EL USO DE IMÁGENES DE SATÉLITE COMBATIR LA CONTAMINACIÓN LUMÍNICA jaime zamorano, alejandro sánchez de miguel, francisco ocaña y josé castaño

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1 EL USO DE IMÁGENES DE SATÉLITE PARA COMBATIR LA CONTAMINACIÓN LUMÍNICA jaime zamorano, alejandro sánchez de miguel, francisco ocaña y josé castaño 80 nº167 mayo 2013

2 Imagen de la ciudad de Tokio tomada con el ESA Nightpod. Se puede ver claramente como los diferentes colores indican diferentes tipos de lámparas. (ESA/NASA) mayo 2013 nº167 81

3 Las imágenes nocturnas tomadas por los satélites se han convertido ya en un símbolo del derroche energético a escala global. Sin embargo, dichas imágenes han sido poco explotadas por la comunidad astronómica. En general los astrónomos estamos acostumbrados a otro tipo de datos y nuestros estudios en general se han basado en el estudio de la contaminación lumínica como una fuente de ruido, no como lo que es tristemente, la principal fuente de luz que reciben nuestros telescopios. Existen numerosos trabajos que durante años han tratado de estudiar cómo se propaga la luz de las ciudades en el cielo, incluso usando dichas imágenes se consiguió hace ya más de diez años poder construir un mapa global de brillo de fondo de cielo (Cinzano & Falchi 2001). Pero el estudio de la contaminación lumínica es muy peculiar, es un fenómeno difuso, cuya fuente es variable en ocasiones y que a diferencia del resto de objetos que vemos en el cielo es de origen terrestre y antropogénico. Ante la dificultad de medir de manera global el brillo de las ciudades, se optó por parte de los amateur en realizar medidas en tierra. Las imágenes de los satélites DMSP fueron casi nuestra única fuente de información desde la órbita para poder estudiar nuestras fuentes de contaminación de manera directa y global. Los DMSP tienen varias limitaciones, la prinartículo Imágenes de Satélite El uso de imágenes de satélite ha revolucionado la lucha contra la contaminación lumínica, y es posible estudiar el fenómeno de manera global y en alta resolución. Un equipo de la Universidad Complutense nos muestra cómo utilizan estas imágenes para conocer cuánto se contamina en España y en el mundo. 82 nº167 mayo 2013 cipal es que no dan información de color. Otro problema es su baja resolución. Y por último, su saturación en las zonas más brillantes, que por otro lado corresponden a los núcleos de las grandes ciudades que son los que producen la mayor cantidad de contaminación lumínica. LA LLEGADA DE LAS IMÁGENES DE LA ISS La misma construcción de la Estación Espacial Internacional (ISS por sus siglas en inglés en adelante) estuvo llena de polémica por su gran coste, como sucedió con el Telescopio Espacial Hubble. Pero como aquel telescopio, a veces las inversiones se rentabilizan de la manera más insospechada. Lo que fue el Hubble para la astronomía extragaláctica, lo están siendo las imágenes tomadas por los astronautas desde la Estación Espacial Internacional a la lucha contra la contaminación lumínica. Por iniciativa del astronauta Don Pettit, se desarrolla un sistema que se ha ido perfeccionando, por el cual es posible contrarrestar parte del movimiento de la ISS y poder hacer imágenes de unas pocas fracciones de segundo. De esta manera, tenemos un archivo desde el año 2003 de miles de imágenes nocturnas y en color. Estas imágenes nos dan información de cuáles son los lugares que más consumo producen, que muchas veces no son los lugares en los que se concentra la población. El color de estas imágenes también nos ayuda a estimar cuál es el tipo de iluminación que se utiliza en distintas partes del mundo. Este dato es vital, ya que hoy por hoy la ISS y sus astronautas son los únicos capaces de proporcionarnos estas imágenes en color. El color nos ayuda a determinar si la fuente de emisión es de sodio, mercurio, halógenos o LED, que es muy importante para conocer el impacto real en todos los parámetros en los que la contaminación lumínica afecta: eficiencia energética, efectos en la salud de las personas, impacto ambiental, seguridad vial, etc. CALIBRACIÓN DE LA ISS Sin embargo, las imágenes de la ISS adolecen de un gran problema, son imágenes que no usan filtros estándar, ni están en un satélite controlado por astrónomos. Por lo que por el momento la información que nos dan es de manera cualitativa, si bien, desde el Grupo de Astrofísica Extragaláctica e Instrumentación (GUAIX) del Departamento de Astrofísica y CC. de la Atmósfera de la Universidad Complutense de Madrid, llevamos trabajando un año en dicha calibración. Para ello se están utilizando las instalaciones del Laboratorio de Instrumentación Científica Avanzada, LICA, para caracterizar la respuesta espectral de las fuentes de contaminación con espectrógrafos portátiles y las cámaras que han usado los astronautas. Además de estos datos, usamos las propias imágenes que han tomado los astronautas para realizar la calibración. Esta calibración se realiza con imágenes de estrellas, que son bien conocidas y por procedimientos estándar hemos po-

4 1 1 Imagen HDR (Alto Rango Dinámico) de Madrid y región. Se aprecia cómo es posible ver el relieve y la emisión difusa de la contaminación lumínica de Madrid. También se pueden ver en blanco las luces ornamentales del centro de la ciudad. (NASA/A. Sánchez de Miguel) 2 Imagen de Madrid desde la ISS y desde el INTA-AHS, perteneciente al programa ESA-Desirex2008. (NASA/ESA/ INTA/J. Zamorano) Las imágenes desde satélite nos proporcionan datos mucho más detallados de cuánta luz emitimos al espacio y, por tanto, cuánta contaminación lumínica se inyecta en la atmósfera y perturba nuestro medio ambiente dido calibrar con estrellas dichas imágenes. A su vez, también usamos fuentes en tierra que tienen un brillo conocido para realizar la calibración. En nuestro caso utilizamos los focos de la estación de mantenimiento de las cocheras del Metro de Madrid (estación de Valdecarros) para realizar nuestro estudio. Además, disponemos de un vuelo sobre la ciudad de Madrid, patrocinado por la Agencia Espacial Europea y realizado por el INTA, con una cámara hiperespectral (proyecto DESIREX). Estas imáge- 2 nes están calibradas en radiancia y en más de quince bandas fotométricas, lo que nos permite tener un espectro de baja resolución de cada punto de la imagen, similar a los cubos de datos que se obtienen en astronomía. CÓMO SE TOMAN LAS IMÁGENES DE LA ISS La Estación Espacial Internacional se encuentra en una órbita casi circular bastante baja (por encima de 400 km en la actualidad). Tomar una imagen sobrevolando la Tierra a casi km/h no es sencillo, especialmente si además la nave puede moverse en las tres dimensiones a lo largo de varios ejes. Para ello la empresa holandesa Cosine fabricó un trípode muy especial, el NightPOD. Esta montura está especialmente diseñada para situarse en el módulo Cupola de la estación y tomar imágenes con precisión. Desde finales de 2011 se encuentra en órbita y está ayudando a astronautas como A. Kuipers o D. Pettit a tomar imágenes de alta definición. Cuando el astronauta se introduce en el módulo Cupola tiene accesibles para su cámara los 360 grados. Este módulo de la estación espacial fue construido por la ESA con, entre otras, la función de observatorio terrestre. Se instaló a principios de 2010 en el puerto nadir del módulo Tranquility, de manera que siempre está mirando hacia la Tierra. Hasta la fecha los astronautas solo podían mirar a través del ojo de buey del laboratorio Destiny, de apenas 50 cm. El observatorio Cupola cuenta con seis ventanas laterales y una superior, equipadas con obturadores, que a modo de persiana o contraventana protegen los cristales de los impactos con micrometeoroides cuando no están en uso. Una vez en la cúpula, el astronauta puede apuntar a unos 300 km a la redonda respecto del punto que sobrevuela la estación. Él solo tiene que disparar y el NigthPOD se encarga de compensar el desplazamiento de la nave y el resto de sus movimientos destinados a mantener siempre los paneles solares apuntando hacia el Sol. Pero el astronauta tiene que lidiar con otros problemas como mayo 2013 nº167 83

5 artículo Auroras Boreales 3 3 Mosaico de Europa realizado con varias pasadas de la ISS. Se aprecia el cambio de color entre España, Francia, Italia, y por ejemplo Bélgica o Irak, que utilizan diferentes tipos de luminarias. De fondo, en blanco y negro, la imagen del DMSP. En las noches de Luna llena es posible distinguir los terrenos junto a las luces de las ciudades como se puede ver en las partes que corresponden a Grecia, Turquía o Egipto. (NASA/A. Sánchez de Miguel y J. Zamorano) 84 nº167 mayo 2013 son las luces parásitas. Las luces del módulo han de ser apagadas, y todos los paneles de control tapados para evitar los reflejos en las ventanas. Los cristales están formados por cuatro capas, lo que aumenta el número de reflejos introducidos. Pero además están los módulos adyacentes, los nodos 1 y 3 y sus luces. Esto incluye el servicio, por lo que el astronauta fotógrafo ha instruido a sus compañeros en su uso a oscuras. Las cámaras a bordo de la estación han de estar certificadas para vuelo. La NASA hace tiempo que empezó a usar cámaras Nikon, y por ello son estas las que encontramos en la ISS. En concreto los modelos D2Xs y 3DS. Pero quizá lo más sorprendente sean los objetivos utilizados. El NightPOD está preparado para que la cámara use objetivos entre 10,5 y 800 mm de focal. Este último es un gran teleobjetivo de más de 5 kg de peso, que los astronautas manejan sin problemas en gravedad cero. Gracias al NightPOD el proceso de toma de imágenes es ahora más sencillo y se ha automatizado. El sistema toma imágenes secuencialmente de las zonas que sobrevuela la estación, compensando el desplazamiento durante la exposición de larga duración. MOSAICOS DE LA ISS Durante mucho tiempo, las imágenes de la ISS eran simplemente detalles de la superficie, unas veces con teleobjetivos, otras veces con grandes angulares, pero siempre imágenes sueltas. A partir de septiembre de 2012, comienzan a tomar imágenes de manera sistemática, en principio con el objetivo de realizar un documental sobre cómo se ve la Tierra de noche desde la Estación Espacial Internacional. Sin embargo, la utilidad de dichas imágenes va mucho más allá. Como ya comentamos en la introducción, la posibilidad de tener color en las imágenes nocturnas nos permite tener datos del tipo de lámpara que se está usando en cada región. Eso es un dato fundamental para conocer el impacto real de la contaminación lumínica en muchas áreas. Usando estas «tiras» de imágenes, podemos realizar mosaicos de grandes partes de la Tierra, haciendo así mapas de tipos de iluminación. Estas imágenes no han sido tomadas expresamente con fines científicos, por lo que para realizar dichos mosaicos es necesario realizar una serie de correcciones. En primer lugar han sido realizadas con grandes angulares y ojos de pez, por lo que es necesario corregir la distorsión que produce el objetivo. Por otro han sido tomadas con un ángulo muy grande, y, por tanto, también hay que corregir del efecto de perspectiva. Una vez corregido de estos efectos se selecciona una parte concreta de cada imagen. Aprovechando el movimiento constante de la estación espacial, permite escoger siempre la misma parte de la imagen que muestra una parte diferente de la Tierra, y por ello las diferentes correcciones son idénticas para cada imagen. Poco a poco, de esta manera vamos reconstruyendo de las imágenes deformadas un mapa de la emisión nocturna de la Tierra a todo color. El proceso de composición es artesanal y solo se puede automatizar para cada tira de imágenes. Por lo que, por el momento, solo disponemos de una pequeña porción de mosaicos demostración. Para realizar un mosaico global, similar a los realizados por el DMSP o SUOMI-NPP/VIIRS, sería necesario que la ISS tomase imágenes de manera continua y hoy por hoy eso no es posible debido al gran volumen de datos que supondría.

6 4 Para la investigación en contaminación lumínica, el color da información del tipo de lámpara que se está utilizando y esto influye en el impacto de dichas lámparas en el medio ambiente nocturno, la contaminación del aire y la salud humana Pero nos permite hacer mosaicos de países como el que se muestra de Europa. Aun así, estos mosaicos suelen hacerse con imágenes que suelen tener larga exposición, por lo que las ciudades no salen puntuales, pero la resolución sigue siendo mejor que la del DMSP. LA IMPORTANCIA DEL COLOR El color, desde el punto de vista científico y estético es fundamental. Para la investigación en contaminación lumínica, el color da información del tipo de lámpara que se está utilizando y esto influye en el impacto de dichas lámparas en el medio ambiente nocturno, la contaminación del aire y la salud humana. Diversas investigaciones han podido demostrar como la luz azul es mucho más dañina para el medio ambiente. Como contábamos hace ya más de diez años en esta revista, los insectos son mucho más sensibles a dichas longitudes de onda y se ven atraídos por los colores más azules. El efecto de la contaminación lumínica en la contaminación del aire esta aún en investigación, pero el 31 de octubre de 2011 se publicó en la prestigiosa revista Nature Geoscience un artículo en el que se relacionaba la emisión luminosa de Los Ángeles con los niveles de contaminación en el aire. En principio, el efecto de la iluminación nocturna ralentizaría la limpieza que se produce durante la noche de los compuestos de óxidos de nitrógeno, que durante el día produce el smog fotoquímico. Según dicho artículo, dicho efecto es más notable para lámparas con una emisión azul más importante. SUOMI-NPP/VIIRS El satélite SUOMI-NPP (Suomi National Polar-orbiting Partnership) fue concebido como sustituto de los satélites meteorológicos para la defensa estadounidenses (DMSP) y los satélites de estudio del medio ambiente de la agencia meteorológica estadounidense (NOAA). Entre los instrumentos del SUO- MI hay un clon mejorado de las cámaras OLS de los ya mencionados 4 Imagen de la península ibérica, en la que se puede apreciar fácilmente la frontera entre España y Portugal por el uso en España de lámparas de mercurio poco eficientes. (ESA/NASA) DMSP. Esta cámara, VIIRS, permite detectar con mayor sensibilidad la luz emitida por las ciudades, por los incendios y por cualquier fuente emisora en la superficie terrestre, ya sea de día como de noche. Es tal la sensibilidad de esta cámara que es capaz de detectar señal en las superficies más oscuras del suelo de nuestros campos en noche cerrada. Además de ser más sensible, el SUOMI tiene el doble de resolución que sus predecesores y no tiene los problemas de saturación que presentan los satélites DMSP. De esta manera, las imágenes del SUOMI nos proporcionarán datos mucho más detallados de cuánta luz emitimos al espacio y, por tanto, cuánta contaminación lumínica se inyecta en la atmósfera y perturba nuestro medio ambiente. INFORMACIÓN GEOGRÁFICA Y LA CONTAMINACIÓN LUMÍNICA Los Sistemas de Información Geográfica (SIG) proporcionan una serie de herramientas con las que poder tratar las imágenes proporcionadas por los diferentes satélites. Se trata de su análisis en el que mayo 2013 nº167 85

7 artículo Imágenes de Satélite 5 5 Identificación de estrellas para la calibración de las imágenes de la ISS. (NASA/ESA/J. Zamorano) 6 El ESA NightPOD instalado en una maqueta de la Cupola de la ISS. (ESA/ NASA) estas se integrarían con otras fuentes de información, como pueden ser medidas tomadas por sensores y otras capas cartográficas puestas a disposición por diversas fuentes. La información disponible se encuentra disponible por medio de ficheros en formato SHP o a través de servicios de mapas. Estos están organizados de acuerdo a la Infraestructura de Datos Espaciales de España ( mantenida por diversos organismos públicos y privados dentro de los Grupos de Trabajo del Instituto Geográfico Nacional (IGN). El primer paso consiste en la georreferenciación de las imágenes. Este proceso permite orientar y situar las imágenes con respecto a la superficie terrestre. Se identifican una serie de puntos reconocibles sobre la imagen, de los que 86 nº167 mayo se conoce su posición geográfica. Con software adecuado, se genera una nueva imagen con la misma información que la original, pero con información de latitud y longitud de cada píxel. Un software potente, fácil de utilizar y de libre distribución es gvsig ( El siguiente paso consiste en la selección de las capas útiles, dependiendo del análisis que se desee llevar a cabo. Por ejemplo utilizaremos información sobre Usos del Suelo, procedente de la información SIOSE. Al situar las imágenes de los diversos satélites sobre ella, es posible identificar las zonas del país, atendiendo a su uso, que influyen en las emisiones. Otras capas de interés son las que delimitan el territorio, en comunidades autónomas, provincias y municipios. Se lleva a cabo un recorte de la imagen utilizando como base los ficheros SHP proporcionados por el IGN. Para ello se han desarrollado una serie de programas a propósito para ello. De esta forma es posible delimitar las zonas de influencia y conocer los valores por cada unidad administrativa de España, o del mundo, en el caso de utilizar cartografía global. Por último, el uso de estas herramientas nos permite la publicación más eficaz de los resultados. Se pueden crear aplicaciones web como la de comparación y detección de puntos brillantes ( es/ucm/lightsources) que hacen más fácil el acceso a estas. RESULTADOS PARA ESPAÑA Hasta hace muy poco, el uso que se hacía en España de las imágenes nocturnas era meramente contemplativo o como mucho por parte de los astrónomos amateur para la búsqueda de lugares buenos para la observación astronómica. Esto empezó a cambiar hace ya siete años con los primeros estudios que realizamos en nuestro grupo de las imágenes del satélite DMSP. Estos trabajos nos han ayudado a tener un mejor conocimiento de la posición de España en el panorama lumínico europeo. En todas las imágenes nocturnas vemos como España no destaca por su gran brillo o su gran oscuridad a diferencia de Holanda, Bélgica o Italia. Esto se debe a la baja densidad de población que tiene nuestro país, el menos densamente habitado de la Unión Europea junto con Irlanda. Por ello, deberíamos de tener una mayor oscuridad que nuestros vecinos, pero esto no es así. Además de esto, España es el país de la Unión Europea en que la población vive más concentrada, es decir, donde vive más gente por su-

8 perficie natural alterada. Por ello podríamos esperar que una menor superficie por habitante haría que fuera más barato iluminar las calles españolas que las de otros países. Pero paradójicamente hemos visto que no es así. Las imágenes del DMSP, junto al análisis detallado de las estadísticas, nos han ayudado a ver como en España tenemos las calles más iluminadas de Europa. Gracias a las imágenes del DMSP pudimos ver que estaba relacionada la cantidad de área iluminada en dichas imágenes con la potencia de las farolas que había en las calles de cada país y las de España eran las más potentes de la UE. Usando las imágenes de la ISS, hemos podido comparar las ciudades de Europa y ver como las nuestras son mucho más brillantes o cómo se distingue la frontera entre Portugal y España por el uso de lámparas de mercurio en nuestro país, que deberían de estar erradicadas debido a su baja eficiencia, como lo han sido de nuestros vecinos. Este pasado abril presentamos finalmente el trabajo de estos siete años de análisis y hemos podido, utilizando estas imágenes del DMSP, reconstruir la evolución del gasto eléctrico en alumbrado público. Estas imágenes serán el futuro control del gasto en esta materia, ya que el Ministerio de Industria ha dejado de hacer estadística del gasto energético en alumbrado público. De los datos que disponemos actualmente, aparentemente el crecimiento en la emisión a la atmósfera no se ha detenido, sino que sigue creciendo. Solo las grandes urbes de este país parecen que quizás hayan congelado su crecimiento, pero la inmensa mayoría de las provincias continúan creciendo. Sin embargo, el análisis de los datos del DMSP es duro y lleno de dificultades ya que son imágenes de baja resolución, en general no calibradas y saturadas en los grandes focos de contaminación lumínica. El futuro a corto plazo son los nuevos datos del SUOMI-NPP/VIIRS y la ISS. CONCLUSIONES Las imágenes de satélite nos han dado una nueva perspectiva más global de la contaminación lumínica, no solo desde el punto de vista de la divulgación del fenómeno, sino también desde el punto de vista de la investigación, control y medida del problema. En el caso de España se ve como aún estamos lejos de tener controlado el fenómeno, pero ya sea por la crisis, ya por el aumento de la concienciación, algunos territorios están cambiando su tendencia, si bien no es suficiente para revertir la continua degradación del paisaje nocturno de manera global. ( ) Los autores son miembros del Grupo de Astrofísica Extragaláctica e Instrumentación (GUAIX) del Departamento de Astrofísica y CC. de la Atmósfera de la Universidad Complutense de Madrid. SUSCRÍBETE A MÈTODE y elige tu regalo! Suscripción anual (4 números al año): 25 para España, 40 para el extranjero. mayo 2013 nº SUSCRIPCIONES: Publicaciones de la Universitat de València. Tel.: C/ Artes Gráficas 13. Valencia