Засветка неба: почему в городе не видно звезд

Вечером во дворе видно два десятка звезд, из них половина – самолеты и спутники. Через выходные на даче в ста километрах от города то же самое небо оказывается забито звездами так, что знакомые созвездия теряются в общей россыпи. Телескоп при этом один и тот же, и глаза те же.

Разница вызывается засветкой: свет городских фонарей рассеивается в воздухе и подсвечивает все небо, а глаз различает объекты по контрасту с фоном, а не по их собственной яркости. Чем светлее фон, тем больше звезд в нем тонет. Уровень засветки принято оценивать по девятибалльной шкале Бортля: 1 – небо без единого искусственного источника, 9 – центр мегаполиса.

В Москве небо по этой шкале оценивается в 8-9, то есть максимально яркое, глаз видит лишь редкие ярчайшие звезды и планеты. Но стоит удалиться от столицы на сотню километров, и можно найти небо на уровне 4–5, где Млечный Путь уверенно виден невооруженным глазом.

Улучшение видимости всего на 2 звездные величины означает, что видимых звезд на небе становится почти в десять раз больше!

Почему в городе не видно звезд

Виноваты в этом не только светящиеся витрины и фонари, но и воздух между вами и небом. Уличное освещение светит не только вниз: часть потока уходит вверх напрямую, часть отражается от асфальта, стен и снега. Дальше свет рассеивается на молекулах воздуха и на взвешенных частицах – пыли, влаге, аэрозолях – и возвращается вниз уже со всех направлений сразу. Небо перестает быть черным и начинает светиться само.

Глаз при этом работает не так, как думает большинство. Он видит не абсолютную яркость объекта, а разницу между объектом и окружающим его фоном. Так, звезда 5,0m на черном небе заметна легко; та же звезда на сером фоне сливается с ним и пропадает, хотя света от нее в глаз приходит ровно столько же.

Из этого вытекают два следствия, которые полезно знать:

1. Влажность усиливает засветку. Дымка, влажность и особенно свежий снег дают больше частиц и поверхностей для рассеяния. Ясная морозная ночь после сухой погоды в городе покажет заметно больше звезд, чем ясная влажная ночь той же прозрачности.

2. Засветка бьет по небесным объектам избирательно. Луна, планеты и двойные звезды являются яркими и контрастными объектами – им светлый фон почти не мешает. Туманности и галактики – протяженные и тусклые, их поверхностная яркость сравнима с яркостью городского фона, и в нем они исчезают полностью. Именно поэтому городской наблюдатель прекрасно видит Луну и Сатурн, но не находит на небе ни одной галактики.

В экологической и градостроительной литературе засветку неба называют световым загрязнением; это тот же предмет, только со стороны нормирования освещения и влияния на биоритмы. Для астрономических наблюдений эти термины взаимозаменяемы.

Шкала Бортля: девять классов темноты неба

Эту шкалу предложил в феврале 2001 года на страницах журнала Sky & Telescope опытный наблюдатель комет и переменных звезд Джон Бортль. Он исходил из того, что предельная звездная величина сама по себе недостаточный критерий: она сильно зависит от остроты зрения и от того, сколько усилий человек готов потратить на выискивание самой слабой звезды. Там, где одному наблюдателю удается видеть звезды до 5,5m, другой может разглядеть до 6,3m на том же небе. Вдобавок засветка бьет по диффузным объектам – кометам, туманностям, галактикам – заметно сильнее, чем по звездам, и одним числом это не описать.

Поэтому Бортль предложил определять класс неба не только по предельной звездной величине, но и по виду Млечного Пути и галактики Треугольника (М33), а также некоторым другим признакам. Всего им было предложено разделить темноту неба на 9 классов:

Примечания к таблице:

• Облака. Помимо чисто астрономических объектов Бортль предлагал обращать внимание на цвет облаков: признак, для которого вообще не нужно знания звезд и созвездий. В 1-2 классе облака выглядят как темные провалы среди звезд. В 3-4 классе они подсвечены у горизонта, но над головой остаются темными. Начиная с 5 класса, облака уже кажутся светлее, чем небо.

• Млечный Путь. Как явление он перестает читаться между 6 и 7: в шестом его еще можно найти у зенита, в седьмом уже нет.

• Галактика Треугольника (М33). Самый чувствительный маркер и заодно проверка на «настоящий загород»: полностью адаптированный глаз различает ее в 4 классе и лучше. Пятый класс Бортль в этой части не описал, и в таблице у нас прочерк; по соседним классам выходит, что М33 там еще должна улавливаться боковым зрением, но уже на самом пределе. С 6 класса она доступна только в бинокль.

• Зодиакальный свет разделяет 5 и 6 классы лучше всего. В пятом он угадывается в лучшие весенние и осенние ночи, в шестом не виден ни в какую ночь.

• Шаровые звездные скопления можно использовать как маркер неба 3 класса: такие объекты, как М4, М5, М15 и М22 должны быть видны невооруженным глазом.

• Тусклые созвездия, такие как Рак и Рыбы, в небе 9 класса не видны вообще. Это отличный городской ориентир: если, выходя во двор, вы не находите Рака между Близнецами и Львом – у вас самое худшее небо девятого класса.

Оценки Бортля для темного неба многие считают завышенными. Работа Эндрю Крамея в 2014 году показала, что диффузные объекты видны хуже точечных источников той же звездной величины. Следовательно, упоминание М33 как объекта прямого зрения нетипично для среднего наблюдателя. Предел блеска выше 7,1m, отведенный второму классу, назван там существенно завышенной планкой, а чаще упоминаемым значением для очень темного неба правильнее считать диапазон 6,0–6,5m.

Практически это значит, что у человека со средним зрением реальный результат будет на 0,3–0,7m хуже табличного, причем расхождение растет к темному концу шкалы и почти исчезает в городе. Сам Бортль об этом разбросе знал – потому и строил шкалу на нескольких признаках, а не на одном числе.

Как измерить предельную звездную величину своего неба

Дайте глазам отдохнуть от света минут двадцать (экран телефона сбрасывает адаптацию за секунды) и найдите самую слабую звезду, которую можете разглядеть в области со звездами известных величин. Полученное число – это предельная звездная величина вашего неба.

В северных широтах для этого можно использовать ковш Малой Медведицы, который виден у нас круглый год. Это созвездие является незаходящим на всей территории России. Определить предельную звездную величину вам поможет прилагаемая карта.

В качестве альтернативы Малой Медведице можно использовать так называемый Большой квадрат Пегаса. Самая слабая из увиденных невооруженным глазом звезд сразу даст вам предел вашего неба этой ночью – с поправками на дымку, Луну и соседский фонарь.

Онлайн карты светового загрязнения

Для определения яркости неба в своем регионе можно воспользоваться одной из многочисленных онлайн карт, показывающих уровень засветки неба, например: https://lightpollutionmap.info/

Такие карты строятся по спутниковым снимкам ночной поверхности Земли и пересчитываются в модельную яркость неба. Цветовая шкала на сервисе lightpollutionmap.info устроена следующим образом: белый цвет – 8-9 класс, красный – 7, оранжевый и желтый – 5-6, зеленый – 4, синий – 3, серый и черный – 1-2.

Некоторые карты указывают не класс неба по Бортлю, а SQM – яркость фона в звездных величинах на квадратную угловую секунду. Чем это число больше, тем небо темнее. По легенде lightpollutionmap.info, SQM=21,89–22 – 1 и 2 классы; 21,69–21,89 – 3 класс; 20,49–21,69 – 4 класс; 19,5–20,49 – 5 класс; 18,94–19,5 – 6 класс; 18,38–18,94 – 7 класс; ниже 18,38 – классы 8 и 9.

Пользоваться подобными картами можно, но с поправками, о которых надо помнить:

• Карта показывает модель, а не сегодняшнюю ночь. Она не знает ни про дымку, ни про снежный покров, ни про фазу Луны. Полная Луна поднимает фон сильнее, чем средний городской фонарь: в полнолуние даже в четвертом классе небо ведет себя как в шестом, и слабые галактики пропадают.

• Ошибка в один класс – норма. Локальный рельеф, лесополоса, гребень холма между вами и городом легко дают выигрыш, которого на карте нет. Верно и обратное: одинокий фонарь на соседнем участке или окно дачи напротив испортят площадку, помеченную на карте «правильным» цветом.

• Смотрите не только на точку, но и на направление. Если к югу от вас находится крупный город, то вся южная часть неба будет засвечена до высоты 20–30°, и низкие южные созвездия вроде Стрельца окажутся недоступны, хотя вблизи зенита все будет отлично.

Москва. В пределах МКАД – 9 класс. Ближнее Подмосковье до 30 км – 7–8. Полоса 60–100 км – 6, местами 5. Зеленая зона четвертого класса начинается примерно со 150 км, причем неравномерно: вылетные магистрали тянут засветку далеко за пределы области, и вдоль них – на Тверь, Владимир, Рязань, Тулу – небо хуже, чем в стороне от них на том же удалении. Лучшие направления – запад, в сторону Гагарина и Вязьмы, и восток, за Владимир вглубь Мещеры. Третий класс появляется за 200 км, уже в соседних областях.

Санкт-Петербург. Внутри КАД – 9 класс. Четвертый класс начинается примерно со 100–130 км, лучше всего на юг либо на восток или северо-восток. Северное и западное направления сильнее засвечены.

Что видно при разном уровне засветки

В таблице приведены средние значения по классам неба и апертурам телескопов – для безлунной ночи и адаптированного глаза.

Следует отметить, что у телескопа засветка отнимает больше, чем у глаза. По оценкам самого Бортля, 320-мм рефлектор показывает звезды до 16-17m в третьем классе, до 15,5m – в четвертом, до 14-14,5m – в шестом и едва до 13m – в восьмом классе. Другими словами, переезд из сельской местности в город стоит телескопу около трех звездных величин против двух для невооруженного глаза. Причина в том, что телескоп собирает не только свет объекта, но и свечение фона, и с ростом фона контраст падает быстрее.

Таким образом, по протяженным объектам поездка за город дает больше, чем покупка более крупного телескопа. Труба диаметром 200 мм во дворе показывает слабые объекты примерно так же, как 80 мм в темном загородном небе. Разница между городом и загородом – те же 2,0m, что и разница между 80 и 200 мм в одном небе.

По планетам и Луне картина обратная: им засветка почти не мешает, и городской балкон для их наблюдений – вполне себе рабочее место. Более того, увеличение работает против засветки – оно растягивает фон и делает его темнее, поэтому Сатурн с увеличением 150 крат в городе выглядит лучше, чем с увеличением 60 крат. Подробнее об этом – в статье про увеличение.

Что помогает при поиске слабых объектов

• Адаптация к темноте: зрачок расширяется за минуту, но химическая перестройка сетчатки идет 20–40 минут, и именно она дает основной выигрыш. Одного взгляда на экран телефона хватает, чтобы сбросить ее почти полностью.

• Красный фонарь малой яркости – единственный допустимый источник света на наблюдательной площадке. Красный свет почти не разрушает адаптацию к темноте.

• Экранирование: встаньте в тень от дома или забора, чтобы уличный фонарь не бил в глаза напрямую. Если вокруг светло, то можно накинуть на голову и окуляр темную ткань – прием старый и заметно поднимающий контраст.

• Старайтесь наблюдать объекты, расположенные на большой высоте. Луч света от объекта, расположенного вблизи горизонта, проходит через большую толщу воздуха и через самую засвеченную его часть. Объект, расположенный вблизи зенита, виден лучше того же объекта на высоте 20°.

6 частых ошибок

1. Считать, что проблема в телескопе. Невозможность отыскать слабую галактику на городском небе – проблема уличной засветки, а не оптики. Темное небо часто важнее, чем апертура телескопа.

2. Сразу приступать к наблюдениям слабых объектов. Глазам необходимо дать как минимум 20 минут для адаптации к темноте, без правильной адаптации просто не получится разглядеть слабые объекты.

3. Выбирать место наблюдения исключительно по карте засветки неба. «Правильная» зона на онлайн карте не гарантирует темноты: вам может помешать местный источник света, не отраженный в модели.

4. Ехать за город в полнолуние. Луна поднимает фон неба сильнее большинства городских источников, и по протяженным объектам поездка теряет смысл. Планировать выезды нужно не только по погоде, но и по фазам Луны.

5. Смотреть в сторону города. Половина неба может быть отличной, а вы весь вечер ищете объекты в засвеченной половине.

6. Ждать чуда от купленного фильтра. Узкополосный фильтр – хороший инструмент под конкретный класс объектов, а не средство превратить городское небо в деревенское.

Краткие выводы

• Засветка – это рассеянный в воздухе городской свет, который поднимает яркость фона; глаз видит объекты по контрасту с фоном, поэтому слабые объекты на ярком фоне тонут.
• Шкала Бортля описывает темноту неба девятью классами: 9 класс – центр города с яркими витринами и фонарями; 1 класс – горное небо при полном отсутствии искусственного освещения.
• Главные признаки того или иного класса: виден ли глазом Млечный Путь и Галактика Треугольника М33; какова яркость облаков относительно неба; наконец, какова предельная величина видимых невооруженным глазом звезд.
• Луне, планетам и двойным звездам засветка почти не мешает; туманности и галактики она убирает полностью.
• Поездка за город для наблюдения протяженных объектов дает больше, чем увеличение апертуры: если разница между городом и загородом составляет 2,0m, то смена места наблюдения равносильна смене 80-мм телескопа на 200 мм.
• Онлайн карта засветки неба полезна для планирования, но не учитывает дымку, снег, фазу Луны, а также локальные источники света.

Источник: John E. Bortle. Gauging Light Pollution: The Bortle Dark-Sky Scale, Sky & Telescope