Wenn wir mehr über die Wissenschaft des Lichts und des menschlichen Sehens erfahren, können wir den Wert und die Zerbrechlichkeit natürlicher Lichtlandschaften besser verstehen. Tagsüber wird die Oberfläche des Planeten in Sonnenlicht getaucht. Die Energie des Sonnenlichts treibt das Wetter, den Wasserkreislauf und die Ökosysteme an. Aber nachts, wenn kein helles Licht vorhanden ist, wird unsere Atmosphäre transparent und ermöglicht uns den Blick über unseren Planeten hinaus in die Weiten des Kosmos.
Für das menschliche Auge sichtbares Licht ist ein Teil des elektromagnetischen Spektrums, das Strahlungsenergie über die gesamte Bandbreite der Ausbreitungsmechanismen umfasst. Strahlungsenergie kann sichtbar (sichtbares Licht), spürbar (Infrarotstrahlung oder von warmen Objekten übertragene Wärme) oder tatsächlich eindringen (Röntgenstrahlen) und physische Schäden an den Zellen des menschlichen Körpers verursachen (Gammastrahlen oder Kernstrahlung). . Strahlung sehr niedriger Energie wird von der menschlichen Technologie als Träger für Kommunikation (Mikrowellen und Radiowellen) verwendet. Was wir sichtbares Licht nennen, bildet das sichtbare Spektrum oder die Farben des Regenbogens und stellt ein sehr schmales Band im gesamten elektromagnetischen Spektrum dar. Blaues und violettes Licht enthalten mehr Energie und haben eine kürzere Wellenlänge als oranges und rotes Licht.
Menschliche Vision
Die Reaktion des menschlichen Auges auf das sichtbare Lichtspektrum definiert die sogenannte Leuchtkraftfunktion oder photopische Kurve. Der Höhepunkt dieser Kurve liegt im Gelbgrün bei einer Wellenlänge von 555 Nanometern (nm). Unter sehr dunklen Bedingungen (sogenannte skotopische oder dunkeladaptierte Bedingungen) verschiebt sich die Kurve in Richtung Blau, da sich die Chemie der Stäbchen- und Zapfenzellen in der menschlichen Netzhaut unterscheidet. Das skotopische Sehen ist empfindlicher gegen Blau, wird vom menschlichen Gehirn jedoch als Schwarzweißbild wahrgenommen, da die Stäbchen nicht über die Möglichkeit verfügen, Farben zu unterscheiden. Während das skotopische Sehen für die Beobachtung des Nachthimmels und der Landschaft bei Nacht wichtig ist, basiert die Lichtmessung (oder Photometrie) auf dem Tagessehen oder der photopischen Kurve. Lichtmessgeräte sind mit einem Filter im optischen System ausgestattet, der grün erscheint und die photopische Reaktion des menschlichen Auges nachahmt.
Die Art und Weise, wie die menschliche Auge-Gehirn-Kombination Licht wahrnimmt, ist wichtig für die ästhetische Beurteilung der Qualität des Nachthimmels. Das Auge (und andere menschliche Sinnesorgane) messen auf natürliche Weise in einer logarithmischen Skala, daher war die ursprüngliche Sterngrößenskala logarithmisch. Das heißt, Objekte werden relativ zueinander gesehen. Wenn also vier Objekte nebeneinander mit einer tatsächlichen Helligkeit von 2, 4, 8 und 16 gesehen würden, würden sie vom Auge als 1, 2, 3 und 4 wahrgenommen in der Helligkeit. Diese logarithmische Reaktion ermöglicht es dem Auge, schwache Objekte zu erkennen, ohne „den Tiefpunkt zu erreichen“. Auch der visuelle Kontrast wird auf nichtlineare Weise wahrgenommen. Der Kontrast hängt auch von der Winkelgröße des Objekts ab.
Licht messen
Strahlungsenergie verhält sich sowohl wie Wellen mit messbaren Wellenlängen und Frequenzen als auch als Teilchen oder als diskrete „Energiepakete“, die für sichtbares Licht Photonen genannt werden. Licht kann sich nicht in kleineren Mengen als einem Photon ausbreiten, übertragen oder empfangen, und ein Photon einer bestimmten Wellenlänge enthält eine diskrete Menge an Strahlungsenergie. Licht bewegt sich mit einer konstanten Geschwindigkeit von ~3 x 108Meter pro Sekunde oder 186.000 Meilen pro Sekunde im Vakuum.
Licht wird normalerweise als Photonenfluss gemessen, proportional zur Anzahl der Photonen pro Sekunde, die auf das menschliche Auge oder einen Lichtmesser treffen. Der Photonenfluss wird Beleuchtungsstärke genannt und seine technischen Einheiten sind Lux (metrisch) oder Footcandles (englisch); beides sind lineare Maßstäbe. Das menschliche Auge ist in der Lage, einen extrem weiten Bereich des Photonenflusses zu beobachten, von etwa 6 Photonen pro Sekunde bei blauem Licht (etwa 10).-9Lux) bis hin zu strahlendem Sonnenlicht, das vom Schnee reflektiert wird (ca. 104Lux), eine Spanne von fast 10 Billionen zu eins.
In der Astronomie wird die Beleuchtungsstärke in visuellen Größen gemessen, einer logarithmischen Skala, die den Dezibel zur Schallmessung ähnelt, mit der Ausnahme, dass die Größenskala umgekehrt ist, wobei kleinere Zahlen hellere Objekte bedeuten. Die Sonne hat in der oberen Erdatmosphäre eine visuelle Helligkeit von -26,7 (was einer Beleuchtungsstärke von 108.000 Lux entspricht), während die schwächsten Sterne, die für das menschliche Auge ohne optische Hilfe sichtbar sind, etwa eine Helligkeit von 7,2 (0,000000003 Lux) haben. Damit können einzelne Lichtquellen anhand der Beleuchtungsstärke gemessen werden, die sie am Standort des Betrachters erzeugen. Photonen, die die Quelle verlassen, unterliegen dem umgekehrten Quadratgesetz für Strahlungsenergie. Dieses Gesetz besagt, dass die Energie, die den Beobachter erreicht, über das Quadrat der Entfernung zur Quelle um eins schwankt.
Energie = Intensität / (Entfernung vom Beobachter)2
Daher führt eine Verdoppelung des Abstands zu einem Viertel der Beleuchtungsstärke aus derselben Quelle. Astronomische Objekte wie die Sterne sind so weit entfernt, dass sich ihre Beleuchtungsstärke nicht messbar ändert, selbst wenn sich die Erde um die Sonne bewegt. Die Helligkeit der Planeten variiert jedoch hauptsächlich aufgrund des umgekehrten Quadratgesetzes. Sonne und Mond unterliegen aufgrund der unterschiedlichen Entfernung von der Erde ebenfalls kleinen, aber messbaren Schwankungen der scheinbaren Helligkeit.
Lichtquellen auf der Erde, beispielsweise Straßenlaternen, erzeugen jedoch offensichtlich eine viel größere Beleuchtungsstärke, je näher ein Beobachter ihnen kommt. Wenn Außenlicht nachts seinen vorgesehenen Zweck verlässt und direkt beobachtet wird, führt es zu Lichteinbruch, einer Form der Lichtverschmutzung, insbesondere in einer natürlichen Landschaft wie einem Nationalpark. Diese hellen Objekte sind auch aus großer Entfernung sehr auffällig. Beispielsweise erzeugt eine typische Straßenlaterne unmittelbar unter ihr (sagen wir 5 Meter entfernt) in dem für ihre Verwendung vorgesehenen Bereich eine Beleuchtungsstärke von etwa 5 Lux. Wenn die Lampe nicht abgeschirmt ist und Licht gleichmäßig in alle Richtungen abstrahlt, wird ein Beobachter der Landschaft, der 100-mal weiter entfernt (500 Meter oder ¼ Meile) entfernt ist, von der Lampe gemäß dem umgekehrten Quadratgesetz beleuchtet:
Energie = 5 Lux / 1002= 0,0005 Lux
Dies scheint eine kleine Menge zu sein, aber die Mondsichel erzeugt nur 0,01 Lux, und der Planet Venus erzeugt in seiner hellsten Form eine Beleuchtungsstärke von 0,0001 Lux. Daher wäre diese einzelne, nicht abgeschirmte Straßenlaterne aus 500 Metern Entfernung heller als jedes andere natürliche Objekt am Nachthimmel außer dem Mond. Außerdem beeinträchtigt eine kleine, helle Lichtquelle die Dunkeladaption des menschlichen Auges, wodurch die Fähigkeit des Betrachters, die natürliche Nachtumgebung zu genießen, weiter eingeschränkt wird.
Während die Beleuchtungsstärke der gesamte Photonenfluss ist, der auf eine Oberfläche oder das menschliche Auge trifft, bezieht sich die Leuchtdichte auf die scheinbare Oberflächenhelligkeit von Objekten, die aus der Sicht des Betrachters eine sichtbare Größe oder einen sichtbaren Betrachtungswinkel haben. Computermonitore und Flachbildfernseher werden häufig mit einem Wert für die maximale Oberflächenhelligkeit in Nits oder Candela pro Quadratmeter (cd/m²) beworben2). Werte von 500-1.000 cd/m2sind bei diesen Geräten üblich. Die Helligkeit der Landschaft durch das reflektierte Licht der Sonne, des Mondes oder des Nachthimmels hängt von dessen Reflexionsgrad ab (z. B. Schnee vs. schwarzes Lavagestein) und liegt bei etwa 8.000 cd/m2bei hellem Sonnenlicht auf 0,000001 cd/m2in einer mondlosen Nacht.
Von der Erde aus gesehen hat die Sonnenoberfläche einen scheinbaren Durchmesser von 0,5 Grad und eine Leuchtdichte von etwa 1.600.000.000 cd/m2. Es kann nicht direkt mit dem menschlichen Auge beobachtet werden, ohne die Netzhaut zu schädigen. Umgekehrt ist der dunkelste Teil des natürlichen Nachthimmels in einer mondlosen Nacht nicht „stockschwarz“, sondern kann tatsächlich mit etwa 0,00017 cd/m² gemessen werden2. Für das an die Dunkelheit angepasste menschliche Auge ist es leicht als leuchtend zu erkennen, insbesondere wenn sich Objekte wie Bäume als Silhouetten davor abheben.
In der Astronomie kann die Leuchtdichte als visuelle Helligkeit pro Quadratbogensekunde und 0,00017 cd/m ausgedrückt werden2entspricht 22,0 Magnituden pro Quadratbogensekunde (MSA). Denken Sie daran, dass die Helligkeitsskala invers und logarithmisch ist: 17,0 Helligkeiten pro Quadratbogensekunde sind 100-mal heller als 22,0; 12,0 MSA sind 10.000-mal heller als 22,0 MSA.
Atmosphärische Streuung und Lichtverschmutzung
Aufgrund der Lichtstreuung durch die Atmosphäre kann der Himmel auch nachts leuchtend erscheinen. Wenn Licht ein anderes Medium als ein Vakuum durchdringt, unterliegt es Reflexion, Brechung, Beugung und Absorption. Der kombinierte Effekt dieser Prozesse ist eine Streuung des ursprünglichen Lichtstrahls. Die Atmosphäre umfasst Gasmoleküle (wie Stickstoff, Sauerstoff, Wasserdampf und Kohlendioxid) und suspendierte Feststoffpartikel (wie Staub, Ruß, Salze und chemische Niederschläge, zusammenfassend Aerosole genannt). Die Menge und Art der vorhandenen Aerosole, der Feuchtigkeitsgehalt der Luft und die Höhe über dem Meeresspiegel sind die Hauptvariablen, die die auftretende Streuung bestimmen. Selbst vollkommen klare Luft in großer Höhe streut das Licht bis zu einem gewissen Grad. Die Streuung des Sonnenlichts durch Luftmoleküle verleiht dem Tageshimmel seine blaue Farbe. Bei hohem Wasserdampf- oder Aerosolgehalt bezeichnen wir die Luft als „dunstig“; die tiefblaue Farbe wird durch einen milchig-weißen Farbton ersetzt, insbesondere in der Nähe der Sonne.
Nachts wird die Leuchtdichte der Luft Skyglow genannt. Es gibt natürliche Quellen für Himmelslicht, wie zum Beispiel die Polarlichter (Nordlichter), das grünliche Luftglühen (ein schwaches Leuchten aus der oberen Atmosphäre, das in den meisten Nächten auftritt), die Streuung des Lichts von Mond, Planeten und Sternen und das Tierkreislicht ( ein Lichtband entlang des Tierkreises, das Teil unseres Sonnensystems ist). Diese natürlichen Quellen sind in der Regel schwach. Wenn die Lichtquelle jedoch von Menschen verursacht wird, wie in einer Großstadt mit Tausenden von Straßenlaternen, ist das durch die Streuung dieses Lichts erzeugte Himmelslicht eine Form der Lichtverschmutzung, die die Sicht auf den Nachthimmel beeinträchtigt, indem sie den Kontrast zwischen schwachen außerirdischen Objekten verringert und der Hintergrund, die leuchtende Atmosphäre.
Selbst wenn der Bereich des Himmels in der Nähe des Zenits relativ frei von anthropogenem (vom Menschen verursachtem) Streulicht ist, können Bereiche in der Nähe des Horizonts hell erscheinen oder einzelne Lichtkuppeln aus entfernten Städten sichtbar sein. In einem Naturschutzgebiet wie einem Nationalpark führen diese hellen Bereiche zu einer messbaren Beeinträchtigung oder Abweichung vom natürlichen Zustand. Modelle und Messungen der Helligkeit städtischer Lichtkuppeln haben einen Zusammenhang zwischen ihnen, der Stadtbevölkerung und der Entfernung vom Stadtzentrum zum Beobachter ergeben, der als Walkers Gesetz bekannt ist. Diese Formel basiert hauptsächlich auf tatsächlichen Beobachtungen und kann das anthropogene Himmelsglühen an einem bestimmten Punkt am Himmel über der Stadt vorhersagen:
L = C x Bevölkerung x (Entfernung)-2,5
Die Konstante C hängt von den verwendeten Leuchtdichteeinheiten und dem „entwichenen Licht“ pro Kopf der Stadt ab. Messungen haben gezeigt, dass bestimmte Städte pro Kopf deutlich weniger entweichendes Licht produzieren als andere. Dies ist ein wichtiges Anliegen beim Schutz des natürlichen Nachthimmels.
Für den visuellen Beobachter gibt es bestimmte Merkmale des Erscheinungsbildes des Nachthimmels, die zur Bestimmung seiner Qualität herangezogen werden können. Die Anzahl der sichtbaren Sterne oder genauer gesagt die „visuelle Grenzgröße im Zenit“ oder ZLM ist eine der am häufigsten genannten. Schwache Sterne sind schwer zu erkennen und erfordern eine ordnungsgemäße Anpassung an die Dunkelheit und den Einsatz indirekter Sicht, um die Empfindlichkeit des menschlichen Auges zu maximieren. Sterne der Stärke 6,0–6,3 werden oft als Test für einen dunklen Himmel herangezogen, aber die Erfahrung hat gezeigt, dass Sterne, die zwei- bis dreimal schwächer sind und eine Stärke von 7,0–7,5 haben, von erfahrenen Beobachtern unter den besten Bedingungen gesehen werden können. Daher weist diese Methode an dunklen Standorten eine große Fehlerquote auf. In Gebieten mit beträchtlichem Himmelslicht im Zenit ist es jedoch viel einfacher zu verwenden, da es nur wenige hellere Sterne gibt und diese viel leichter zu erkennen sind.
Ein Versuch, eine Reihe von Himmelsqualitätsindikatoren zu synthetisieren, wird in der Bortle Dark Sky Scale unternommen, die die Himmelsqualität in Intervallen von 1 bis 9 bewertet, wobei 1 makellos ist und 9 einen Himmel darstellt, der von anthropogenem (vom Menschen verursachtem) Licht dominiert wird, in dem nur Das hellste Dutzend Sterne und Planeten sind zu sehen. Nur wenige Gebiete in den 48 zusammenhängenden Vereinigten Staaten weisen einen Himmel der Klasse 1 oder 2 auf. Die Himmelsqualität in vielen westlichen Nationalparks hat sich auf Klasse 3 oder 4 verschlechtert. Himmel der Klasse 5 und höher wird in oder in der Nähe großer Ballungsräume beobachtet.
Eine außergewöhnliche Sicht auf den Nachthimmel (Bortle-Klasse 1 oder 2) kann in Nächten erreicht werden, in denen das Wetter, die Klarheit der Atmosphäre und das Fehlen von anthropogenem Licht günstige Beobachtungsbedingungen schaffen. Bestimmte Orte auf der Welt, die diese Eigenschaften aufweisen, wurden von professionellen Astronomen gesucht. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts befanden sich in den Küstenbergen Kaliforniens drei große Observatorien: das Lick-Observatorium in der Nähe von San Jose, das Mt. Wilson-Observatorium in der Nähe von Los Angeles und das Palomar-Observatorium in der Nähe von San Diego. Es gab nicht nur viele wolkenfreie Nächte, auch die Luft in großer Höhe war frei von Schadstoffen und bot ein außergewöhnliches „Seeing“ (die Sicht auf die Sterne ist klar und ohne Verzerrung).
Da die Bevölkerung Kaliforniens schnell wuchs, nahm auch die Lichtverschmutzung zu, was den Nutzen dieser Observatorien erheblich beeinträchtigte. Astronomen zogen sich in die abgelegenen hohen Berge Chiles und auf den Gipfel des Mauna Kea auf der Insel Hawaii zurück. Mauna Kea liegt auf einer Höhe von 13.796 Fuß (4.175 Meter), wodurch diese Teleskope weit über dem Großteil der atmosphärischen Aerosole (ein kleines Schwebeteilchen in der Luft) platziert sind. Außerdem verfügt es über einige der besten atmosphärischen Beobachtungen aller Orte, obwohl die Instrumente in so großen Höhen zwar gut funktionieren, der Sauerstoffmangel jedoch die Fähigkeit menschlicher Beobachter verringert, nachts schwache Objekte zu sehen.