Reporte y recomendaciones de la
Comisión 50 de la Unión Astronómica Internacional

Identificación y Protección de Sitios para Observatorios Existentes y Potenciales


Traducido del apédice 4.1 de "The Vanishing Universe: Adverse Environmental Impacts on Astronomomy", Proceedings of the conference sponsored by UNESCO, ICSU, IAU, COPSAR held at UNESCO, Paris, 30 June-2 July 1992, ed. Derek McNally, Cambridge University Press, 1994.

I. Introducción

La astronomía moderna está cada vez mas relacionada con la observación de objetos muy débiles, la cual solo puede lograrse con telescopios grandes en los mejores sitios. El Reporte de la Comisión 50 presentado en 1976 muestra que el número de sitios adecuados para observatorios astronómicos es muy limitado; peor aún, el Reporte muestra el rápido crecimiento de iluminación artificial que se experimenta actualmente en muchos observatorios y que interfiere seriamente con observaciones profundas. De manera acorde la UAI/IAU adoptó la siguiente resolución en la Asamblea General de 1976. Este reporte reafirma la seriedad de la amenaza que representan para la astronomía las distintas formas de interferencia en sitios astronómicos existentes y potenciales, y recomienda niveles aceptables de interferencia que no deben excederse para poder alcanzar la mayor sensitividad en observaciones astronómicas. La principal fuente de interferencia (en 1976/1992) es luz artificial, pero interferencia seria puede también darse por aeronaves, transmisores de ondas de radio y contaminación atmosférica. Por tanto, este reporte también establece las condiciones bajo las cuales se sabe que estos dos tipos de interferencia son dañinos y recomienda la protección respectiva para sitios astronómicos.

El reporte considera la forma en que las recomendaciones pueden ser puestas en práctica, y da ejemplos de las restricciones que se requerirían en alumbrado urbano. Recomendaciones para sitios actualmente experimentando interferencia se dará en un reporte separado.

La protección de radio observatorios respecto a interferencia en frecuencias de radio es un problema aparte, que concierne a la IUCAF (Inter-Union Commission on the Allocation of Frequencies for Radio Astronomy and Space Research).

II. Niveles aceptables de luz artificial

2.1 La luz artificial ilumina el cielo tanto en continuo como en líneas espectrales, generadas por lámparas de vapores de metales. Esta luz es dispersada de retorno por el cielo, formando un fondo brillante contra el cual deben detectarse fuentes celestes. Existe un fondo natural tanto en continuo por el brillo difuso conjunto de estrellas débiles, luz zodiacal, y luminiscencia atmosférica ("atmospheric airglow") como en las líneas espectrales de luminiscencia atmosférica.

2.2 Luz continua (luz blanca)

El límite de sensitividad debido al fondo de luz blanca se deteriora proporcionalmente al total de las contribuciones de luz natural y artificial. Una contribución del 10% del nivel natural, la cual empeora el desempeño del telescopio en la misma proporción, es generalmente aceptada como el límite máximo tolerable bajo condiciones ideales, excepto para el estudio directo de la luminiscencia atmosférica, el cual requiere condiciones mas estrictas. Esta contribución de luz artificial al brillo de cielo está especificada para una elevación de 45o con respecto al horizonte, y para longitudes de onda entre 300 y 1000 nanómetros (nm). Estas consideraciones dan lugar a la
recomendación 1.

2.3 Líneas espectrales

Consideraciones similares a las empleadas para la luz blanca se aplican también a luz artificial concentrada en líneas espectrales, como ocurre en el caso de lámparas de sodio, mercurio o metales halidos. Algunas de las líneas radiadas por estas lámparas se dan de manera espontánea en la luminiscencia de la atmósfera, y el criterio de interferencia dañina debe relacionarse con el nivel natural de radiación. Las emisiones en otras líneas espectrales son generalmente mas dañinas.

En la región óptica la luz emitida por lámparas de vapor de sodio de baja presión está confinada principalmente a un par estrecho de líneas, las líneas D del sodio, las cuales coinciden con líneas de emisión intensa de la luminiscencia atmosférica. Dado que la emisión atmosférica es a la vez intensa y variable, es poco probable que observaciones astronómicas puedan verse seriamente afectadas si el total de las emisiones artificiales dentro de la línea D del sodio no excede el nivel mínimo natural. Este criterio se aplica dentro de una banda de 1 nanómetro que contiene a las dos líneas D del sodio. Estas consideraciones dan lugar a la recomendación 2.

III. Niveles aceptables de interferencia en frecuencias de radio

La experiencia acumulada en observatorios ópticos muestra que señales de radio de transmisores cercanos y descargas eléctricas en cables de transmisión de corriente, pueden provocar interferencia seria con dispositivos electrónicos tales como detectores fotoelétricos (detectores optoelectrónicos y sus sistemas de control) y computadoras. Es importante mantener los niveles de potencia radiada por debajo de niveles identificados por experiencia como dañinos; mas aun, debe tenerse en cuenta cierto margen para futuros aumentos en la sensitividad de dispositivos electrónicos, que podrían acentuar la vulnerabilidad a los efectos de la interferencia. El nivel aceptable de interferencia debe cuantificarse sin tomar en cuenta las características de blindaje que pueda tener el edificio del observatorio. Estas consideraciones dan lugar a la recomendación 3.

IV. Absorción debida a contaminación atmosférica

Humo y polvo producidos por procesos industriales pueden absorber luz estelar y perturbar mediciones fotométricas. Aunque para observatorios en sitios elevados esta contaminación pueden quedar en principio confinada por debajo de la capa de inversión, queda la posibilidad de que una producción importante de calor debida a la actividad industrial perturbe localmente la capa de inversión. El aspecto mas dañino de la absorción es su variabilidad en escalas de tiempo de alrededor de 1 hora, intervalo de tiempo comparable al de la observación de un objeto celeste común. Estas consideraciones dan lugar a la recomendación 4.

V. Interferencia por aeronaves

Trazos de condensación provocadas por el paso de aeronaves y la acumulación de nubes que frecuentemente se a partir de estos trazos tienen serios efectos en la transparencia de la atmósfera. Luces de aeronaves pueden interferir directamente con observaciones astronómicas. Es esencial que rutas aereas regulares, y en lo posible las de aeronaves individuales, eviten el cielo visible desde observatorios astronómicos, con la excepción de elevaciones cercanas al horizonte. Incluso a elevaciones bajas aeronaves deben evitar la inmediación cercana a sitios astronómicos, ya que emisiones de gases y calor pueden afectar las condiciones para las observaciones astronómicas. Estas consideraciones dan lugar a la recomendación 5.

VI. Recomendaciones

6.1 Recomendación 1

El incremento en el brillo del cielo a una elevación de 45o debida a luz artificial dispersada en cielo abierto no debe exceder 10% del nivel mas bajo de brillo natural en cualquier región del espectro entre longitudes de onda de 300 y 1000 nm, excepto por el nivel en la línea de emisión de lámparas de sodio de baja presión indicada en la
recomendación 2 (cerca de la longitud de onda de 550 nm). El nivel natural de emisión en el continuo del cielo oscuro, en el cenit de un buen sitio, es de aproximadamente 10 Rayleight por nm, igual a 2.0×10-8 stilb o 2×10-4 cd m-2 a lo largo del rango visible. Este nivel, correspondiente a 21.6 magnitudes por segundo de arco cuadrado, puede derivarse del brillo promedio del cielo citado por C.W. Allen, Astrophysical Quantities. En condiciones naturales, el brillo a una elevación de 45o es aproximadamente 5% mayor que en el cenit. La aplicación de esta recomendación se discute en la sección 7.1.

6.2 Recomendación 2

El incremento en el brillo del cielo a una elevación de 45o debida a luz artificial de lámparas de sodio de baja presión, tomada como la intensidad total dentro de la banda comprendida entre 588.8 y 589.8 nm, no debe exceder el nivel mínimo natural de la misma banda (el nivel mínimo en un buen sitio puede considerarse para el propósito de esta recomendación de 30 Rayleigh; Allen). La aplicación de esta recomendación se discute en la
sección 7.2.

6.3 Recomendación 3

El flujo de potencia en radio frecuencias de transmisores situados cerca de un observatorio óptico debe restringirse de manera a que el flujo en espacio libre, calculado a partir de la potencia radiada por el transmisor y las características direccionales de la antena, pero sin incluir efectos de la topografía local del terreno o construcciones, debe ser menor a 2×10-6 W/m2 en todo el observatorio, sus edificios e instrumentos. La aplicación de esta recomendación se discute en la
sección 7.5.

6.4 Recomendación 4

La absorción atmosférica de luz estelar debida a contaminación industrial o de otro tipo no debe exceder del 1% de la luz en cualquier longitud de onda dentro del rango de 350 a 1000 nm, medida a ángulos de elevación mayores a 30o sobre el horizonte. Adicionalmente, el nivel de absorción no debe variar mas de 0.1% durante un periodo de 1 hora.

6.5 Recomendación 5

Aeronaves no deben de volar por encima de 10o con respecto al horizonte, vistas desde el sitio del observatorio, ni a una distancia menor a 5 km del sitio.

VII. Aplicación práctica de las recomendaciones

7.1 Luz continua

El brillo de cielo ocasionado por luz artificial dispersada en la parte visible del espectro electromagnético (aproximadamente entre 450 y 650 nm) ha sido relacionado con la emisión de luz de grandes ciudades en estudios prácticos, notablemente el de Walker (Lick Observatories, Bulletin No. 760). Los estudios de Walker incluyen un rango de distancias y un rango de tamaños de ciudades en California. Como ejemplo, la ciudad de Salinas tiene las siguientes características:

Población68,000
Emisión de luz urbana 4.2×107 lumens

Se encontró que el efecto de esta ciudad sobre el brillo del cielo nocturno, el cual incluye también una contribución adicional de otras fuentes de ilumación al descubierto, fue un incremento de 0.8 veces el nivel natural del cielo para una elevación de 45o y una distancia de 16 km. Esta medición se refiere al brillo integrado sobre las longitudes de onda de la luz visible. Mas adelante se encontró la siguiente ley:

Brillo del cielo proporcional a (población) × (distancia)-2.5.

De este ejemplo, y considerando la contribución desconocida de otras fuentes de iluminación se puede deducir la siguiente guia:

una población a 16 km (10 millas) de distancia de un observatorio no causará interferencia debido a la emisión de luz blanca si el alumbrado público está por debajo de 5×106 lumens.

Es necesario enfatizar que mediciones futuras pueden llevar a una revisión de esta indicativa.

7.2 Formas aceptables de iluminación urbana

Aparte de las lámparas de incandescencia, las únicas luminarias que pueden proveer iluminación útil en las calles sin tener efectos serios en las condiciones del cielo son las lámparas de sodio de baja presión (el uso de otras luminarias puede considerarse en circunstancias no ideales, como se contempla en la sección 7.3). El efecto en la intensidad de las líneas D del sodio debe, de acuerdo con la Recomendación 2, ser comparado con el nivel mínimo de brillo natural debido a la luminiscencia dentro de la banda entre 588.8 y 589.8 nm.

El brillo del cielo debido a las líneas D del sodio, mencionado por Allen (ver sección 6.2) fue medido en el observatorio de Kitt Peak por Broadfoot y Kendal (J. Geophysics Research 73, 426, 1968). Se encontró un efecto combinado de las líneas D del sodio equivalente a 30 R nm-1 promediado dentro de una banda de 1 nm (valores mayores pueden obtenerse en observatorios a mayores latitudes y en distintas épocas del año). Este valor es aproximadamente tres veces mayor que el brillo del cielo oscuro, promediado dentro de la misma banda de 1 nm.

Dado que el ancho de banda visible efectivo de la luz blanca es aproximadamente 100 nm, y dado que la Recomendación 2 permite duplicar el brillo del cielo dentro de la banda de 1 nm, la emisión permisible de lámparas de sodio de baja presión es aproximadamente un tercio del de las lámparas incandescentes.

7.3 El uso de otras luminarias de vapores de metales halides

Lámparas de mercurio, de sodio de alta presión y de metales halides son empleadas en muchas comunidades. Estas lámparas pueden estar afectando en la actualidad el brillo del cielo en observatorios existentes. Donde los niveles actuales de brillo del cielo debidos a estas lámparas no excedan los niveles recomendados para luz blanca, dados en la Recomendación 1, debe hacerse todo esfuerzo para restringir el aumento en su uso. Esta cuestión será tópico de discusión dentro de la Comisión 50, dentro de las siguientes líneas. Frecuentemente se encuentra en observatorios existentes que las líneas espectrales debidas a la emisión artificial de mercurio son tan intensas que impiden cualquier trabajo observacional en las longitudes de onda de dichas líneas. Pueden entonces ser conveniente el permitir mayor iluminación del cielo en las líneas del mercurio, con tal de que esta emisión de luz esté confinada a líneas delgadas, como es el caso en las lámparas de vapor mercurio. Las pocas líneas claramente afectadas por lámparas de vapor de mercurio representan una circunstancia menos dañina que el impacto en bandas anchas que tienen lámparas con corrección de color de vapor de mercurio y de sodio de alta presión, y el mucho mayor número de líneas espectrales y bandas en las que emiten lámparas de metales halides.

En todas las situaciones el uso de mercurio y sodio de alta presión con corrección de color y de lámparas de metales halides debe ser evitado, debido al complejo espectro de emisión que producen.

7.4 Blindaje de luminarias y filtraje de luz

La mayoría de las fuentes de luz tienen emisión dentro y fuera del rango visible. Emisiones fuera del rango visible no tienen ninguna utilidad para el alumbrado público y son dañinas al trabajo astronómico, el cual se hace en todas las regiones del espectro. Luz de longitud de onda pequeña es dispersada mas fuertemente en la atmósfera, afectando mas severamente las condiciones de observación. Existen filtros para emisiones con longitudes de onda menores a 440 nm, fuera del rango visual, con poco efecto dentro del mismo rango visual. Este filtraje es necesario con lámparas de vapor de mercurio, metales halide y fuentes fluorescentes, pero no es necesario para lámparas incandescentes, de sodio de baja presión o de sodio de alta presión.

La eficiencia de todo tipo de luminaria empleada en alumbrado público se mejora con el uso de escudos y reflectores que dirigen la luz hacia abajo, donde se necesita, y no hacia arriba, donde solo puede iluminar el cielo. El alumbrado público urbano, referido por Walker (sección 7.1), usa una variedad de tipos de lámparas e instalaciones, tanto cubiertas como descubiertas. Donde la emisión total de luz de una comunidad se aproxima al límite de interferencia determinado por las Recomendaciones, puede disponerse de una mayor instalación, con tal de que sean cubiertas y no den luz hacia arriba. El incremento en el brillo del cielo será en este caso producido por dispersión de luz reflejada por el suelo, lo cual es inevitable, y el incremento de alumbrado permisible dependería de la fracción de luz que llegaría finalmente al cielo.

7.5 Interferencia en radiofrecuencias

El nivel citado de 2×10-6 W m-2 corresponde a la máxima potencia de un transmisor de 1 kW, empleando una antena de dipolo a una distancia de 8 km. Para otras distancias se puede aplicar una ley de cuadrado inverso (por ejemplo a 20 km la potencia del transmisor debe acotarse a 6 kW; en la práctica deben tenerse en cuenta las características del patrón de emisión de la antena y las de la topografía local del terreno).
Alberto Carramiñana   (alberto @ inaoep.mx)
16 de mayo de 2004