Gimnazjum Klasy I III Doświadczenie konkursowe nr 2 Rok 2017
1. Wstęp teoretyczny Rozwój cywilizacyjny, wprowadzenie sztucznego oświetlenia, wzrost populacji i gęstości zaludnienia spowodował nie tylko zmiany w trybie życia ludzi, ale również utrudnił obserwacje nocnego nieba. O ile jeszcze nieco ponad sto lat temu, w miastach po zmroku można było obserwować gwiaździste niebo, to obecnie trudno dostrzec nawet najjaśniejsze gwiazdy. Sytuacja na przedmieściach czy obrzeżach miast również się pogorszyła. Wprowadzenie oświetlenia dróg spowodowało, że obecnie trudno na terenie Polski czy w innych gęsto zaludnionych obszarach na świecie, znaleźć rejon wolny od sztucznego światła. Zjawisko to zwane jest zanieczyszczeniem świetlnym (Rys.1). Rysunek 1. Przykład zanieczyszczenia światłem. Na obu zdjęciach widoczny ten sam fragment nieba w gwiazdozbiorze Oriona. Po lewej: sytuacja bez zanieczyszczenia, po prawej: z zanieczyszczeniem. Źródło: Wikipedia 1. Utrudnia ono nie tylko prowadzenie obserwacji astronomicznych, ale również zaburza cykl życiowy zwierząt, zwłaszcza tych prowadzących nocny tryb życia. Może prowadzić do bezsenności u ludzi i jest także przejawem niepotrzebnego marnowania energii. Z tego powodu, w ostatnich latach rozwinęły się kampanie mające na celu zmniejszenie tego zanieczyszczenia. Promuje się oświetlenie kierunkowe, nieprowadzące do rozpraszania światła w niepotrzebnych kierunkach. Tworzy się także specjalne rezerwaty, tzw. parki ciemnego nieba, odizolowane od sztucznego oświetlenia, w których można podziwiać nocne niebo znane naszym przodkom. W Polsce istnieją 1 www.wikipedia.pl 2
dwa takie parki: Izerski Park Ciemnego Nieba w Górach Izerskich oraz Park Gwiezdnego Nieba Bieszczady. Nadmierne zanieczyszczenie światłem wpływa negatywnie na możliwość obserwacji astronomicznych z dwóch powodów. Po pierwsze, oświetlenie pochodzące z Ziemi, rozproszone w powietrzu nad danym obszarem, zwiększa jasność tła nieba, przez co trudniej wyróżnić z niego słabe obiekty. Po drugie, nadmierna jasność otoczenia utrudnia adaptację źrenicy oka do warunków ciemności. Wpływ zanieczyszczenia może zależeć od kierunku patrzenia, w przypadku miejsc osłoniętych od sztucznego światła oraz w kierunkach przeciwnych do oświetlenia domów i ulic niebo jest zwykle ciemniejsze i łatwiej prowadzić obserwacje. Aby dokonać porównania, trzeba jeszcze wprowadzić pewna miarę jasności obiektów, które można dostrzec na niebie. Powszechnie stosowaną miarą jest skala wielkości gwiazdowych, zwanych również magnitudo (oznaczanych symbolem m ), pochodząca jeszcze ze starożytności, a uściślona w XIX wieku przez angielskiego astronoma Normana Pogsona. W przypadku obserwacji wzrokowych, system wielkości gwiazdowych jest tak pomyślany, że wielkość gwiazdowa 0 (inaczej: 0 magnitudo, czyli 0 m ) jest przypisana gwieździe Wega (α Lyrae), natomiast obiekty słabsze od Wegi mają większą jasność gwiazdową. Z kolei obiekty jaśniejsze od Wegi (jak np. Słońce, Księżyc, niektóre planety) mają ujemne wartości magnitudo. Podsumowując, im wyższe magnitudo, tym słabiej widoczny jest dany obiekt. W systemie tym, gwiazdy piątej wielkości są 100 razy słabiej widoczne od Wegi. Innymi słowy wzrost o jedną wielkość gwiazdową oznacza spadek jasności gwiazdy o czynnik około 2,5. W idealnych warunkach ciemnego nieba, osoba o normalnej zdolności widzenia jest w stanie dostrzec gołym okiem obiekty o jasności dochodzącej do 6 m. Podobno osoby obdarzone dobrym wzrokiem, w warunkach wysokogórskich, gdzie atmosfera jest rzadsza, są w stanie dostrzec obiekty o jasności nawet 7 m. Niestety, wszechobecne zanieczyszczenie światłem sprawia, że nawet na terenach podmiejskich, maksymalny zasięg widzenia jest o 1-2 magnitudy mniejszy. Na pogorszenie się zasięgu widzenia ma również wpływ obecność Księżyca na nocnym niebie, zwłaszcza w okolicach pełni. Księżyc jest najjaśniejszym obiektem nocnego nieba, o jasności w pełni dochodzącej do -12,7 m. Rozświetla on wówczas swoim blaskiem tło nieba, które staje się jaśniejsze od większości słabych obiektów. W astronomii amatorskiej, w celu określenie zanieczyszczenia światłem, stosuje się tak zwaną "skalę Bortle'a". Jest to skala subiektywna, która polega na określeniu, jakie obiekty na niebie są jeszcze widoczne, a jakie już nie. W tej klasyfikacji, niebo o mierze 9 jest niebem tak zanieczyszczonym, że widać tylko najjaśniejsze gwiazdy. Z kolei niebo o mierze 2 jest niebem czarnym w taką noc nieoświetlone obiekty (jak np. drzewa) są zupełnie niewidoczne. Niebo o mierze 1 jest najciemniejszym niebem osiągalnym na Ziemi. 2. Cel doświadczenia Celem doświadczenia jest określenie stopnia zanieczyszczenia światłem w miejscu wykonywania obserwacji. 3. Opis wykonania doświadczenia Do określenia stopnia zanieczyszczenia światłem można wykorzystać informacje o tym, które gwiazdy na niebie są jeszcze dostrzegalne, a które już nie. Do przeprowadzania takich obserwacji najwygodniejsza jest okolica bieguna niebieskiego z gwiazdozbiorem Małej Niedźwiedzicy (łac. Ursa 3
Minor). W tym doświadczeniu proponujemy gwiazdy z asteryzmu 2 Małego Wozu. Poniżej zamieszczona jest mapka ułatwiająca znalezienie jego najjaśniejszej gwiazdy: Gwiazdy Polarnej (Rys.2). Rysunek 2. Mały Wóz zaznaczony jest żółtymi punktami. Gwiazdę Polarną wskazują dwa inne, bardzo łatwe do znalezienia asteryzmy: Wielki Wóz oraz Kasjopeja (jasna "litera W"). Wczesną wiosną po zachodzie Słońca, Kasjopeja jest bardzo wysoko na niebie, a Wielki Wóz stoi na swoim dyszlu po wschodniej, północno-wschodniej części nieba. Gwiazda Polarna, choć najjaśniejsza w tej konstelacji, nie jest jedyną gwiazdą Małego Wozu widoczną na obrzeżach dużych miast. Obserwując tę okolicę nieba poza miastem, można z łatwością dostrzec, na przykład, dwie ostatnie gwiazdy Małego Wozu β i γ UMi (Rys.3). 2 Charakterystyczny układ gwiazd na niebie, najczęściej podobny do jakiejś postaci bądź obiektu, rozpoznawalny dla obserwatora. 4
Rysunek 3. Fragment nieba pokrywający okolice gwiazdozbioru Małej Niedźwiedzicy (Ursa Minor). Podane nazwy są w języku łacińskim. Trzy najjaśniejsze gwiazdy Małego Wozu to: Gwiazd Polarna (Polaris), β UMi (beta Ursa Minoris) oraz γ UMi (gamma Ursa Minoris). Numery gwiazd odpowiadają numerom w Tabeli 1. Słabsze gwiazdy w Małym Wozie będą widoczne wyłącznie dla obserwatora znajdującego się w miejscu z odpowiednio ciemnym niebem. Im większe zanieczyszczenie światłem, tym mniej słabych gwiazd będzie widać. Stąd sprawdzając, które gwiazdy są widoczne, można określić stopień zanieczyszczenia światłem. W tabeli (Tab.1) zamieszczone są wybrane najjaśniejsze gwiazdy w Ursa Minor. W pierwszej kolumnie znajduje się numer gwiazdy: im gwiazda słabsza, tym posiada dalszy numer. Proponujemy najpierw znaleźć pierwsze trzy gwiazdy. Wszystkie gwiazdy z tabeli są zaznaczone na rysunku (Rys.3). Proszę zwrócić uwagę, że gwiazda numer 11 znajduje się bardzo blisko gwiazdy numer 3 i na rysunku jest zakryta przez plamkę reprezentującą gwiazdę 3. 5
Tabela 1. Lista najjaśniejszych gwiazd w Ursa Minor. Zaobserwuj, które gwiazdy z tabeli są widoczne, a które nie. Przykładowo, jeśli widać gwiazdę δ UMi, ale nie widać już gwiazdy o nazwie 4 UMi, to znaczy, że graniczną wielkością gwiazdową dla obserwatora w danym miejscu i danego dnia jest 4,35 magnitudo. Oznacza to też, że klasa Bortle'a nieba w tym miejscu wynosi 8. Dokonaj obserwacji zarówno w noc z Księżycem wysoko na niebie, jak i w bezksiężycową noc: czy widać różnice w granicznym magnitudo? Uwaga: wydrukuj mapę i tabelę w celu prowadzenia notatek; wykonuj obserwacje w bezchmurną noc; przed obserwacjami odczekaj około 20 minut w ciemności, tak żeby oczy dostosowały się do warunków obserwacji; notatki można prowadzić pod słabym, czerwonym oświetleniem np. na latarkę załóż gruby czerwony materiał. 6