Licht en straling als 'vervuilers'

De invloed van kunstverlichting op de sterrenhemel. Links een stukje sterrenhemel onder normale (onbewolkte) omstandigheden; rechts dezelfde sterrenhemel vanuit de Amerikaanse provinciestad Arlington (Virginia).
(Foto: International Dark-Sky Association)
Wie wel eens in een planetarium is geweest, heeft zich misschien wel verbaasd over het ‘kunstmatige’ aanzien van de sterrenhemel die daar wordt geprojecteerd. Veel te veel sterren! Jammer genoeg is het andersom: de sterrenhemel in een planetarium lijkt best goed op de echte sterrenhemel... Maar onze sterrenhemel is allang niet meer zo mooi als vroeger. Dat heeft natuurlijk niets met de sterren zelf te maken, maar alles met het feit dat de mens zijn omgeving verlicht met kunstlicht. En daarbij is het niet gebleven. Met onze mobiele telefoons, garagedeuropeners en talloze radio- en televisiezenders wordt nóg iets aan het milieu toegevoegd: radiostraling.
Een wereld zonder straat- en gevelverlichting, mobiele telefoons en satelliettelevisie is natuurlijk nauwelijks denkbaar meer. Maar sterrenkundigen zijn daar in één opzicht helemaal niet blij mee: kunstlicht en aardse radiosignalen verstoren het zicht op het heelal.

Straling

Er zijn maar weinig woorden die bij de leek zo veel angst inboezemen als het woord ‘straling’. Het roept gedachten op over mannen in beschermende pakken, Tsjernobyl en atoombommen. Toch zijn veel soorten straling onschuldig. Ook zichtbaar licht is een vorm van straling, evenals de warmte die van een verwarming af straalt.
Straling, of beter gezegd: elektromagnetische straling, is eigenlijk een verzamelterm. Het omvat niet alleen gevaarlijke soorten, zoals ultraviolette en röntgenstraling, maar ook zoiets onschuldigs als zichtbaar licht. Alle vormen van straling hebben één ding gemeen: ze kunnen zich door de lege ruimte voortplanten in de vorm van golven (zoals golven in water). Het belangrijkste verschil tussen bijvoorbeeld zichtbaar licht en röntgenstraling is dat lichtgolven veel langer zijn dan röntgengolven. Een bundel zichtbaar licht die van links naar rechts over deze bladzijde gaat, golft onderweg enkele honderdduizenden malen op en neer. Een röntgenbundel golft op hetzelfde traject enkele honderden miljoenen malen op en neer.

Overzicht van het elektromagnetische spectrum. De golflengtebereiken van de verschillende soorten straling zijn:
radiostraling – 100 km - 1 mm
infrarood – 1mm - 0,001 mm
zichtbaar licht – 800 nm - 400 nm
ultraviolet – 400 nm - 10 nm
röntgen – 10 nm - 0,001 nm
gammastraling – 0,001 nm - 10-6 nm
(Illustratie: Wright Center for Science Education. Een Engelstalige versie van deze afbeelding is voor onderwijsdoeleinden gratis aan te vragen bij Wright Center, Department W, Science & Technology Center, Tufts University, 4 Colby Street, Medford, MA 0215 USA)

Om je een voorstelling te kunnen maken van zo’n lichtgolf, kun je een heel eenvoudig experimentje uitvoeren. Maak een ongeveer drie meter lang springtouw aan één kant vast aan een deurklink. Doe een paar passen terug en beweeg het andere uiteinde op en neer, totdat er een mooi golfpatroon met twee pieken ontstaat. Deze golf kun je een beetje vergelijken met een lichtgolf (al staat een lichtgolf natuurlijk niet stil tussen twee vaste punten). Het aardige is dat de analogie nog iets verder gaat dan dat. Probeer door het vrije uiteinde sneller op en neer te bewegen maar eens meer dan twee golfpieken in het touw te maken. Dan blijkt dat het méér energie kost om méér golfpieken, en dus een kortere golflengte, te verkrijgen. Voor straling geldt hetzelfde: straling met een korte golflengte is energierijker dan straling met een lange golflengte. Elektromagnetische straling is eigenlijk niets anders dan een methode om energie van het ene punt naar het andere te verplaatsen.
Met deze kennis in het achterhoofd is het ook gemakkelijk te begrijpen waarom röntgenstraling gevaarlijker is dan zichtbaar licht. Röntgenstraling voert nu eenmaal veel meer energie met zich mee.
Nog even terug naar het touw: om meer golven te maken, blijk je het touw sneller op en neer te moeten bewegen. Er is dus een verband tussen golflengte en het tempo van op en neer bewegen, dat ook wel de frequentie wordt genoemd. Straling kan worden gekarakteriseerd met behulp van de golflengte, maar net zo goed met de frequentie: kortgolvige straling heeft een hoge frequentie en vice versa. Radiostraling wordt inderdaad vaak met frequenties gekarakteriseerd; de eenheid die daarbij wordt gebruikt is de hertz (1 Hz = 1 trilling per seconde).

Vensters

Elk object of hemellichaam zendt straling uit: een steen, een mens, een komeet of een ster – het maakt niet uit. Maar niet elk object zendt dezelfde soorten straling uit. Een hete ster produceert veel meer energie dan een steen. De eerste zal bijvoorbeeld naast zichtbaar licht ook ultraviolette straling en röntgenstraling uitzenden; de laatste geeft alleen een beetje (langgolvige) infraroodstraling (warmte!) af. Zelfs een ijsklontje is nog warm genoeg om infrarode straling uit te zenden.
Door de specifieke samenstelling van de straling van een hemellichaam te analyseren, kunnen sterrenkundigen kennis over dat hemellichaam verzamelen. Zo’n object verraadt door zijn soort straling niet alleen zijn temperatuur, maar ook andere eigenschappen, zoals zijn scheikundige samenstelling.
Maar lang niet alle straling uit het heelal komt op aarde aan. De aardatmosfeer filtert er allerlei (schadelijke) soorten uit. Vanaf de aarde gezien kent het elektromagnetische spectrum slechts een paar kleine ‘vensters’ waar straling doorheen komt. Het betreft vrijwel uitsluitend radiostraling, infraroodstraling en zichtbaar licht. De rest wordt door de luchtmoleculen in onze atmosfeer geabsorbeerd en onschadelijk gemaakt.
Die atmosfeer is ook de belangrijkste reden dat sterrenkundigen het vaak hogerop zoeken. Op hoge bergtoppen komt meer straling uit de ruimte aan dan op zeeniveau. Nog beter is het natuurlijk om maar helemaal boven de dampkring uit te stijgen – iets dat sinds de jaren zestig van de 20ste eeuw dan ook geregeld gebeurt. Met behulp van satellieten zijn alle mogelijke vormen van elektromagnetische straling uit het heelal waargenomen.

Licht- en ethervervuiling

In diezelfde 20ste eeuw zijn echter ook het kunstlicht en de radio uitgevonden. En dat heeft voor problemen gezorgd bij de observationele sterrenkunde. Het kost soms heel veel moeite om het zwakke licht of het zwakke radiosignaal van een melkwegstelsel op te vangen. En als er dan een snelweg naast de sterrenwacht wordt gebouwd, of iedereen met mobiele telefoons in de weer gaat, komen de zwakke signalen uit het heelal behoorlijk in de verdrukking. Het is alsof je tijdens een bezoek aan een donkere, sfeervol verlichte druipsteengrot wordt verrast door een buslading toeristen die al hun camera’s laten flitsen.
Het probleem van overdadige verlichting wordt wel lichtvervuiling genoemd, en dat van de storende radiostraling ethervervuiling. Voor beide problemen, die sterrenkundige waarnemingen verstoren, bestaan oplossingen, maar sommige zijn kostbaar of onpraktisch. Er is natuurlijk geen sterrenkundige die serieus denkt dat je de klok van de licht- en ethervervuiling kunt terugdraaien. Maar gelukkig heeft hij in sommige gevallen een machtige bondgenoot: ‘Vrouwe Economia’.

Wie wil er nu betalen voor een straatlantaarn die het licht omhoog straalt, in plaats van naar beneden? Als je zo eens om je heen kijkt, vindt blijkbaar bijna niemand dat gek. Maar gelukkig komen veel overheden er langzamerhand achter dat strooilicht – hoe verrassend! – geld kost. Op steeds meer plaatsen worden dan ook straatlantaarns geplaatst die ook echt alleen de straat verlichten. Aan de andere kant komen er wel steeds meer lichtbronnen bij, niet in de laatste plaats bij gewone woonhuizen.
Soms wordt er een onwaarschijnlijke overwinning geboekt in de strijd tegen het licht. John Pazmino, van een vereniging voor amateur-astronomen in de stad New York, is er na de nodige jaren van lobbyen in geslaagd om instanties en bedrijven in Manhattan ertoe te bewegen wild om zich heen stralende lampen en lantaarns te vervangen door traanvormige modellen, die een zacht wit licht omlaag stralen. Slechts op een enkele plaats staan nog de oude, gele, niet-afgeschermde lampen, die griezelige schaduwen werpen en verblinden. Kerkgebouwen en andere monumentale panden worden niet meer van beneden naar boven aangelicht, maar van boven naar beneden. Hierdoor lijkt Manhattan vanaf het Empire State Building gezien nu veel donkerder dan de omringende stadsdelen Brooklyn, Queens en New Jersey.
In Central Park is nu weer mogelijk wat op tal van plaatsen in West-Europa niet meer mogelijk is: kijken naar een mooie sterrenhemel. Er worden in het park zelfs weer star parties gehouden!

Westerbork

In Nederland hebben professionele sterrenkundigen niet zo veel last van de lichtvervuiling: de paar (betrekkelijk) kleine universiteitssterrenwachten van ons land zijn allang opgeheven of in handen van amateur-organisaties overgegaan. Deze sterrenwachten lagen vroeger aan de rand van de stad, maar zijn door stadsuitbreidingen min of meer in het helder verlichte centrum terechtgekomen. Verder zijn ook de klimatologische omstandigheden in Nederland verre van ideaal. Het is dan ook niet zo vreemd dat onze sterrenkundigen zijn uitgeweken naar plaatsen waar je de sterrenhemel beter en vaker kunt zien, zoals het Canarische eiland La Palma en de droge woestijn van Noord-Chili.
Dat betekent echter niet dat er hier geen professioneel sterrenkundig onderzoek meer wordt gedaan. Integendeel: bij Westerbork staat nog steeds een van de belangrijkste sterrenkundige waarneeminstrumenten ter wereld. Het is geen ‘gewone’ telescoop, maar een rij radiotelescopen – reusachtige, schotelvormige antennes waarmee radiostraling uit het heelal wordt opgevangen, zoals je met een satellietschotel het signaal van een televisiesatelliet oppikt. De beelden die dat oplevert zien er heel anders uit dan de foto’s die van hemelobjecten worden gemaakt, maar voor wetenschappers zijn ze niet minder interessant.

Gestoorde radiosignalen

Bijna iedereen kent het wel: je zit televisie te kijken en ondertussen zet iemand de magnetron aan. Gevolg: allemaal rare strepen over het beeld en soms ook een gestoord geluid. Met soortgelijke verschijnselen kampen radiosterrenkundigen al jaren.
Hieronder zijn twee plaatjes te zien. De bovenste is een radiokaart van een stukje sterrenhemel bij een frequentie van 4899 megahertz: elk vlekje is een object aan de sterrenhemel. Het pijltje heeft de positie van een ster aan waarin men op dat moment geïnteresseerd was.
Het plaatje eronder toont hetzelfde hemelgebied, maar dan bij een frequentie van 4909 megahertz – vlak ‘naast’ de vorige frequentie dus. Van hemelobjecten is geen sprake mee: ze gaan volledig ten onder in een stoorsignaal van aardse oorsprong.

Radiotelescopen hebben het voordeel dat ze dwars door de bewolking heen kunnen kijken, en ook weinig last hebben van de zon. Met andere woorden: de radiotelescoop van Westerbork kan het hele jaar door de hele dag waarnemen. Maar ook hier is niet alles rozengeur en maneschijn. In toenemende mate wordt het radiospectrum – de ‘ether’ – actief gebruikt voor communicatiedoeleinden. Weliswaar zijn bepaalde frequenties gereserveerd voor sterrenkundig onderzoek, maar de druk om ook deze veilige havens vrij te geven voor commercieel interessantere toepassingen wordt steeds groter. Voorlopig lukt het – dankzij het nodige technische kunst- en vliegwerk – nog om ongewenste radiosignalen weg te filteren of anderszins te vermijden. Maar bij het ontwerp van toekomstige radiotelescopen zal ernstig rekening moeten worden gehouden met een toenemende drukte in de ether!

Websites met meer informatie:
http://www.lichtvervuiling.nl
http://www.darksky.org/ida/index.html