Dipartimento di Astronomia

Università di Padova

Copyright 2000, P. Cinzano, Thiene, Italy

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 Mappe dello stato del cielo in Italia

Brillanza artificiale a livello del mare (aree inquinate)
Brillanza totale del cielo notturno (luminosità del cielo)
Magnitudine limite (visibilità delle stelle)
Perdita di magnitudine (aree inquinate)

Per le mappe di altri paesi del mondo si veda The Night Sky in the World o The First World Atlas of Artificial Night Sky Brightness.

Il significato concettuale delle grandezze nelle mappe è riassunto nella tabella seguente:

Le mappe sono state calcolate per un atmosfera limpida standard con aerosol clarity K=1 (Garstang 1986, 1989), corrispondente ad un estinzione verticale nella banda fotometrica astronomica V di 0.33 magnitudini a livello del mare, 0.21 mag a 1000 m sul livello del mare  e 0.15 mag a 2000 m, e ad una visibilità orizzontale a livello del mare di 26 km. Le mappe sono state ottenute con misure prese nel 1996-97 e calibrate al 1998-1999 in base a misure di brillanza del cielo ottenute da terra in quel periodo. La dimensione di ogni pixel è di 30 x 30 secondi d’arco in una proiezione latitudine/longitudine che corrisponde approssimativamente a 0.9x0.6 km alla latitudine di  45°N. I bordi nazionali sono solo indicativi.

Brillanza artificiale a livello del mare

Queste mappe mostrano la brillanza artificiale del cielo notturno allo zenith in notti limpide normali nella banda fotometrica V, ottenute per integrazione dei contributi prodotti da ogni area di superficie circostante per un raggio di 200 chilometri da ogni sito. Ogni contributo è stato calcolato tenendo conto di come si propaga nell’atmosfera la luce emessa verso l’alto da quell’area e misurata con i satelliti DMSP. Abbiamo tenuto conto dell’estinzione della luce nel suo percorso, della diffusione da molecole e aerosoli e della curvatura della Terra. Il metodo è descritto brevemente nella sezione 2 e più in dettaglio nelle pubblicazioni ivi citate.
Essendo interessati a comprendere  e confrontare la distribuzione dell’inquinamento luminoso e dei suoi effetti piuttosto che nel predire la brillanza del cielo per scopi osservativi, le mappe del primo tipo sono state calcolate a livello del mare così da evitare l’introduzione di effetti dovuti all’altitudine.

Le mappe della brillanza artificiale del cielo notturno a livello del mare sono utili per confrontare i livelli di inquinamento luminoso in atmosfera prodotti dalle varie sorgenti o presenti nelle varie aree, per determinare quelle più o meno inquinate e per identificare le porzioni di territorio più inquinanti e le maggiori sorgenti.
Queste mappe intendono mostrare i livelli di inquinamento nell’atmosfera più che la visibilità delle stelle o la luminosità effettiva del cielo in un sito che è lo scopo delle mappe successive. L’aver eseguito il calcolo per il livello del mare e per atmosfera limpida standard consente di confrontare l’inquinamento di aree diverse senza essere confusi dagli effetti introdotti dall’altitudine o da variazioni nelle condizioni atmosferiche. Esse sono utili anche per determinare le aree più scure, laddove per “più scure” si intendano quelle con meno luce artificiale in atmosfera e non quelle da cui si vedono meglio le stelle, compito quest’ultimo delle mappe successive.

Tuttavia l’effetto dell’altitudine è abbastanza piccolo confrontato all’intervallo di validità di queste mappe che va da 0.01 a 27 volte la brillanza naturale con livelli logaritmici per cui ogni livello indica una brillanza artificiale tre volte maggiore del precedente. Ad esempio salendo dal livello del mare a 1350 m la brillanza del cielo in corrispondenza del Monte Ekar, ai bordi della pianura veneta, diminuirebbe solo di circa il 20%. Naturalmente poiché il livello è piccolo rispetto la scala delle mappe ma tutt’altro che piccolo in assoluto, si devono usare le mappe successive qualora l’altitudine risulti importante o sia la brillanza effettiva ad interessare.
Queste mappe non danno informazioni sulla visibilità delle stelle ma solo sulla brillanza del cielo. Tuttavia poiché le aree più popolose si trovano solitamente a livello del mare, spesso sono stati usati in prima approssimazione anche per dare un’idea della visibilità stellare o della Via Lattea. Ad esempio le aree di colore arancio approssimativamente indicano le zone in cui è molto difficile che un osservatore medio in notti limpide normali riesca a vedere la Via lattea. Il limite effettivo di invisibilità grossomodo sta tra l’arancio e il rosso (dove la brillanza artificiale è circa sei volte la  brillanza naturale di riferimento).

Figura 1. Brillanza artificiale del cielo notturno a livello del mare.
da The artificial night sky brightness mapped from DMSP Operational Linescan System measurements  P. Cinzano (1), F. Falchi (1), C.D. Elvidge (2), Baugh K. (2) ((1) Dipartimento di Astronomia Padova, Italy, (2) Office of the director, NOAA National Geophysical Data Center, Boulder, CO), Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 318, 641-657 (2000)

I livelli della brillanza artificiale sono espressi come frazione della brillanza naturale di riferimento (8.61 107 ph cm-2 s-1 sr-1 oppure 252 μcd/m2).

Brillanza totale del cielo notturno

La mappa della brillanza totale del cielo notturno fornisce un indicazione della qualità del cielo notturno in un territorio. Essa e’ stata calcolata allo zenith tenendo conto dell’altitudine e della brillanza naturale del cielo (anch’essa funzione dell’altitudine). L’altitudine ha effetto sulla brillanza naturale del cielo, sulla brillanza artificiale e sulla estinzione della luce stellare ed è stata ottenuta da una mappa digitale (DEM). La brillanza naturale dipende dalla direzione di osservazione e dall’altitudine ed e’ stata ottenuta con i modelli di Garstang (1989) che tengono conto della luce naturale proveniente da tutto il cielo che viene diffusa dalle particelle e dalle molecole lungo la line a di vista dell’osservatore per le condizioni atmosferiche assunte.

Le aree più buie (colore bianco) sembrano leggermente più estese in questa mappa che in quella della brillanza artificiale a livello del mare. Si tratta di un effetto apparente dovuto all’ampio intervallo tra livelli diversi (0.5 magnitudini per secondo d’arco quadrato) che non mette in evidenza le aree dove la brillanza artificiale è solo una frazione di quella naturale.

Figura 2. Brillanza totale del cielo notturno.
da Naked eye star visibility and limiting magnitude mapped from DMSP-OLS satellite data, P. Cinzano (1), F. Falchi (1), C.D. Elvidge (2)((1) Dipartimento di Astronomia Padova, Italy, (2) Office of the director, NOAA National Geophysical Data Center, Boulder, CO), Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 323, 34-46 (2001)

I livelli colorati nella mappa corrispondono ad una brillanza totale in magnitudini V per secondo d’arco quadrato di:

Visibilità delle stelle a occhio nudo

La mappa della visibilità delle stelle ad occhio nudo, ossia della magnitudine limite ad occhio nudo, indica la possibilità della popolazione di vedere stelle di una data luminosità (o magnitudine). La mappa è calcolata per lo zenith e tiene conto dell’altitudine, dell’estinzione della luce delle stelle nel suo tragitto nell’atmosfera e della capacità dell’occhio medio di distinguere sorgenti puntiformi su uno sfondo luminoso.

Questa mappa, è bene precisare, non da alcuna indicazione precisa sulla luminosità del cielo o sull’inquinamento luminoso perché l’altitudine e l’estinzione della luce confondono i risultati. Ad esempio, le montagne vicino al Nord dell’immagine potrebbero sembrare non inquinate dal momento che la magnitudine limite è la stessa che si vede nelle zone non inquinate del mare all’angolo in basso a sinistra. Tuttavia l’estinzione della luce stellare è minore per un sito in quota che per un sito a livello del mare, perché la luce incontra meno particelle e molecole diffondenti nel suo più breve tragitto. Quindi la magnitudine limite aumenta con l’altitudine. In conclusione il fatto che le montagne abbiano la stessa magnitudine limite delle aree di mare non inquinate indica che le montagne sono TALMENTE INQUINATE che la visibilità delle stelle in quelle zone è confrontabile a quella che si ha a livello del mare in zone non inquinate.

Come Blackwell (1946) e autori hanno mostrato, la relazione tra magnitudine limite e brillanza del cielo non è lineare e, inoltre, è un concetto statistico. Un numero di fattori agiscono sulle misure dell’occhio (Garstang 2000; Schaefer 1991) come la capacità individuali, le dimensioni individuali della pupilla, l’esperienza che fa sì che un osservatore consideri certa la visione a livelli diversi di probabilità, la durata dell’osservazione e così via. Quindi possiamo solamente predire la visibilità stellare di un osservatore medio pur tenendo conto di numerosi dettagli quali ad esempio il diametro della pupilla dell’osservatore medio che dipende dall’età, differenze di colore tra le sorgenti di laboratorio e le stelle osservate o tra lo sfondo di laboratorio e il cielo notturno, differenze tra la curva di sensibilità della visione notturna e la banda fotometrica V nel calcolo della estinzione stellare, etc.
La mappa mostra il centro della distribuzione statistica della magnitudine limite allo zenith per un campione di osservatori di esperienza media e capacità media, con età media di 40 anni , gli occhi adattati al buio e che osservino con entrambi gli occhi, senza usare tecniche particolari. Come discusso da Schaefer (1991), astrofili esperti potrebbero individuare stelle anche una magnitudine più deboli se la luminosità del cielo consente agli occhi un sufficiente adattamento al buio.

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Figura 3. Visibilità delle stelle a occhio nudo.
da Naked eye star visibility and limiting magnitude mapped from DMSP-OLS satellite data, P. Cinzano (1), F. Falchi (1), C.D. Elvidge (2)((1) Dipartimento di Astronomia Padova, Italy, (2) Office of the director, NOAA National Geophysical Data Center, Boulder, CO), Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 323, 34-46 (2001)

I livelli corrispondono alla magnitudine in banda V:

Un cielo ben fruibile e che non penalizzi troppo l'osservazione astronomica è quello con magnitudine limite superiore a 5.5 mag, indicato nella mappa in blu, grigio e nero. Come si vede non esistono zone sul territorio italiano rappresentate in nero, esse si trovano su montagne poste in zone incontaminate. Anche le zone indicate in grigio e blu, con gli attuali tassi di crescita della brillanza artificiale, sono destinate a restringersi fino a sparire, a meno di sostanziali interventi legislativi correttivi.

Presentiamo qui di seguito una tabella che associa alla magnitudine limite in banda V un giudizio qualitativo sulla qualità del cielo visibile. Si tenga conto che essa non ha alcuna pretesa di accuratezza e rappresenta un giudizio piuttosto arrischiato, ma riteniamo possa essere un utile guida per i non esperti alla comprensione  del significato dei valori in legenda. Si tenga conto che ogni giudizio è sempre soggettivo e che valgono le considerazioni già svolte in precedenza sulle differenze tra un osservatore medio ed un astrofilo esercitato.

Degrado della visibilità delle stelle

La mappa della perdita di magnitudine indica il decadimento della capacità di percepire le stelle da parte della popolazione. Si ottiene semplicemente facendo la differenza tra la mappa della visibilità stellare e una mappa della magnitudine limite ottenuta assumendo che l’inquinamento luminoso sia zero ovunque. A differenza della mappa della visibilità delle stelle, qui gli effetti dell’inquinamento luminoso sono chiaramente visibili anche nelle montagne. Però queste mappe sono meno utili per identificare i migliori siti osservativi. Come prima, la perdita di magnitudine è stata calcolata per un campione di osservatori di esperienza media e capacità media, con età media di 40 anni, gli occhi adattati al buio e che osservino con entrambi gli occhi. Il numero di stelle visibili si dimezza grossomodo ogni circa 0.6 magnitudini perdute.

Figura 4. Degrado della visibilità delle stelle a occhio nudo.

  I livelli corrispondono ad una perdita di magnitudine (in magnitudini V):