VIER JAAR HEMELHELDERHEID METINGEN IN UTRECHT

Transcriptie

1 VIER JAAR HEMELHELDERHEID METINGEN IN UTRECHT Er staat sinds augustus 2009 een meter om de nachtelijke hoeveelheid licht te meten op het dak van een woonboot in Utrecht. het is een SQM_EL van de firma Unihedron. De locatie is, in het zuiden van de stad Utrecht, ongeveer 2,5 km van het centrum. Er is naast de SQM-EL ook een Oostenrijkse lichtmeter geplaatst, maar alleen de resultaten van de SQM_EL worden hier gepresenteerd. Deze meter is twee keer gekalibreerd en daarom wordt deze hoger als meetinstrument ingeschaald dan de andere lichtmeter. De meter is aangesloten op het landelijk meetnet zoals het RIVM die twee jaar onderhoudt. In dat programma wordt met 9 meters, verspreid over het hele land, drie jaar lang de nachtelijke hemel gevolgd; zie SQM-EL De SQM-LE meter is direct op het lichtnet aangesloten via een transformator. Tevens is hij verbonden via een ethernetkabel met een laptop. Hij is ingesteld om elke 5 minuten een meting te generen. Hij geeft naast een lichtwaarde ook de temperatuur door. De SQM-LE meter staat gericht op het zenit ( punt recht omhoog). Als meter zit de SMM-LE tussen een luminantie en een luxmeter in. Hij meet de helderheid van de hemel in een hoek van 20 graden. Een goede luminantie meter heeft een veel kleinere hoek waardoor je veel beter kan zeggen wat je precies meet. De gevoeligheid van de SQM-LE wijkt aanzienlijk af van de gevoeligheid van het menselijk oog. De gevoeligheid lijkt enigszins op het menselijk oog in het rood maar wijkt sterk af vanaf het groen (550nm) en neemt toe naar het blauw. Het voordeel van de SQM-LE meter is dat er veel van dit soort meters in verschillende uitvoeringen aanwezig zijn en dat deze meters en de resultaten onderling dus goed te vergelijken zijn. SQM-LE meet in magnitude per vierkante boogseconde. Hoe hoger de waarde hoe donkerder. Een erg donkere nacht heeft een waarde van magnitude 22; de donkerste metingen in Utrecht liggen iets hoger dan 19. De waarde is afgeleid van het magnitude die ook voor sterren gebruikt wordt. Een ster die goed te zien is heeft een magnitude rond 1 tot 4 magnitude. De zwakste ster met het blote oog is magnitude 6. Een hemel van magnitude 19 betekent dat de hemel zo helder alsof van elke vierkante boogseconde een hoeveelheid licht van een magnitude 19 ster komt. Voor een uitgebreide analyse van de SQM-LE zie METINGEN Vanaf 1 augustus 2009 wordt elke 5 minuten een meting uitgevoerd. De SQM-EL is zo ingesteld dat alleen waarden met een magnitude van 6 en hoger uitgevoerd worden. Een magnitude 6 is ongeveer de situatie dat de zon 5 graad boven de horizon staat. Dat betekent dat er tussen een uur voor zonsondergang en een uur na zonsopgang gemeten wordt. De metingen worden in gepresenteerd in magnitude zoals de meter direct aangeeft. Omzetten naar milicandela per vierkante meter, mcd/m2, kan met de volgende transformatie. Deze wordt ook door het RIVM gebruikt in haar meetnet, waar deze meter ook een onderdeel van is. Vier jaar hemelhelderheid meten in Utrecht Pagina 1

2 DE NACHTHEMEL De metingen worden uitgevoerd om inzicht te verkrijgen in de nachtelijke verlichtingssituatie. Daar is nog weinig over bekend. We weten wel waar bronnen van licht zijn, aan de hand van satelliet opnamen, maar in welke richting die bronnen dat licht verspreiden en hoe dit licht vervolgens in de atmosfeer verspreid wordt is slecht onderzocht. Een hemel met wolken ziet er heel anders uit dan een onbewolkte hemel en ook de hoeveelheid weerkaatst licht, verschilt sterk. Er worden wel kaarten gemaakt van hoe Nederland er nachts uitziet, maar dat zijn kaarten in de meest stabiele donkerste omstandigheid, met de zon diep onder de horizon, geen maan en zo helder mogelijk. Hoe Nederland er bijvoorbeeld tijdens een regenbui uit ziet is daar niet mee na te gaan. Met de metingen vanuit één plaats willen we kijken hoe alle verlichting in de omgeving van deze locatie verspreid wordt bij verschillende atmosferische condities en of er patronen in de data te vinden zijn. We zijn geïnteresseerd in het kunstmatige menselijke gemaakte deel van de nachtelijke verlichting. De zon, maan en sterren willen we zo veel mogelijk uitsluiten, want die vertroebelen onze data. De zon elimineren we door alleen de data te analyseren waarbij de zon 18 graad of meer onder de horizon staat. De zon minder dan 18 graad onder de horizon wordt de astronomische schemering genoemd en dan is er nog enige invloed van de zon op de hemelhelderheid. De maan elimineren we door alleen te kijken naar momenten dat de maan onder de horizon staat. De sterren kunnen we helaas niet elimineren, maar deze in Utrecht met haar licht ongeveer 1% bij aan de nachtelijke hemelhelderheid. We noemen de conditie met de zon meer dan 18 graad en de maan meer dan 0 graad onder de horizon Astronacht. Nacht noemen we het als de zon onder de horizon staat. BESCHRIJVING DATA In totaal zijn metingen uitgevoerd in de periode tussen en met de conditie dat de zon onder de horizon staat, Nacht conditie. Daarvan zijn er metingen uitgevoerd met de zon minder dan -18 graad en de maan onder de horizon, Astronacht conditie. Vier jaar hemelhelderheid meten in Utrecht Pagina 2

3 september 2009 november 2009 januari 2010 maart 2010 mei 2010 juli 2010 september 2010 december 2010 februari 2011 juni 2011 augustus 2011 oktober 2011 december 2011 februari 2012 april 2012 augustus 2012 oktober 2012 december 2012 februari 2013 april 2013 juni 2013 augustus Aantal metingen per maand Metingen Astronacht Metingen Nacht Figuur 1 Het aantal metingen per maand In figuur 1 is het aantal metingen in de loop van de 4 jaar per maand uitgezet, z0wel tijdens de nacht totaal als tijdens Astronacht.. Te zien is dat er grote verschillen zijn tussen de maanden. In de winter is het langer donker en dus zijn er meer metingen dan in de zomermaanden. Aan de condities voor Astronacht wordt in de winter gedurende 40% tijd van de nacht voldaan, terwijl dat in de zomer veel minder is. Er zijn dan nauwelijks nachten dat de zon 18 graad onder horizon komt. In de maand juni komt dat in Nederland zelfs nooit voor, zoals in de grafiek te zien is. In de lente van 2011 en 2012 zijn er geen metingen uitgevoerd aangezien de meters gekalibreerd werden. Januari 2012 heeft de meter ook vanwege technische problemen een hele tijd niet gefunctioneerd. In totaal is de zon per jaar 4000 uur onder de horizon, waarvan 1250 uur in Astronight, 31% van de nacht. Gedurende 81% van de vier jaar zijn 'snachts metingen uitgevoerd en in 76% van de tijd zijn tijdens Astronight metingen uitgevoerd. Vier jaar hemelhelderheid meten in Utrecht Pagina 3

4 INVLOED VAN DE MAAN OP DE DATA We zijn benieuwd hoe de invloed van de maan is op de hemelhelderheid in Utrecht. Is het nog mogelijk om een patroon te zien in de hemelhelderheid veroorzaakt door de maan? Heeft de maan nog een significante invloed? Hieronder is een stukje van de gegevens weergegeven tussen 1 september 2012 en april De blauwe lijn is de gemeten magnitude terwijl de groene lijn de hoogte van de maan boven de horizon aangeeft. De data in de schemering zijn niet opgenomen ( alleen data dat de zon meer dan 18 graden onder horizon was). Je zou een verband moeten zien tussen de maan en de helderheid van de hemel. Tijdens volle maan zou je een helderdere hemel verwachten dan tijdens nieuwe maan. Dat patroon is verdwenen. Misschien nog een beetje te zien rond 1 januari Om het beter uit te zoeken hieronder de grafiek, waarbij de hoek van de maan ten opzichte van de zon en aarde, uitgezet is tegen de gemeten magnitude. De gegevens van de maan zijn samengevat per graad. 0 graad is volle maan en 180 is nieuwe maan terwijl 90 graad eerste en laatste kwartier is. De lijn geeft de algemene trend in de data aan. Bij volle maan is te zien dat gemiddeld de waarden wat lager liggen dan in de rest van de maand. Tijdens volle maan is de hemel gemiddeld helderder dan tijdens de andere maanfases. Tijdens eerste en laatste kwartier is er geen verschil met de nieuwe maan. Tijdens volle maan kan er nooit zelfs bij helder weer een echt donkere hemel voorkomen (>magnitude 16). Aangezien deze nachten ontbreken daalt het gemiddelde. Vier jaar hemelhelderheid meten in Utrecht Pagina 4

5 ANALYSE DATA GEDURENDE ASTRONACHT Hieronder is de frequentieverdeling te zien van alle metingen in Astronacht. Frequentie van magnitude 14% 12% 10% 8% 6% 4% 2% % Figuur 2 Frequentietabel van magnitude tijdens Astronacht De schaal loopt van magnitude 14 tot magnitude 20. Magnitude 20 is het donkerst terwijl magnitude 14 het lichtst is. Aan de donkere kant is een eerste grote berg zichtbaar tussen magnitide17,9 en 19,3. Daarna komt een tussenstuk en een tweede grote bult tussen magnitude 15,5 en 16,5. De waarden boven magnitude18,8 komen voor bij helder weer. Dat is bijna 20% van de metingen; dat komt ruwweg overeen met de ervaring dat het een op de vijf nachten helder is. De tweede grote bult van waarden tussen magnitude 15,5 en 16,5, wordt veroorzaakt door lage bewolking. Dat zijn 35% van de metingen. Dat is bewolking met een basis op een hoogte van ongeveer 500 meter. Het licht dat de stand Utrecht uitstraalt wordt op de lage wolkenbasis goed weerkaatst en veroorzaakt deze opheldering. De tussen liggende waarden tussen 16,65 en 18,8 zijn gemengde waarden waarbij de hemel of met hogere bewolking bedekt is, met losse wolkenformaties en dergelijke. Dat is bijna 40% van de metingen en dus van de tijd. Tenslotte de metingen helderder en dus lager dan magnitude 15,5. Dat zullen over het algemeen waardes bij dichte mist en bij sneeuw zijn; dat is in 7% van de metingen het geval. Kenmerkende algemene gegevens : Gemiddelde 17,16 mediaan 16,91 standaardfout 0,0064 en standaarddeviatie 1,37. Analyse tijdens de nacht Hieronder staat de grafiek van alle data maar dan geordend naar moment van de nacht. Vier jaar hemelhelderheid meten in Utrecht Pagina 5

6 Figuur 3 Hemelhelderheid gedurende de nacht, alle metingen en gemiddelde per kwartier Elk blauw kruisje is een meting. Te zien is dat het gebied rond magnitude 19 en magnitude 16 veel waarden bevat. Dat is in overeenstemming met het vorige hoofdstuk. De rode lijn geeft het gemiddelde weer, waarbij metingen binnen een kwartier samen genomen zijn. Het lijkt erop dat het gemiddelde in de loop van de nacht toeneemt (donkerder) wordt en dan weer afneemt. Dat zou verklaard kunnen worden, door het naar bed gaan van mensen, het dimmen van de openbare verlichting en het doven van reclameverlichting. Dit wordst niet alleen in Utrecht gevoinden maar is ene patroon dat in heel Westeuropa te zien is, zie daravoor het artikel Het aantal metingen is in het begin van de avond en aan het eind van de nacht lager dan rond 12 uur. Tussen 20 uur en 6 uur zijn er meer dan 500 metingen per kwartier. Daarbuiten neemt het aantal hard af. Het deel van de grafiek tussen 20 uur en 6 uur is dus goed betrouwbaar. Analyse tijdens de week Een andere, misschien interessante, verdeling is te kijken of er een verband is tussen de dag van de week en de magnitudes. De volgende grafiek geeft dit weer. Dit was verrassend. Er lijkt een verband te zijn dat niet willekeurig is tussen de dag van de week en de magnitudes. Aangezien er geen enkele reden is te veronderstellen dat het weer en/of de atmosfeer zich iets van de dag van de week aantrekt, zou dit een verschijnsel moeten zijn dat een oorzaak vindt op de grond in de hoeveelheid licht dat geproduceerd wordt. Er zijn meer dan 6000 metingen per dag van de week en de afwijking van de maandag, woensdag vrijdag en zaterdag wijken significant af van het totaal. Vier jaar hemelhelderheid meten in Utrecht Pagina 6

7 17.4 Dag van de week maandag dinsdag woensdag donderdag vrijdag zaterdag zondag Figuur 4 Hemelhelderheid gedurende de week Elke dag van de week zijn er tussen 6000 en 7000 metingen. Het gemiddelde van alle data is magnitude 17,15. De maandag en woensdag zijn significant donkerder, terwijl vrijdag en zaterdag significant lichter zijn. Dat is significant met P<0,001. Waarom zou het in het weekend lichter zijn dan in het begin van de week en waarom wijkt maandag en woensdag af terwijl dinsdag juist niet afwijkt? Zijn mensen langer op vrijdag en zaterdag en is de straatverlichting langer aan? Zouden er meer vliegtuigen in het weekend vliegen die voor extra bewolking zorgen? We gaan er achter aan. Analyse tijdens het jaar Hieronder staat de grafiek waarbij elke dag van het jaar het gemiddelde is berekend. Op de horizontale as beginnen we dus met 1 januari en tot aan rechts 31 december. In het midden tussen 139 en 207 zijn er geen data. Er is ook het zwevend gemiddelde van 30 opeenvolgende dagen ingetekend. Als we naar de variaties in deze laatste lijn kijken lijkt het wel of in de winter de nachten dus wat helderder zijn dan in de herfst en lente. Hangt dat samen met dat het in de winter wat meer bewolkt is? Zou het te maken hebben met kerstverlichting? Vier jaar hemelhelderheid meten in Utrecht Pagina 7

8 Gemiddelde magnitude gedurende een jaar Dag van het jaar Figuur 5 Hemelhelderheid gedurende het jaar December heeft een gemiddelde van magnitude 16,5, december 16,8 en augustus 17,9. Alle drie zijn significant afwijkend van het gemiddelde over het hele jaar. In de wintermaanden is het dus significant licht er, terwijl het in augustus significant donkerder is dan gemiddeld over het jaar ( P<0.001). ONTWIKKELING GEDURENDE VIER JAAR Is er een verloop te vinden in de hemelshelderheid in de loop van de vier jaar. In de vorige eeuw gaan we ervan uit dat elk jaar de hoeveelheid licht en daarmee de lichtvervuiling tussen 2 en 5 % per jaar toenam. Is dat nog steeds zo? Dat kun je natuurlijk niet aan de hand van één meetstation bekijken maar het blijft interessant Verloop hemelhelderheid in vier jaar tijd y = x R² = Er is op de termijn van vier jaar en hele lichte ontwikkeling naar dat het donkerder wordt. Als je de trendlijn zou moeten volgen is dat elke tweeduizend dagen een magnitude, wat dus elke 6 jaar is een magnitude donkerder is. Dat lijkt sterk. De data zijn beter te verklaren dat de meter langzaam achteruit gaat. De gevoeligheid neemt af. Dat blijkt ook uit het feit dat, van de 9 meters die in het RIVM programma meedraaien, de 6 exemplaren die het laatst gekocht zijn, alle gevoeliger zijn, dan die al langer geleden gefabriceerd zijn. De tweede kalibratie periode wordt nu uitgewerkt en dan kan ook gekeken worden hoeveel de meters in die twee jaar minder gevoelig zijn geworden. Vier jaar hemelhelderheid meten in Utrecht Pagina 8