L inquinamento luminoso visto da satellite

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1 L inquinamento luminoso visto da satellite Prof. Gabriele Moser Università degli Studi di Genova Dipartimento di Ingegneria Navale, Elettrica, Elettronica e delle Telecomunicazioni (DITEN) gabriele.moser@unige.it

2 L inquinamento luminoso visto da satellite Sommario Osservazione della Terra e telerilevamento satellitare Missioni spaziali con acquisizione ottica notturna Defense Meteorological Satellite Program Suomi National Polar-orbiting Partnership Esempi di applicazioni Esempi di iniziative sull osservazione satellitare dell inquinamento luminoso The LightPollution Project World Atlas of Artificial Sky Brightness Cities At Night Conclusioni

3 L inquinamento luminoso visto da satellite Sommario Osservazione della Terra e telerilevamento satellitare Missioni spaziali con acquisizione ottica notturna Defense Meteorological Satellite Program Suomi National Polar-orbiting Partnership Esempi di applicazioni Esempi di iniziative sull osservazione satellitare dell inquinamento luminoso The LightPollution Project World Atlas of Artificial Sky Brightness Cities At Night Conclusioni

4 Osservazione della Terra da satellite e Telerilevamento Telerilevamento attivo: il sensore trasmette un segnale radar o laser e riceve il segnale «eco» Telerilevamento passivo: il sensore è un puro ricevitore che misura la radiazione emessa spontaneamente o riflessa dalla scena osservata Telerilevamento con sensore passivo Telerilevamento con sensore attivo

5 Osservazione da satellite dell illuminazione artificiale 1972 Defense Meteorological Satellite Program (DMSP) Anni 60. Lancio del primo satellite DMSP del Dip.to della Difesa USA I dati vengono declassificati e diventano disponibili per la comunità scientifica internazionale Pubblicazione dell Atlante mondiale della luce artificiale notturna (The World Atlas of Artificial Light at Night): immagini DMSP notturne acquisite da orbita quasi-polare in assenza di copertura nuvolosa L obiettivo principale del DMSP era offrire servizi di previsione meteorologica ed i sensori DMSP avevano bassa risoluzione spaziale, dell ordine di qualche chilometro. Molte città erano viste come aree luminose prive di dettagli.

6 Defense Meteorological Satellite Program (DMSP) Carrier Serie Data di Lancio Fine Missione F F Block 5D-1 F Dicembre 1979 F F Fallito F F F F Block 5D-2 F Febbraio 1995 F Agosto 2000 Programma: 5 differenti «blocchi» di satelliti dagli anni 60 ad oggi (in prosecuzione) Block 1 Block 2 Block 3 Block 4A Block 5A Block 5B Block 5C Block 5D F F F F F Block 5D-3 F F F S-20 A causa della mancanza di fondi al Congresso, l S- 20 fu spostato in un museo nel Dicembre 2017.

7 2011 Missione satellitare NASA-NOAA Suomi National Polar-orbiting Partnership (NPP) Satellite meteorologico in orbita polare Esempio di immagine notturna VIIRS Band Spectral Range (µm) Resolution (km) Visible (I1) Shortwave Infrared (I4) Longwave Infrared (I5) Day/Night Band Radiance 0.75 Day/Night Band Reflectance 0.75 Partnership fra NASA, NOAA (US National Oceanic and Atmospheric Administration) e Dip.to della Difesa USA A bordo svariati sensori passivi operanti nei range visibile, infrarosso e microonde Fra questi, Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) per acquisizione giornonotte pancromatica (visibile e vicino infrarosso) a risoluzione spaziale di 750 m

8 2011 NPP Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) Esempio di immagine notturna VIIRS Immagini VIIRS notturne Fonte eccezionale di dati correlati con la presenza umana Sviluppato per supporto a previsioni meteo e gestione di disastri naturali, VIIRS evidenzia l impatto geografico dell attività umana in maniera complementare alle immagini diurne

9 Esempio di applicazioni di immagini satellitari notturne: rivelazione dei cambiamenti Le due immagini VIIRS, acquisite nel 2012 e nel 2016, evidenziano i cambiamenti nell illuminazione delle aree urbane e si correlano con gli effetti della guerra nelle aree di Siria e Iraq Ref:

10 Esempio di applicazioni di immagini satellitari notturne: dinamica dell urbanizzazione Da serie temporale di immagini notturne DMSP Studio dell evoluzione dell urbanizzazione Calcolo di indici che combinano osservazione satellitare notturna ed estensione dell area urbana (Compounded Night Light Index, CNLI) Bin Gao et al., Dynamics of Urbanization Levels in China from 1992 to 2012: Perspective from DMSP/OLS Nighttime Light Data, Remote Sensing 2015, 7(2),

11 L inquinamento luminoso visto da satellite Sommario Osservazione della Terra e telerilevamento satellitare Missioni spaziali con acquisizione ottica notturna Defense Meteorological Satellite Program Suomi National Polar-orbiting Partnership Esempi di applicazioni Esempi di iniziative sull osservazione satellitare dell inquinamento luminoso The LightPollution Project World Atlas of Artificial Sky Brightness Cities At Night Conclusioni

12 L iniziativa LightPollution Le mappe generate nel contesto di quest iniziativa sono calibrate su valori reali di radianza [W/(m² sr)]. LightPollution permette di valutare in maniera semplice ma quantitativa la distribuzione spaziale di radianza notturna, correlandola quindi all inquinamento luminoso. Immagini VIIRS e DMSP sono usate e presentate congiuntamente ad una mappa Bing per una facile geolocalizzazione. Ref:

13 L iniziativa World Atlas of Artificial Sky Brightness Ottenute da dati DMSP e VIIRS, le mappe dell iniziativa World Atlas of Artificial Sky Brightness esprimono una stima del rapporto fra i contributi artificiali e naturali alla luminanza complessiva [cd/m²]. Tecniche di stima a massima verosimiglianza e modelli di scattering della luce in atmosfera Falchi, F. et al., The new world atlas of artificial night sky brightness, Science Advances 10 Jun 2016, Vol. 2, no. 6 I colori nella mappa non rappresentano la radianza ricevuta dal sensore satellitare, ma stime del contributo relativo di luminanza dovuto alle sorgenti artificiali.

14 L iniziativa Cities At Night Gli astronauti a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS), usando camere digitali SLR (single-lens reflex), hanno raccolto migliaia di immagini notturne di grandi città. Cities at Night è un «citizen science project» che ne rende possibile la fruizione online e la classificazione da parte degli utenti mediante crowdsourcing. Esempio di immagini Cities at Night del centro di Milano. Sulla destra domina un colore tendente al blu perché il comune di Milano è passato da lampade a scarica (sodio a bassa pressione) a lampade a LED bianchi per l illuminazione cittadina. Sanchez de Miguel et al., Light pollution from the ground, the air and the space, Highlights of Spanish Astrophysics VIII, Proceedings of the XI Scientific Meeting of the Spanish Astronomical Society held on September 8-12, 2014, in Teruel, Spain Ref:

15 L inquinamento luminoso visto da satellite Sommario Osservazione della Terra e telerilevamento satellitare Missioni spaziali con acquisizione ottica notturna Defense Meteorological Satellite Program Suomi National Polar-orbiting Partnership Esempi di applicazioni Esempi di iniziative sull osservazione satellitare dell inquinamento luminoso The LightPollution Project World Atlas of Artificial Sky Brightness Cities At Night Conclusioni

16 L inquinamento luminoso visto da satellite Conclusioni Immagini ottiche notturne da satellite Largamente meno diffuse delle acquisizioni diurne, ma Disponibili da missioni con copertura globale e scala temporale di decenni, oltre che dalla Stazione Spaziale Internazionale In rapporto all inquinamento luminoso Iniziative incentrate su stima, da immagini ottiche notturne, di grandezze legate al contributo di sorgenti luminose artificiali Coperture spaziale e temporale molto estese Fruibilità online aperta e crowdsourcing Relazione con la presenza umana Mappatura della presenza umana in aree urbane o edificate in maniera più efficace che con immagini ottiche diurne o radar Analisi sia statica sia dinamica (evoluzione temporale)

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18 Appendice

19 VIIRS Visible Infrared Imaging Radiometer Suite Band Spectral Range (µm) Resolution (km) Visible (I1) Shortwave Infrared (I4) Longwave Infrared (I5) Day/Night Band Radiance 0.75 Day/Night Band Reflectance 0.75 Band Range (nm) Band Explanation I Visible/Reflective I Near Infrared I Shortwave Infrared I Medium-wave Infrared I Longwave Infrared M Visible/Reflective M Visible/Reflective M Visible/Reflective M Visible/Reflective M Visible/Reflective M Near Infrared M Near Infrared M Shortwave Infrared M Shortwave Infrared M Shortwave Infrared M Shortwave Infrared M Medium-wave Infrared M Medium-wave Infrared M Longwave Infrared M Longwave Infrared M Longwave Infrared DNB Day/Night