目次 1. 要旨 2. 光害について 2.1 光害とは 2.2 光害マップ 2.3 光害マップ 14 段階,6 段階レベル分け 3. 撮影環境 3.1 デジタル一眼カメラについて 3.2 観測機材 3.3 素子サイズ計算 4. 撮影 4.1 カメラの設定 4.2 目標天体 5. 夜光観測の原理 5.

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1 地域による夜空の 明るさの比較 明星大学理工学部総合理工学科物理学系 13S1-038 清水凌侑

2 目次 1. 要旨 2. 光害について 2.1 光害とは 2.2 光害マップ 2.3 光害マップ 14 段階,6 段階レベル分け 3. 撮影環境 3.1 デジタル一眼カメラについて 3.2 観測機材 3.3 素子サイズ計算 4. 撮影 4.1 カメラの設定 4.2 目標天体 5. 夜光観測の原理 5.1 星の等級の求め方 5.2 ピクセル辺りの立体角 5.3 ステライメージ 5.4 輝度の代入 6. 測光 6.1 Makali l について 6.2 測光手順 7. 観測結果 月 24 日埼玉県所沢市 ( 月齢 24.4) 月 28 日長野県軽井沢市 ( 月齢 28.4) 月 29 日埼玉県秩父市 ( 月齢 29.4) 月 7 日岡山県中央吉備町 ( 月齢 7.6) 月 8 日高知県土佐清水市 ( 月齢 8.6) 月 9 日徳島県那賀町 ( 月齢 9.6) 月 10 日和歌山県田部市 ( 月齢 10.6) 月 11 日奈良県十津川村 ( 月齢 11.6) 7.9 地域ごとの夜空の等級の変化 8. 考察 9. 参考文献

3 1. 要旨 昨今 私たちの住む東京では日中だけでなく夜遅くまで様々な人々が街を往来している これは日本における経済成長のおかげとも言え 人々の生活様式が夜にまで浸食してきたからである 特に都心部では夜遅くでも外灯やネオン 店からこぼれる光等により街が明るく灯されていることだろう そのような経済成長の証ともいえる街の明るみであるが 夜の新宿を歩きながらふと見上げた空に一つ感じたことがあった それは全く星が見えなかったことだ また 別の機会に郊外で夜空を観測した事があるが その時は満点の星空が私を迎えてくれた この体験を通じて 私は街の明るさ ( 光害 ) によって夜空の見え方が違うのではないのかと考えた 今回はこの体験をもとに疑問であった光害による夜空の影響を光害マップをもとにした地域を回り調査した 今回の実験ではデジタル一眼カメラで夜空の撮影をし フリーソフトの Makali l を用いて測光 等級の計算を行った

4 2. 光害について 2.1 光害とは 光害 ( ひかりがい ) とは 良好な 照明環境 の形成が 漏れ光によって阻害されている状況またはそれによる悪影響と環境省の光害対策ガイドラインによって定義されている ここにある 良好な照明環境 というのは 周囲の状況 ( 社会的状況及び自然環境 ) に基づいた適切な目的の設定と技術により 照明に関して 安全性及び効率性の確保並びに 景観及び周辺環境への配慮等が十分なされている状況である また 漏れ光は 照明機器から照射される光で その目的とする照明対象範囲外に照射される光のことである 特に天体観測への影響においては 都市部の光が 大気中の水分や塵などで拡散され夜空が明るくなることで 天文観測に悪影響を及ぼしている 悪影響を与える光害の身近な例として住宅の漏れ光や外灯 コンビニエンスストア 自動販売機等が挙げられる

5 2.2 光害マップ 人工照明は夜空を照らし 光害の最も顕著な影響である 夜空の明るさの増加 を引き起こしている一方で イタリアの Fabio Falchi らの研究グループは 最新の衛星画像と天空輝度測定値から計算した 夜空の明るさ世界マップ ( 光害マップ ) を 2016 年 6 月に発表した この 光害マップ は世界各国の人工光を衛星画像と天空輝度測定値を用いて計算し 輝度によって 14 段階 6 段階に分けられたものである 本研究では光害マップをもとに色別に各地域を測定した 北海道図 2-1 東北 図 2-2 関西 中国 四国 図 2-3

6 南東北 北陸 関東 中部 図 2-4 九州 図 2-5 上図は光害.net から引用

7 2.3 光害マップ 14 段階 6 段階レベル分け 光害マップは 14 段階に Ratio 人工光の輝度 自然光 + 人工光の輝度によって地域が色分けされている 具体的な数値による色分けは下記となる 図 2-6 Ratio: 人工光による夜空の明るさの増加量が 自然の夜空の何倍か 人工光の輝度 : 人工光による夜空の明るさ ( マイクロカンデラ /m^2) 自然光 + 人工光の輝度 : 自然の夜空の明るさと人工光による夜空の明るさの合計 ( ミリカンデラ /m^2) また 光害の影響を受けた夜空の見え方のレベルを 以下の 6 段階で表す 図 2-7 ( 光害.net)

8 3. 撮影環境 3.1 デジタル一眼レフカメラについて 本研究は天体写真を撮るためデジタル一眼レフカメラを使用した デジタル一眼レフカメラとはフィルムカメラと異なり撮影風景を写真データとして保存できるカメラ そして 一眼とはカメラに使われているレンズが一つであるという事 レフとはレフレックス ( 光の反射 ) の意味でカメラ本体内部のミラーで入射した光を反射させることにより 1 つのレンズが撮影とファインダーの役割を担うことのできるもの データ撮像に当たっては目標対象が天体よりも光度が低い夜空を撮影したため絞り 露出時間 ISO 感度も対象に合わせながら調節した 絞りとはカメラレンズの穴の大きさを変化させる事によりレンズに入る光の量をコントロールするものである 絞りの値が低いほどたくさんの光を拾う事ができるためシャッタースピードが長くなくとも光量が小さい光源を写真に写す事ができる 絞りの数字は大きいほどレンズの前の穴の径が小さくなり 入射する光量が少なくなる その分 シャッターを長い時間開けておかないと同程度の光量が取り入れられない しかし 焦点付近の光域は狭くなるので背景までくっきり写すことができる 露出時間 ( シャッタースピード ) とはカメラで写真を撮る際にシャッターを切ってレンズ前のふたを開けている時間の長さの事を指す シャッターを開けている時間が長ければ長いほどセンサー部分に光が貯まるため より多くの光子を取り組むことができる ISO 感度とはデジタルカメラが光を捕らえる能力を示すもの デジタルカメラは撮像素子に当たった光を電気信号に変えて処理をするため ISO 感度を高くすれば光を電気信号に変えた値は高くなる ISO 感度を 2 倍にする事で電気信号は 2 倍になる 以上のことから ISO 感度 -1 露出時間という関係がわかる ISO 感度を 2 倍にする事で撮像素子に当たる光の量が 2 倍になるため適正露出の半分の時間で同等の光量を取り込むことができる ISO400 露出時間 1/10s で写真をとった場合 ISO800 まで上げたとすれば露出時間は 1/5s で適正露出になる

9 3.2 観測機材 本研究では Canon EOS Kiss X5 を使用した 図 3-1 以下 Canon EOS Kiss X5 の仕様を示す Canon カタログから抜粋.

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11 3.3 素子サイズの計算 素子サイズを計算する場合 画像処理ソフトを使用しセンサー幅から素子サイズの数 ( ピクセル数 ) を割る ことで素子一個当たりの大きさを出すことが出来る 素子サイズ = センサー幅 / 素子サイズの数 ( ピクセル数 ) 本研究ではすばる画像処理ソフト Makali l を使用しピクセル数を出した ( 下図参照 ) Fits ヘッダーをクリックすると写真の詳細情報が出てくる NAXIS1 が x 軸 NAXIS2 が y 軸のそれぞれピクセル数である Canon EOS Kiss X5 はセンター幅が縦 14.9mm ピクセル数は下図より 3458 なので上式を用い素子サイズ =14.9/3458= mm となる 図 3-2

12 4. 撮影 4.1 カメラ設定 本研究では以下の設定で撮影した ISO 感度 :800 絞り値 (f 値 ):22 露出時間 :10 秒焦点距離 :35mm 撮影データは RAW で撮影 RAW データとは 生データ と呼ばれる未加工の写真データである 本来 画像として扱われているデータは JPEG 等が多いがデジタルカメラセンサーに当たって出てきた信号をデジタルデータに変換し 画像として出力 保存する際データを圧縮加工されるため必要なデータが失われてしまう そのため本研究では RAW データで保存する カメラ内の時間を合わせる デジタルカメラの時計はバッテリー切れによる時間のずれに注意する MF( マニュアルフォーカス ) で撮影 望遠は無限 ( ) に設定 4.2 目標天体 本研究ではオリオン座の三ツ星を目標とした オリオン座 δ 星 :2.41( 視等級 ) オリオン座 ε 星 :1.69( 視等級 ) オリオン座 ζ 星 :1.79( 視等級 ) (Wikipedia 参照 ) 図 4-1

13 5. 夜光観測の原理 5.1 星の等級の求め方 星の等級は紀元前 2 世紀頃 ギリシャの天文学者のヒッパルコスが肉眼で見える最も明るい 20 個の恒星を 1 等星 次に明るい星を 2 等星 その次が 3 等星 4 等星 5 等星 肉眼で見える限界の星を 6 等星 と 6 段階にグループ分けをした その後 イギリスの天文学者ハーシェル親子によって 1 等星と 6 等星の明るさの差は 100 倍である事と 1 等星と 2 等星 2 等と 3 等と各等級の明るさの比が約 2.5 倍違う事を発見した ハーシェル親子の結果を元に等級を式で表す観測技術が進歩していくと数値としてしっかり表す必要が出てきた そこで 1853 年 イギリスのポグソンが定量的に測定を行い 1 等星は 6 等星の 100 倍明るい という観測結果を元に次のように定義した 2 つの星の等級を m1=1,m2=6 としてそれぞれの明るさを b₁,b₂とすると m2-m1=5 b1/b2=100 となり 常用対数を用いて表すと log(b1/b2)=2/5 (m2-m1) または m1-m2=-2.5 log(b1/b2) と表せる これより 基準星の等級 :Mst 夜空のバックグラウンドの単位立体角あたりの等級 :Mbk 基準星の明るさ :Bst 夜空のバックグラウンドの単位立体角あたりの明るさ :Bbk とすると Mst-Mbk=-2.5 log(bst/bbk) (Mbk>Mst) となり 求めたい Mbk は Mbk=Mst+2.5 log(bst/bbk) となる

14 5.2 ピクセル辺りの立体角 マカリによって測定された値はピクセル辺りに検出された光子の量なので 1 ピクセルが見込む空の立体 角を求める カメラセンサーの素子サイズ一辺の大きさを d とするとその一辺が見込む角 θ は焦点距離 f との関係から と求められる と得られる (tan θ 2 ) = ((d 2 ) f) θ=の式に展開すると θ=2 tan -1 [d/2f] となる また 一つのピクセルが見込む空の立体角はθ 2 となる 5.3 ステライメージ マカリを使う際 RAW データのままでは解析することができないため RAW データを FITS ファイルに する そのため 今回フリーソフト ステライメージ 使い変換を行った ベイヤー配列は G の画素が 2 倍になっており 変換するときに G1,G2 の加算した値を出力している 4 ピクセルを合計しているため立体角 θはそれぞれ縦横を2 倍した値になるので実効的な立体角 Ωは Ω=4θ 2 となる 本研究では 素子サイズ mm 焦点距離 35mm で行った為立体角 Ω は となる Ω= 平方秒

15 5.4 輝度の代入 単位立体角あたりの夜空の等級 Mbk=Mst+2.5 log(bst/bbk) の式から 単位立体角あたりの夜空のバックグラウンドの等級 1 平方秒角あたりの等級として算出する ここで基準星の明るさ Bst については Bst= マカリで調べた基準星のカウント値とする 一方 夜空のバックグラウンドについて マカリではピクセルあたりのカウント値が示される それを 1 ピクセルが見込む立体角 Ω= の数値で割って Bbk=( マカリで調べた 1 ピクセルあたりの夜空のカウント値 )/Ω とする これより夜空の 1 平方秒角あたりバックグラウンドの等級 Mbk が求まる

16 6. 測光 本研究ではデジタル一眼レフカメラで撮影した RAW データをフリーソフトの ステライメージ で Fit s データに変換し フリーソフト Makali l で測光した 今回は夜空のバックグラウンドを調べる為 基準星を定めて背景の等級を測定する 6.1 Makali l( マカリ ) について すばる画像処理ソフト Makali l は FITS データを解析することが出来るソフトである 取り込んだデータから測光を行い カウント値などを計測することができる カウント値とはカメラセンサーに入った 1 ピクセルあたりの光の量を差す 6.2 測光手順 本研究ではフリーソフト Makali l を使用し測光する 下図は Makali l でオリオン座 δ 星を測光しているところ 図 6-1 内円 ( 赤色 ) 内が基準星のカウント値の範囲 内側の青い円と外側の青い円で囲まれた部分のピクセルの平 均値 sky の平均値である 基準星は Count の値 バックグラウンドは Sky の値を読むことでカウント値が分かる

17 7. 観測結果 以下 光害マップで色別に分けられた各地域で撮影し 測光したカウント値を計算し等級にして表にまと めた 下表 が撮影した地域と人工光量によって分けられていた光害マップの色である 地域埼玉県所沢市埼玉県秩父市長野県軽井沢市岡山県中央吉備町和歌山県田部市奈良県十津川村徳島県那賀町高知県土佐清水市 表 月 24 日埼玉県所沢市での時間による等級変化 ( 月齢 24.4) 表 地域の色赤黄黄緑緑青青黒 時間 / ζ (Mbk) ε (Mbk) δ (Mbk) 平均 23: : : : : :30 2: : : 月 28 日長野県軽井沢市での時間による等級変化 ( 月齢 28.4) 時間 / ζ (Mbk) ε (Mbk) δ (Mbk) 平均 22: : : : : : : : : : 表 7-1-2

18 月 29 日埼玉県秩父市での時間による等級変化 ( 月齢 29.4) 時間 / ζ (Mbk) ε (Mbk) δ (Mbk) 平均 22: : : : : : : : : : : 表 月 7 日岡山県中央吉備町での時間による等級変化 ( 月齢 7.6) 時間 / ζ (Mbk) ε (Mbk) δ (Mbk) 平均 23: : : : : : : : : : 表 月 8 日高知県土佐清水市での時間による等級変化 ( 月齢 8.6) 時間 / ζ (Mbk) ε (Mbk) δ (Mbk) 平均 22: : : : : : : : : : 表 7-1-5

19 月 9 日徳島県那賀町での時間による等級変化 ( 月齢 9.6) 時間 / ζ (Mbk) ε (Mbk) δ (Mbk) 平均 22: : : : : : : : : : : 表 月 10 日和歌山県田部市での時間による等級変化 ( 月齢 10.6) 時間 / ζ (Mbk) ε (Mbk) δ (Mbk) 平均 22: : : : : : : : : : : 表 月 11 日奈良県十津川村での時間による等級変化 ( 月齢 11.6) 時間 / ζ (Mbk) ε (Mbk) δ (Mbk) 平均 22: : : : : : : : : 表 7-1-8

20 7.9 地域ごとの夜空の等級の変化 各地域で測定した等級をグラフ化した 表 7-1-9

21 8. 考察 本研究では光害マップをもとに色別に地域を回り 計測を行った 光害マップから見て取れるように 都心部ほど人工光量が高く 郊外に向かっていくにつれ人工光量が低くなっていることが分かる 実際の環境では光害マップの黒 青 緑の地域は外灯やコンビニ 自動販売機などの人工照明類の多さに変化がみられるだけで 表 を見ても夜空 天頂への影響はほとんど変わらないと考えられる しかし 地域が暗いために撮影環境によっては周辺の光害の影響を受けやすく配慮が必要である 黄 赤の地域では地方であると駅付近や複合施設周辺など人の営みがあり ある程度栄えている場所である よって 光害の影響を受けづらいところを探すのは困難であった 本研究で月の光の影響はあるものの関東周辺 ( 赤色地域 ) と地方 ( 青 黒地域 ) では約 1~1.5 等級ほど夜空に変化がみられることが分かった 今後 夜空に対する月の影響を調査することによりさらに正確な夜空の見え方が分かるのではないかと考える

22 9. 参考文献 環境省光害対策ガイドライン 光害.net Canon EOS KissX5 仕様 cd_qasearch=q &i_cl_form=01&i_tx_search_pr_name=&i_tx_contents_dir=%2f e-support%2ffaq%2fanswer%2feosd&i_tx_contents_file= html&i_tx_keyword=&i_ tx_qasearch_url=javascript%3adocument.getelementbyid%28%27searchresult%27%29.s ubmit%28%29%3b&i_cd_transition=1&i_fl_edit= 2014 年度卒業論文小野和論 デジタル一眼レフカメラを用いた光害調査