빛 공해: "간신히 보이는 별, 빛 공해로 밤하늘 밝기 매년 10%씩 증가" 

지난 10년 동안 빛 공해가 계속해서 급속도로 악화되고 있다. 밤하늘의 밝기는 전 세계적으로 매년 약 9.6%씩 증가하는데, 이는 위성 데이터를 기반으로 추정한 것보다 훨씬 많은 수치이다. 이에 대한 이유 중 하나는 더 짧은 파장의 빛을 가진 LED로의 전환이 증가하고 있기 때문일 수 있다. 세계 인구의 80%가 진정한 밤하늘을 볼 수 없고, 전 세계 천문대의 2/3가 영향을 받고 있다. 

▲ 빛 공해가 계속해서 빠르게 증가하기 때문에 은하수는 점점 더 적은 곳에서 볼 수 있다. © NOIRLab/NSF/AURA, P. 마렌펠드

사람은 밤을 낮으로 만든다. 거리, 건물 및 산업 공장의 조명은 주변 환경뿐만 아니라 밤하늘도 밝게 비춘다. 그 결과 세상의 밤은 정말 어두운 곳이 거의 없으며 인류의 약 80%가 부자연스럽게 밝은 밤하늘 아래에서 살고 있다. 어둡고 멀리 떨어진 곳에 있는 망원경도 이제 빛 공해로 어려움을 겪고 있다. 이것은 천문학뿐만 아니라 우리의 건강과 자연에도 영향을 미친다. 무엇보다도 번식, 많은 동물의 먹이 포획 및 이동, 야행성 곤충에 의한 식물의 수분을 방해한다. 따라서 빛 공해에 대한 조치가 이미 많은 국가에서 도입됐다. 가로등은 더 강력하게 차폐됐으며 많은 주황색 나트륨 증기 램프가 보다 경제적인 LED 램프로 교체되었다. 그러나 이전에는 전체적인 밝기 측정이 어려워 이러한 조치가 산란광을 줄였는지 불분명했다. 독일 포츠담 지구과학연구소(GFZ)의 크리스토퍼 키바(Christopher Kyba)와 동료들은 "현재 산란광과 관련해 지구 전체를 모니터링할 수 있는 유일한 위성은 해상도와 감도가 제한되어 있으며 파장이 500nm(나노미터) 미만인 빛을 감지할 수 없다"고 설명했다. 결과적으로 백색 LED의 단파 빛은 위성을 빠져나간다.

"Globe at Night": 하늘에 몇 개의 별이 보이나요?

2006년부터 진행되고 있는 시민 과학 프로젝트 "Globe at Night"의 구호다. 여기에서 자원봉사자들은 밤하늘을 관찰한 다음 앱이나 온라인 양식을 사용해 하늘에서 본 것과 가장 일치하는 8개의 별 지도를 표시한다. 지도는 빛 공해의 다양한 수준과 이에 따라 별이 더 많거나 적게 보이는 하늘을 보여준다. 키바는 "개인의 기여는 우리가 완전히 새로운 연구 접근 방식을 취할 수 있게 해주는 글로벌 센서 네트워크처럼 함께 작동한다"고 말했다. 연구를 위해 그와 그의 팀은 2011년부터 2022년까지 구름 없는 하늘에서 이루어진 5만1000개 이상의 관찰 데이터를 평가했다. 그들은 전 세계적으로 1만9262개 지역을 대표하며 대부분은 북미와 유럽에 있다. 이 데이터와 글로벌 모델에서 연구원들은 하늘의 밝기와 최근 몇 년 동안 어떻게 변했는지 결정했다. 그 결과 야간 산란광은 감소하지 않았고 지난 10년 동안 극적으로 증가했다. 유럽에서는 야간 확산 하늘 밝기가 매년 약 6.5%, 북미에서는 최대 10.4% 증가했다고 데이터가 밝혔다. 전 세계적으로 평균적으로 산란광의 증가는 연간 약 9.6%이다. 이는 이전에 위성 측정으로 결정된 것보다 거의 5배 더 많은 것이다. 특히 인구 밀도가 높은 지역에서는 밤이 빠르게 밝아지고 있다. 연구팀은 "이는 18세의 어린 시절 동안 밤하늘이 4배로 밝아진다는 것을 의미한다"며 "이대로 발달하면 250개의 별이 보이는 곳에서 태어난 아이는 18세가 될 때까지 100개의 별만 볼 수 있다”고 비유적으로 설명했다. 

▲ 2011년 1월부터 2022년 8월까지 Globe at Night 참가 (A) 다음을 보여주는 막대 차트 시간 분포. 각 연도의 참여는 범례에 표시된 대로 대륙별로 세분화된다. (B) 동일한 면적의 Eckert IV 지도 투영에서 결합된 모든 연도의 공간 분포. 색상 표시 대수 척도에서 토지 면적으로 정규화된 참여. 검은색 점은 위치를 나타낸다. (출처: 관련논문 Citizen scientists report global rapid reductions in the visibility of stars from 2011 to 2022 / Science)

팀은 관측 데이터와 위성 측정 간의 차이를 여러 요인에 기인한다고 했다. 하나는 산란된 빛의 전파 방향이다. "위성은 하늘을 향해 위쪽으로 향하는 빛에 가장 민감하다"고 Kyba는 설명했다. "하지만 밤하늘 빛의 대부분을 차지하는 것은 수평으로 방출되는 빛이다. 그래서 광고나 가로등이 더 빈번해지고, 더 커지고, 더 밝아지면 위성영상에 반영되지 않고 큰 영향을 미칠 수 있다”고 말했다. 

두 번째 요인은 나트륨 증기 램프에서 LED로의 전환이다. Kyba는 "사람의 눈은 밤에 단파 빛에 더 민감하기 때문에 LED는 하늘의 밝기에 대한 인식에 큰 영향을 미친다"고 말했다. "따라서 이것은 또한 위성 측정과 '밤의 지구본'의 일부로 이루어진 관측 사이의 불일치에 대한 이유가 될 수 있다.” 연구원들은 그들의 결과에서 두 가지 주요 결론을 도출했다. 한편으로는 LED로의 전환에도 불구하고(혹은 그 때문에) 밤하늘의 빛 공해가 계속해서 급속히 악화되고 있다. "반면에 우리는 시민 과학(Citizen Science) 데이터가 이전 측정 방법에 중요한 추가 사항임을 입증할 수 있었다"고 Kyba는 말했다. 

▲ 아리조나에 있는 대형 쌍안 망원경 관측소에서 보기: 모든 곳에서 인간 정착지와 도시의 빛이 밤을 비추고 있다. © Marco Pedani

연구팀은 앞으로 더 많은 사람이 "Globe at Night" 프로젝트에 참여하기를 바라고 있다. 광범위한 지역 정보가 필요하기 때문이다. 지금까지 세계에서 더 가난하고 인구 밀도가 낮은 지역의 데이터는 거의 없었다. 공동 저자인 NOIRLab의 애리조나주 NOIRLab의 콘스탄스 워커(Constance Walker)는 "우리가 더 광범위하게 참여했다면 다른 대륙과 개별 주 및 도시의 추세를 식별할 수 있었다"며 "프로젝트가 아직 완료되지 않았으니 오늘 밤 확인하고 무엇을 보는지 알려주십시오!”라고 말했다.

천문학의 문제, 빛 공해는 거의 모든 망원경에 영향 미쳐

거리, 도시 및 산업 공장의 인공조명은 주변 환경을 밝게 만들 뿐만 아니라 실제 조명 원뿔을 훨씬 넘어서는 산란광을 생성한다. 그 결과 세계 인구의 약 80%가 더 이상 정말 어두운 밤하늘을 보지 못하고 전 세계적으로 빛 공해가 증가하고 있다. 심지어 한국에서도 어두운 곳이 거의 남아 있지 않다. 이 빛 공해는 천문학에 특히 심각하다. 대형 망원경의 민감한 광학 장치는 약한 우주 광원도 볼 수 있도록 가능한 한 어두운 환경에 의존하기 때문이다. 그러나 지상 램프의 미광뿐만 아니라 위성과 우주 파편의 궤도 미광이 이러한 가능성을 점점 더 제한하고 있다. 이탈리아 빛 공해 기술 연구소의 파비오 팔치(Fabio Falchi)와 그의 동료들은 천문대가 전 세계적으로 빛 공해의 영향을 어느 정도 받고 있는지 조사했다. 그들은 대형 망원경과 12개 이상의 작은 망원경으로 28개의 천문대에서 측정을 수행하고 천정의 밝기, 전체 하늘에 대한 평균, 수평선 위 최대 30도, 최대 10도 및 수평선 바로 위 5가지 지표로 빛의 노출을 기록했다.  

▲ 나미비아의 밤하늘 - 세계에서 방해가 되는 산란광이 거의 없는 몇 안 되는 곳 중 하나다. © Dr Fabio Falchi

그 결과 대부분 망원경과 천문대는 대부분 멀리 떨어져 있음에도 불구하고 이미 빛 공해의 영향을 받고 있다. 이것은 일반적으로 보이는 하늘의 가장 어두운 부분인 천정의 밝기에 대해서도 마찬가지다. 28개의 주요 천문대 중 6개만이 천정의 밝기가 자연 수준보다 1% 미만이다. 여기에는 칠레 파라날에 있는 유럽 남부 천문대(ESO), 마우나 케아 망원경, 남아프리카 및 호주 천문대가 포함됐다. 기이한 점은 아직 상대적으로 어두운 이 망원경 위치 중 하나는 킬로미터 떨어져 있있는데도 다른 천문 시설에서 산란광을 얻는다. Falchi와 그의 동료들은 "아이러니하게도 TAO의 어둠은 다른 천문학자들의 빛 공해에 의해 영향을 받는다"고 말했다.

3분의 2가 10퍼센트를 초과

수평선 위 약 30도 높이에서 노출된 빛을 보면 28개 대형 천문대 중 18개는 연구원들이 판단한 것처럼 산란광의 10% 임계값을 초과하기도 한다. 이러한 값은 국제 천문 연맹(International Astronomical Union, IAU)에서 허용할 수 있는 최대 빛 공해에 대한 임계 한계로 정의되었다. 그러나 미국 본토의 모든 망원경을 포함하여 주요 천체 망원경 위치의 약 2/3가 이미 이 값을 초과했다. 연구원들은 "미래의 망원경을 위한 일부 사이트가 우리가 기대하는 것이상으로 방해받는다는 점도 걱정스럽다"고 보고했다. 여기에는 거대 마젤란 망원경이 2029년까지 건설될 예정인 칠레의 라스 캄파나스 천문대가 포함된다. 이 위치에 대한 주요 간섭 소스는 무엇보다 40km 떨어진 고속도로다. Falchi와 그의 팀은 "빛 공해가 매년 조금씩 증가하더라도 그러한 사이트가 운영되기 전에 한도를 초과할 수 있다"고 말했다.

"마지막 경종"
과학자들에 따르면 이러한 결과는 놀랍다. 연구원들은 "이 결과는 인공 광원에서 나온 것이든 궤도에 있는 인공 물체에서 반사된 햇빛에서 나온 것이든 빛 공해에 대한 심각하고 집단적이며 단호하고 타협하지 않는 조치를 취해야 한다는 마지막 경각심을 불러일으키는 것"이라고 말했다. 지구 기반 천문의 미래를 지키기 위해서는 여기에서 대책 마련이 시급하다.

참고
Science, 2023; doi:10.1126/science.abq7781
National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory(NOIRLab), Helmholtz Center Potsdam – GFZ 독일 지구과학 연구 센터
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2022; doi: 10.1093/mnras/stac2929 (출처: Royal Astronomical Society)

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