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

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Imagen de la ciudad de Tokio tomada con el ESA Nightpod. Se puede ver claramente como los diferentes colores indi-can diferentes tipos de lámparas. (ESA/NASA)

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Las imágenes noctur-nas tomadas por los satélites se han con-vertido ya en un símbolo del derro-che energético a es-

cala global. Sin embargo, dichas imágenes han sido poco explota-das por la comunidad astronómi-ca. En general los astrónomos es-tamos acostumbrados a otro tipo de datos y nuestros estudios en ge-neral se han basado en el estudio de la contaminación lumínica co-mo 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 estu-diar cómo se propaga la luz de las ciudades en el cielo, incluso usan-do dichas imágenes se consiguió hace ya más de diez años poder construir un mapa global de brillo de fondo de cielo (Cinzano & Fal-chi 2001).

Pero el estudio de la contamina-ción lumínica es muy peculiar, es un fenómeno difuso, cuya fuente es variable en ocasiones y que a di-ferencia del resto de objetos que vemos en el cielo es de origen te-rrestre y antropogénico.

Ante la dificultad de medir de manera global el brillo de las ciu-dades, se optó por parte de los amateur en realizar medidas en tierra. Las imágenes de los satéli-tes DMSP fueron casi nuestra úni-ca fuente de información desde la órbita para poder estudiar nues-tras fuentes de contaminación de manera directa y global. Los DMSP tienen varias limitaciones, la prin-

artículo | 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.

cipal es que no dan información de color. Otro problema es su ba-ja resolución. Y por último, su satu-ración en las zonas más brillantes, que por otro lado corresponden a los núcleos de las grandes ciudades que son los que producen la ma-yor cantidad de contaminación lu-mínica.

LA LLEGADA DE LAS IMÁGENES DE LA ISSLa misma construcción de la Esta-ción Espacial Internacional (ISS por sus siglas en inglés en adelan-te) estuvo llena de polémica por su gran coste, como sucedió con el Telescopio Espacial Hubble. Pe-ro como aquel telescopio, a veces las inversiones se rentabilizan de la manera más insospechada. Lo que fue el Hubble para la astrono-mía extragaláctica, lo están siendo las imágenes tomadas por los astro-nautas 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 par-te del movimiento de la ISS y po-der hacer imágenes de unas pocas fracciones de segundo. De esta ma-nera, tenemos un archivo desde el año 2003 de miles de imágenes nocturnas y en color. Estas imáge-nes nos dan información de cuáles son los lugares que más consumo producen, que muchas veces no son los lugares en los que se con-centra la población.

El color de estas imágenes tam-bién nos ayuda a estimar cuál es el tipo de iluminación que se utiliza

en distintas partes del mundo. Es-te dato es vital, ya que hoy por hoy la ISS y sus astronautas son los úni-cos capaces de proporcionarnos es-tas imágenes en color. El color nos ayuda a determinar si la fuente de emisión es de sodio, mercurio, ha-lógenos o LED, que es muy impor-tante 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 am-biental, seguridad vial, etc.

CALIBRACIÓN DE LA ISSSin embargo, las imágenes de la ISS adolecen de un gran proble-ma, son imágenes que no usan fil-tros estándar, ni están en un satéli-te controlado por astrónomos. Por lo que por el momento la infor-mación que nos dan es de manera cualitativa, si bien, desde el Grupo de Astrofísica Extragaláctica e Ins-trumentación (GUAIX) del Depar-tamento de Astrofísica y CC. de la Atmósfera de la Universidad Com-plutense de Madrid, llevamos tra-bajando un año en dicha calibra-ción. Para ello se están utilizando las instalaciones del Laboratorio de Instrumentación Científica Avanza-da, LICA, para caracterizar la res-puesta espectral de las fuentes de contaminación con espectrógra-fos portátiles y las cámaras que han usado los astronautas.

Además de estos datos, usamos las propias imágenes que han to-mado los astronautas para realizar la calibración. Esta calibración se realiza con imágenes de estrellas, que son bien conocidas y por pro-cedimientos estándar hemos po-

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dido calibrar con estrellas dichas imágenes. A su vez, también usa-mos fuentes en tierra que tienen un brillo conocido para realizar la calibración. En nuestro caso utili-zamos los focos de la estación de mantenimiento de las cocheras del Metro de Madrid (estación de Val-decarros) para realizar nuestro es-tudio.

Además, disponemos de un vue-lo sobre la ciudad de Madrid, pa-trocinado por la Agencia Espacial Europea y realizado por el INTA, con una cámara hiperespectral (proyecto DESIREX). Estas imáge-

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

nes están calibradas en radiancia y en más de quince bandas fotomé-tricas, lo que nos permite tener un espectro de baja resolución de ca-da punto de la imagen, similar a los cubos de datos que se obtienen en astronomía.

CÓMO SE TOMAN LAS IMÁGENES DE LA ISSLa Estación Espacial Internacional se encuentra en una órbita casi cir-cular bastante baja (por encima de 400 km en la actualidad). Tomar una imagen sobrevolando la Tierra a casi 30 000 km/h no es sencillo,

especialmente si además la nave puede moverse en las tres dimen-siones a lo largo de varios ejes. Para ello la empresa holandesa Cosine fabricó un trípode muy es-pecial, el NightPOD. Esta montu-ra está especialmente diseñada pa-ra situarse en el módulo Cupola de la estación y tomar imágenes con precisión. Desde finales de 2011 se encuentra en órbita y está ayudan-do a astronautas como A. Kuipers o D. Pettit a tomar imágenes de al-ta definición.

Cuando el astronauta se intro-duce en el módulo Cupola tiene accesibles para su cámara los 360 grados. Este módulo de la esta-ción espacial fue construido por la ESA con, entre otras, la función de observatorio terrestre. Se insta-ló a principios de 2010 en el puer-to 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 laborato-rio Destiny, de apenas 50 cm. El ob-servatorio Cupola cuenta con seis ventanas laterales y una superior, equipadas con obturadores, que a modo de persiana o contraventana protegen los cristales de los impac-tos con micrometeoroides cuando no están en uso.

Una vez en la cúpula, el astronau-ta puede apuntar a unos 300 km a la redonda respecto del punto que sobrevuela la estación. Él solo tie-ne que disparar y el NigthPOD se encarga de compensar el desplaza-miento de la nave y el resto de sus movimientos destinados a man-tener siempre los paneles solares apuntando hacia el Sol.

Pero el astronauta tiene que li-diar con otros problemas como

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 Ma-drid. 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 des-de el INTA-AHS, perteneciente al pro-grama ESA-Desirex2008. (NASA/ESA/INTA/J. Zamorano)

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son las luces parásitas. Las luces del módulo han de ser apagadas, y todos los paneles de control tapa-dos para evitar los reflejos en las ventanas. Los cristales están for-mados por cuatro capas, lo que au-menta el número de reflejos in-troducidos. Pero además están los módulos adyacentes, los nodos 1 y 3 y sus luces. Esto incluye el servi-cio, por lo que el astronauta fotó-grafo ha instruido a sus compañe-ros en su uso a oscuras.

Las cámaras a bordo de la esta-ción han de estar certificadas pa-ra vuelo. La NASA hace tiempo que empezó a usar cámaras Nikon, y por ello son estas las que encon-tramos en la ISS. En concreto los modelos D2Xs y 3DS. Pero quizá lo más sorprendente sean los ob-jetivos utilizados. El NightPOD es-tá preparado para que la cámara use objetivos entre 10,5 y 800 mm de focal. Este último es un gran te-leobjetivo de más de 5 kg de pe-

so, 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 secuencial-mente de las zonas que sobrevue-la la estación, compensando el des-plazamiento durante la exposición de larga duración.

MOSAICOS DE LA ISSDurante mucho tiempo, las imáge-nes de la ISS eran simplemente de-talles de la superficie, unas veces con teleobjetivos, otras veces con grandes angulares, pero siempre imágenes sueltas. A partir de sep-tiembre de 2012, comienzan a to-mar imágenes de manera sistemáti-ca, en principio con el objetivo de realizar un documental sobre có-mo se ve la Tierra de noche desde la Estación Espacial Internacional. Sin embargo, la utilidad de dichas imágenes va mucho más allá. Co-mo ya comentamos en la introduc-ción, la posibilidad de tener color en las imágenes nocturnas nos per-mite tener datos del tipo de lámpa-ra que se está usando en cada re-gión. Eso es un dato fundamental para conocer el impacto real de la contaminación lumínica en mu-chas áreas. Usando estas «tiras» de imágenes, podemos realizar mosai-cos de grandes partes de la Tierra, haciendo así mapas de tipos de ilu-minación. Estas imágenes no han

sido tomadas expresamente con fines científicos, por lo que para realizar dichos mosaicos es nece-sario realizar una serie de correc-ciones. En primer lugar han sido realizadas con grandes angulares y ojos de pez, por lo que es necesa-rio corregir la distorsión que pro-duce el objetivo. Por otro han sido tomadas con un ángulo muy gran-de, y, por tanto, también hay que corregir del efecto de perspectiva. Una vez corregido de estos efec-tos se selecciona una parte concre-ta de cada imagen. Aprovechan-do el movimiento constante de la estación espacial, permite escoger siempre la misma parte de la ima-gen que muestra una parte dife-rente de la Tierra, y por ello las di-ferentes correcciones son idénticas para cada imagen. Poco a poco, de esta manera vamos reconstruyen-do 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 ti-ra de imágenes. Por lo que, por el momento, solo disponemos de una pequeña porción de mosaicos de-mostración.

Para realizar un mosaico global, similar a los realizados por el DMSP o SUOMI-NPP/VIIRS, sería nece-sario que la ISS tomase imágenes de manera continua y hoy por hoy eso no es posible debido al gran volumen de datos que supondría.

artículo | Auroras Boreales

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 dis-tinguir 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)

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Pero nos permite hacer mosaicos de países como el que se muestra de Europa. Aun así, estos mosai-cos 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 COLOREl color, desde el punto de vista científico y estético es fundamen-tal. Para la investigación en con-taminación lumínica, el color da información del tipo de lámpara que se está utilizando y esto influ-ye en el impacto de dichas lámpa-ras en el medio ambiente noctur-no, la contaminación del aire y la salud humana. Diversas investiga-ciones han podido demostrar co-mo la luz azul es mucho más dañi-na para el medio ambiente. Como

contábamos hace ya más de diez años en esta revista, los insectos son mucho más sensibles a dichas longitu-des de onda y se ven atraí-dos por los colores más azules. El efecto de la con-taminación lumínica en la contaminación del aire es-ta aún en investigación, pe-ro el 31 de octubre de 2011 se publicó en la prestigiosa revista Nature Geoscience un artículo en el que se rela-cionaba la emisión lumino-sa de Los Ángeles con los

niveles de contaminación en el ai-re. En principio, el efecto de la ilu-minación nocturna ralentizaría la limpieza que se produce durante la noche de los compuestos de óxi-dos 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/VIIRSEl satélite SUOMI-NPP (Suomi Na-tional Polar-orbiting Partnership) fue concebido como sustituto de los satélites meteorológicos para la defensa estadounidenses (DMSP) y los satélites de estudio del me-dio ambiente de la agencia meteo-rológica estadounidense (NOAA). Entre los instrumentos del SUO-MI hay un clon mejorado de las cá-maras 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 mercu-rio poco eficientes. (ESA/NASA)

DMSP. Esta cámara, VIIRS, permi-te detectar con mayor sensibilidad la luz emitida por las ciudades, por los incendios y por cualquier fuen-te emisora en la superficie terres-tre, ya sea de día como de noche. Es tal la sensibilidad de esta cáma-ra que es capaz de detectar señal en las superficies más oscuras del suelo de nuestros campos en no-che cerrada. Además de ser más sensible, el SUOMI tiene el doble de resolución que sus predeceso-res y no tiene los problemas de sa-turación que presentan los satélites DMSP. De esta manera, las imáge-nes del SUOMI nos proporciona-rán datos mucho más detallados de cuánta luz emitimos al espacio y, por tanto, cuánta contaminación lumínica se inyecta en la atmósfe-ra y perturba nuestro medio am-biente.

INFORMACIÓN GEOGRÁFICA Y LA CONTAMINACIÓN LUMÍNICALos Sistemas de Información Geo-gráfica (SIG) proporcionan una serie de herramientas con las que poder tratar las imágenes propor-cionadas por los diferentes satéli-tes. Se trata de su análisis en el que

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

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estas se integrarían con otras fuen-tes de información, como pueden ser medidas tomadas por sensores y otras capas cartográficas puestas a disposición por diversas fuentes.

La información disponible se en-cuentra disponible por medio de ficheros en formato SHP o a tra-vés de servicios de mapas. Estos es-tán organizados de acuerdo a la Infraestructura de Datos Espacia-les de España (www.idee.es), man-tenida 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 imáge-nes. Este proceso permite orientar y situar las imágenes con respecto a la superficie terrestre. Se identi-fican una serie de puntos recono-cibles sobre la imagen, de los que

se conoce su posición geográfica. Con software adecuado, se gene-ra una nueva imagen con la misma información que la original, pero con información de latitud y longi-tud de cada píxel. Un software po-tente, fácil de utilizar y de libre dis-tribución es gvSIG (www.gvsig.org).

El siguiente paso consiste en la selección de las capas útiles, de-pendiendo del análisis que se de-see llevar a cabo. Por ejemplo uti-lizaremos información sobre Usos del Suelo, procedente de la infor-mación SIOSE. Al situar las imáge-nes 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 co-munidades autónomas, provincias y municipios. Se lleva a cabo un re-

corte de la imagen utilizando co-mo base los ficheros SHP propor-cionados por el IGN. Para ello se han desarrollado una serie de pro-gramas a propósito para ello. De esta forma es posible delimitar las zonas de influencia y conocer los valores por cada unidad adminis-trativa de España, o del mundo, en el caso de utilizar cartografía global.

Por último, el uso de estas herra-mientas nos permite la publicación más eficaz de los resultados. Se pueden crear aplicaciones web co-mo la de comparación y detección de puntos brillantes (www.astroide.es/ucm/lightsources) que hacen más fácil el acceso a estas.

RESULTADOS PARA ESPAÑAHasta hace muy poco, el uso que se hacía en España de las imáge-nes nocturnas era meramente con-templativo o como mucho por par-te de los astrónomos amateur para la búsqueda de lugares buenos pa-ra la observación astronómica. Es-to empezó a cambiar hace ya siete años con los primeros estudios que realizamos en nuestro grupo de las imágenes del satélite DMSP. Es-tos trabajos nos han ayudado a te-ner un mejor conocimiento de la posición de España en el panora-ma lumínico europeo. En todas las imágenes nocturnas vemos como España no destaca por su gran bri-llo o su gran oscuridad a diferen-cia 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 Irlan-da. Por ello, deberíamos de tener una mayor oscuridad que nuestros vecinos, pero esto no es así. Ade-más de esto, España es el país de la Unión Europea en que la pobla-ción vive más concentrada, es de-cir, donde vive más gente por su-

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)

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Los autores son miembros del Grupo de Astrofísica Extragaláctica e Instru-mentación (GUAIX) del Departamento de Astrofísica y CC. de la Atmósfera de la Universidad Complutense de Madrid.

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 vis-to que no es así. Las imágenes del DMSP, junto al análisis detallado de las estadísticas, nos han ayuda-do a ver como en España tenemos las calles más iluminadas de Euro-pa. Gracias a las imágenes del DMSP pudimos ver que estaba rela-cionada la cantidad de área ilumi-nada en dichas imágenes con la po-tencia de las farolas que había en las calles de cada país y las de Espa-ña eran las más potentes de la UE.

Usando las imágenes de la ISS, hemos podido comparar las ciu-dades de Europa y ver como las nuestras son mucho más brillan-tes o cómo se distingue la frontera entre Portugal y España por el uso de lámparas de mercurio en nues-tro país, que deberían de estar erradicadas debido a su baja efi-

ciencia, como lo han sido de nues-tros vecinos.

Este pasado abril presentamos fi-nalmente el trabajo de estos sie-te años de análisis y hemos podido, utilizando estas imágenes del DMSP, reconstruir la evolución del gasto eléctrico en alumbrado pú-blico. Estas imágenes serán el futu-ro control del gasto en esta materia, ya que el Ministerio de Industria ha dejado de hacer estadística del gas-to energético en alumbrado públi-co. De los datos que disponemos actualmente, aparentemente el cre-cimiento en la emisión a la atmósfe-ra no se ha detenido, sino que sigue creciendo. Solo las grandes urbes de este país parecen que quizás ha-yan congelado su crecimiento, pe-ro la inmensa mayoría de las pro-vincias continúan creciendo. Sin embargo, el análisis de los datos del DMSP es duro y lleno de dificulta-des ya que son imágenes de baja re-solución, 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.

CONCLUSIONESLas imágenes de satélite nos han da-do una nueva perspectiva más glo-bal de la contaminación lumínica, no solo desde el punto de vista de la divulgación del fenómeno, sino tam-bién desde el punto de vista de la in-vestigación, 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 territo-rios están cambiando su tendencia, si bien no es suficiente para revertir la continua degradación del paisaje nocturno de manera global. ( )