برای به حداکثر رساندن حساسیت چشم انسان دارند. ستارگان قدر 6.0-6.3 اغلب به عنوان آزمایش آسمان تاریک مورد استفاده قرار می گیرند، اما تجربه نشان داده است که ستارگان 2 تا 3 برابر کم نورتر در قدر 7.0-7.5 می توانند توسط ناظران ماهر در بهترین شرایط مشاهده شوند. بنابراین، این روش دارای حاشیه خطای زیادی در سایت های تاریک است. با این حال، در مناطقی که مقادیر قابل توجهی از درخشش آسمان در اوج وجود دارد، استفاده از آن بسیار ساده‌تر است، زیرا تعداد ستاره‌های درخشان‌تر کم است و تشخیص آن بسیار آسان‌تر است.

تلاشی برای ترکیب تعدادی از شاخص‌های کیفیت آسمان در مقیاس آسمان تاریک بورتل انجام شده است که کیفیت آسمان را در فواصل 1 تا 9 رتبه‌بندی می‌کند، جایی که 1 بکر است و 9 نشان‌دهنده آسمانی است که تحت سلطه نور انسان‌زایی (ناشی از انسان) است که در آن فقط درخشان ترین دوجین ستاره و سیاره ممکن است دیده شود. تنها چند منطقه در 48 ایالات متحده، آسمان های کلاس 1 یا 2 را نمایش می دهند. کیفیت آسمان در بسیاری از پارک های ملی غربی به کلاس 3 یا 4 تنزل یافته است. آسمان های کلاس 5 و بالاتر در یا نزدیک مناطق بزرگ شهری مشاهده می شوند.

یک منظره استثنایی از آسمان شب (کلاس بورتل 1 یا 2) ممکن است در شب هایی که آب و هوا، شفافیت اتمسفر و عدم وجود نور انسانی ترکیب می شوند و شرایط مشاهده مطلوب را ایجاد می کنند، به دست می آید. مکان های خاصی در جهان که این ویژگی ها را دارند توسط ستاره شناسان حرفه ای جستجو شده اند. در اوایل دهه 1900، کوه های ساحلی کالیفرنیا به سه رصدخانه اصلی تبدیل شد: رصدخانه لیک در نزدیکی سن خوزه، رصدخانه کوه ویلسون در نزدیکی لس آنجلس و رصدخانه پالومار در نزدیکی سن دیگو. نه تنها شب‌های بدون ابر فراوانی وجود داشت، بلکه هوای ارتفاعات عاری از آلاینده بود و «دیدن» استثنایی داشت (منظره ستاره‌ها واضح و بدون اعوجاج است).

دو رصدخانه بزرگ مقایسه شدند، کوه پالومار، کالیفرنیا در سال 2006، و ماونا کی، هاوایی در سال 2011.

NPS

همانطور که جمعیت کالیفرنیا به سرعت افزایش یافت، آلودگی نوری نیز افزایش یافت و به شدت مفید بودن این رصدخانه ها را کاهش داد. اخترشناسان به سمت کوه های بلند دورافتاده شیلی و قله Mauna Kea در جزیره هاوایی عقب نشینی کردند. Mauna Kea در ارتفاع 13796' (4175 متری) قرار دارد و این تلسکوپ ها را بسیار بالاتر از اکثر آئروسل های جوی (ذره کوچک معلق در هوا) قرار می دهد. همچنین، دارای برخی از بهترین دیدهای جوی در هر مکان است، اگرچه در حالی که ابزارها در چنین ارتفاعات به خوبی کار می کنند، کمبود اکسیژن توانایی ناظران انسانی را برای دیدن اجسام کم نور در شب کاهش می دهد.