Seminario de técnicas de medida de contaminación lumínica

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Del 8 al 9 de junio de 2013  se desarrolló  en la Casa de la Ciencia de Sevilla un seminario sobre aplicación de técnicas para la medición de la contaminación lumínica mediante el uso de instrumentación específica basada en el ASTMON, el SQM y el MAROC.

Miembros de la RAdA procedentes de la Asociación Astronómica Cielo de Guadaíra y de la Agrupación Astronómica Ibn Firnás de Sevilla, de la Agrupación Astronómica Luz Cero del Campo de Gibraltar y Asociación Astronómica de la Bahía de Cádiz-M13 de Cádiz y de la Sociedad Malagueña de Astronomía participaron en el seminario junto a otras personas interesadas que se matricularon.

La primera parte durante la mañana y tarde del sábado, el curso transcurrió con las explicaciones técnicas y desarrollo, en su caso, y protocolos de actuación de los diferentes sistemas de medición. La noche del sábado se realizaron las prácticas y el domingo se dedicó al tratamiento de las imágenes obtenidas en la noche anterior terminando con una mesa redonda sobre las conclusiones obtenidas durante el desarrollo del curso.

Las ponencias estuvieron a cargo de Francisco Cordero, centrada en el manejo del ASTMON y posterior tratamiento de imágenes; Blanca Troughton sobre mediciones y protocolos con métodos sencillos, SQM; Juan José Narváez sobre el desarrollo de la idea del MAROC, Arturo Barranco sobre la mecánica del MAROC y Fernando Fernández sobre el software del MAROC y posterior tratamiento de imágenes.

ASTMON

All-Sky Transmition MONitor – ASTMON  desarrollado por ITEC ASTRONÓMICA S.L.  es un instrumento desarrollado específicamente para la caracterización y medida de la contaminación lumínica. Consiste en una cámara CCD con una rueda porta filtros y un objetivo ojo de pez, que provee al instrumento de un campo de visión de 180 grados en todas las direcciones. Puesto que la contaminación lumínica en su definición, es la fracción de luz artificial que es difundida por la atmósfera, esta puede ser cuantificada mediante el conocimiento del brillo superficial del cielo, magnitud que es determinada por ASTMON mediante un software de control completamente automático.

Francisco Cordero explicando las características del ASTMON
Francisco Cordero explicando las características del ASTMON

Las medidas son realizadas en diferentes bandas espectrales elegidas en el sistema fotométrico de Johnson, habitualmente utilizado en astronomía. Puesto que son conocidos los brillos o magnitudes de las estrellas en dicho sistema fotométrico, es posible obtener un punto cero instrumental y en consecuencia se puede calibrar el brillo del fondo del cielo. De esta manera, se pueden elaborar mapas de brillo del cielo comparables entre diferentes lugares.

Dichas estaciones están preparadas para soportar condiciones de intemperie, para lo cual, el instrumento está albergado en un cajón forrado con espuma de poliuretano tipo sándwich y con diversos mecanismos de ventilación para controlar la temperatura dentro del habitáculo.

El instrumento está diseñado como un todo, ya que contiene todo lo necesario para poder realizar las medidas. Tanto el PC como toda la electrónica de control están integrados en el instrumento. Por tanto puede ser utilizado como estación fija o móvil.

El proceso de medida es completamente automático y no precisa de ningún operador humano, siempre y cuando se trate de estaciones fijas. A diferencia de otros sistemas tipo All-Sky, ASTMON es un instrumento que realiza todas las tareas necesarias para obtener una medida del brillo del cielo (y por tanto medida de la contaminación lumínica) sin necesidad de tener conocimientos previos en procesado de imágenes astronómicas. El sistema comienza las medias automáticamente al atardecer y las finaliza al amanecer, generando como mínimo cada 5 minutos diversos mapas de contaminación lumínica cada uno en un filtro distinto.

El software desarrollado de reducción automático para procesar rigurosamente las imágenes obtenidas por la cámara CCD aplica todos los algoritmos utilizados habitualmente en fotometría en los observatorios astronómicos profesionales. ASTMON es capaz de obtener un “mapa” del cielo con las magnitudes del brillo superficial del cielo en solo un minuto. Así mismo, puede obtener un mapa de cobertura de nubes, ya que el programa de control es capaz de identificar las estrellas del campo. Complementariamente también es capaz de medir la extinción estelar provocada por la atmósfera. El formato de salida de los datos es una imagen en formato FITS (formato estándar utilizado en Astronomía profesional) donde el valor de cada pixel es el brillo superficial del cielo medido para la banda en cuestión. De cara a presentar la información fácilmente en página WEB, todos los mapas generados también se graban en formato JPEG.

SQM

El fotómetro de gran sensibilidad comercializado por la casa Unihedron de nombre SQM (Sky Quality Meter) es de uso común entre los aficionados a la astronomía para hacer una estimación aproximada de la calidad del cielo nocturno en un lugar determinado. El cono de luz donde realiza la medición el modelo SQM-L abarca 20º de diámetro obteniéndose un valor del brillo del fondo del cielo en la banda espectral del filtro V en las unidades aceptadas profesionalmente (mag/arcseg2). Los modelos SQM-LU y SQM-LE tienen salidas USB y Ethernet respectivamente. La Sociedad Española de Astronomía a través de su comisión Pro-Am ha establecido en el proyecto NIXNOX el protocolo a seguir para que estas mediciones tengan validez científica y permitan comparar los datos obtenidos en diferentes lugares o en un mismo lugar a lo largo del tiempo. El equilibrado y puesta en estación del SQM es imprescindible, lo que implica el uso obligado de un trípode o base equivalente. La toma de medidas en noches despejadas, sin luna y dos horas después del atardecer o antes del amanecer son requisitos imprescindibles. El protocolo exige realizar 10 tomas en una misma posición y promediar.

Blanca Troughton comentando los protocolos de medición de la contaminación lumínica
Blanca Troughton comentando los protocolos de medición de la contaminación lumínica

Al término de la exposición Felipe Gallego presentó la idea de la elaboración de un proyecto en el que participaran los miembros de la RAdA ubicando estaciones fijas para el seguimiento de la evolución del valor del brillo del fondo del cielo mediante el uso del SQM-LU o SQM-LE dependiendo de la facilidad de conexión con un ordenador con el objetivo de obtener datos on-line vía internet de todas las estaciones, basándonos en la experiencia llevada a cabo actualmente por Borja Tosar de la Agrupación Astronómica Coruñense Io.

MAROC

MAROC, acrónimo de Medición Automática y Robotizada de la Oscuridad del Cielo, da nombre a un aparato y un software que, basado en el popular Sky Quality Meter (SQM) de Unihedrom, facilita enormemente el tedioso trabajo de medir manualmente la calidad del cielo.

Aunando elementos mecánicos y eléctricos fácilmente adquiribles, un circuito electrónico basado en un microcontrolador muy económico y un ingenioso software, la Asociación Astronómica del Campo de Gibraltar, Luz Cero, ha ideado, diseñado y construido esta herramienta que es capaz de medir todo el cielo en pocos minutos y hacer un análisis in situ de los resultados obtenidos.

Juan José Narváez exponiendo el desarrollo de la idea del MAROC
Juan José Narváez exponiendo el desarrollo de la idea del MAROC

La electrónica de la montura altazimutal, usa protocolo de comunicación RS232  transformado a USB.

Como microcontrolador usa un PIC 16F84A que coordina las tensiones que mueven dos motores paso a paso bipolares. Cada motor, con su piñón, mueve una corona que hace girar el SQM, uno en altitud y otro en acimut. El de altura está montado sobre una estructura vertical carenada que contiene motor, transmisión y sujeción del SQM. A su vez, esa estructura vertical es sustentada por otra horizontal, formada por dos discos de metacrilato, en cuyo interior se contienen el motor de acimut, transmisión y  eje principal. Para evitar deslizamientos y vibraciones, la montura está fijada por imanes a un maletín con patas nivelables para su puesta en estación. Dicho maletín también guarda electrónica, enchufes y batería.

El software desarrollado se libera con licencia GPL v3 para permitir su libre uso y mejora.

Es muy adaptable para ajustarse tanto a diferentes configuraciones de motores y coronas como a diferentes protocolos de medida.

La aplicación para el microcontrolador PIC16F84 recibe, por el puerto serie, instrucciones para mover los dos motores.

Fernando Fernández mostrando el diseño del software del MAROC
Fernando Fernández mostrando el diseño del software del MAROC

La aplicación java, compatible con MS-Windows y Linux, controla la montura del MAROC y el SQM para realizar las medidas. Genera el archivo Excel en el formato solicitado por NixNox y una imagen visual con los datos interpolados.

Tratamiento de imágenes con ASTMON

El programa de  control del ASTMON genera una carpeta titulada con la fecha de la operación: añomesdía (ejemplo: 20130215) significa que los datos de esa carpeta corresponden al día 15 de febrero de 2013. Es frecuente, sobre todo con las tomas automáticas que el equipo comience en las últimas horas de un día y se desconecte a primeras hora de la mañana, en cuyo caso generará dos carpetas distintas con fechas sucesivas.

A su vez, la carpeta contiene cinco subcarpetas y un archivo:

  • CloudMaps que contiene el mapa de las nubes en archivos tipo .fit y .jpg (si así se ha elegido en el menú Setup)
  • Extinción que contiene la identificación de las estrellas de referencia consideradas para el cálculo, la masa de aire,  los valores del coeficiente de extinción ±error y fecha de cada toma.
  • Logs contiene un archivo de texto con todas las operaciones detalladas por tiempo hor:minuto:segundo que ha realizado el equipo durante la jornada, incluyendo valores máximos y mínimos del brillo del cielo SBhigh y SBlow en magnitud/arcsec2.
  • RawFiles que contiene las imágenes brutas obtenidas en .fit y .jpg (según la opción elegida en el Setup) indicando el filtro Jhonson-Cousins que se ha usado (B, V, I) los valores que se pueden leer situando el puntero en el punto deseado, nos los entrega en cuentas por pixel.
  • SkyBrightness que contiene las mismas imágenes anteriores pero ya reducidas con darks y bias (flats no toma)  y con el cálculo fotométrico ya ejecutado por el programa, por lo cual al pasar el ratón por ellas, nos da directamente valores en magnitud/arcsec2.
  • Por último entrega un archivo StartEnTime que nos dice la hora de arranque y parada de la operación que se encuentran en un archivo del programa para el cálculo del ocaso y crepúsculo astronómico.,

Como anteriormente se ha comentado, se puede seleccionar en el menú SETUP la opción de que nos entregue además archivos en .jpg por si se quiere publicar o distribuir la imagen.

Francisco Cordero realizando el tratamiento de imágenes con ASTMON
Francisco Cordero realizando el tratamiento de imágenes con ASTMON

Las imágenes .fit obtenidas podemos analizarlas con IRAF con las órdenes display e imexamine, con SAOImage DS9 desde IRAF o en Windows, o con Maxim o Fit Liberator de ESA/NASA.

Con el programa Aladin podemos obtener imágenes de isófotas del cielo completo mediante la orden cont.

Tratamiento de imágenes con MAROC

La gráfica generada por MAROC usa una interpolación denominada Kriging (o Krigeaje) ordinario con un modelo de semivarianza lineal. Es un método geo-estadístico de estimación de puntos basado en la premisa que la variación espacial continúa con el mismo patrón.

Arturo Barranco procediendo al tratamiento de imágenes con MAROC
Arturo Barranco procediendo al tratamiento de imágenes con MAROC

Para nuestro caso concreto se ha establecido una paleta de 24 colores en diferentes tonos de azul. Los valores elegidos como mínimos y máximos son 19,4 y 21.8 respectivamente.

Mesa redonda

Para terminar se resumieron en una mesa redonda las conclusiones y las propuestas planteadas a lo largo del curso. Realizar este artículo fue una de las propuestas.

En el proyecto MAROC se propuso la posibilidad de fijar un protocolo para la escala absoluta de color de los mapas de isofotas, ya que el MAROC puede usarse para medir la calidad del cielo nocturno en entornos menos astronómicos con valores en mag/arcseg2 por debajo de 19 para los cuales dejan de obtenerse isofotas por el rango definido en la escala de color del protocolo NIXNOX. Por otro lado, se va a canalizar por parte de la RAdA toda la ayuda necesaria para las aplicaciones a monturas computerizadas que implicarán el uso universal del MAROC.

MAROC tomando medidas en la azotea de la Casa de la Ciencia
MAROC tomando medidas en la azotea de la Casa de la Ciencia

El proyecto de las estaciones fijas con SQM-LU o LE se vio de gran utilidad para entornos especiales bien para observar o relacionados con el medio ambiente y la fauna. Además se va a proponer a los miembros de la RAdA que tengan interés en llevar un seguimiento continuo en algún lugar emblemático o incluso la propia sede u observatorio si lo posee.

Se va a continuar haciendo mediciones con el ASTMON y se propuso una ampliación del convenio actualmente acordado con la Estación Biológica de Doñana para realizar mediciones en otros entornos.

En definitiva el curso ha sido de una calidad suprema, los participantes han salido muy satisfechos, como manifestaron Georgina y Vicente, hemos aprendido mucho sobre estas técnicas de medición, se han propuesto mejoras muy positivas en los diseños, se han llegado a acuerdos de implementación de proyectos relacionados con uno de los objetivos principales de la RAdA sobre la preservación de los cielos oscuros, nos vamos con ganas de seguir trabajando y ampliando estos proyectos y,  cómo no, hemos pasado un fin de semana estupendo entre colegas de afición.

Despedida del Seminario MAROC-SQM-MAROC desde el balcón de la Casa de la Ciencia, CSIC, Sevilla
Despedida del Seminario MAROC-SQM-MAROC desde el balcón de la Casa de la Ciencia, CSIC, Sevilla

  Por Blanca Troughton, presidenta de la Red Andaluza de Astronomía (RAdA)

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