Ostrzeżenie!

Nigdy nie patrz bezpośrednio na Słońce! W przypadku używania instrumentów optycznych (lornetka, teleskop, itp..), nawet ułamek sekundy ekspozycji na skupione światło Słońca prowadzi do nieodwracalych uszkodzeń wzroku!

Wizualne obserwacje Słońca wiążą się z pewnym ryzykiem, ale przy stosowaniu zasad bezpieczeństwa i środków ochrony wzroku (odpowiednich filtrów) mogą być bezpieczne.

Terminologia

Posługuję się następującymi pojęciami i skrótami:

• UV - świało w zakresie nadfioletu/ultrafioletu, o długości fali do 400nm (UV - ultra-violet)
• światło widzialne - promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie 400nm-780nm
• IR - promieniowanie podczerwone, cieplne, o długości fali od 780nm do około 3µm
• bliska podczerwień (NIR - near infra-red), o długościach fali z zakresu 780-1400nm [1]
• głębokość optyczna - OD (optical depth) - parametr opisujący pochłanianie światła w danym zakresie długości fal przez materiał (filtr); dla natężenia światła padającego \(I\) i przefiltrowanego \(Ip\), OD wyraża się wzorem \(-\log_{10}(Ip / I)\), a więc natężenie światła po przefiltrowaniu to \(Ip = 10^{\mathrm{-OD}} * I\); Filtr OD 3.8 przepuszcza zatem \(10^{-3.8} = 1/6000\) padającego światła.

Mechanizmy uszkodzeń wzroku

Okazuje się, że niełatwo jest znaleźć (w Internecie) kompletne i wiarygodne informacje na temat uszkodzeń wzroku powodowanych przez promieniowanie elektromagnetyczne w interesujących nas zakresach fal (od UV, przez światło widzialne, po IR).

Uszkodzenia wzroku w wyniku bezpośredniego patrzenia na Słońce (!) są dobrze udokumentowane (PubMed to prawdziwa kopalnia przypadków). Promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widzialnym powoduje przede wszystkim uszkodzenia wynikające z toksycznego działania światła, objawiające się np. retinopatią słoneczną. W szerokim kontekście o fotochemicznych uszkodzeniach siatkówki można poczytać m.in. w publikacji The Action Spectrum of Photochemical Damage to the Retina: A Review of Monochromatic Threshold Data.

O efektach długotrwałego/powtarzającego się działania światła w ulatrafiolecie i podczerwieni w ujęciu ilościowym wiadomo dużo mniej. Rzuca się w oczy mała ilość badań eksperymentalnych wyznaczających poziom niebezpiecznych dla wzroku dawek promieniowania elektromagnetycznego.

Co możemy zrobić sobie w oko? Całkiem sporo niedobrych rzeczy:

• Photic retinopathy / Retinopatia słoneczna - w wyniku reakcji fotochemicznych, oparzeń siatkówki
• Cataract / Zaćma - w wyniku narażenia na promieniowanie UV lub IR
• Pterygium / Skrzydlik
• Pinguecula / Tłuszczyk oka

Światło widzialne

Sprawa jest jasna (do czasu - haha) - zbyt intensywne światło uszkadza siatkówkę. Im bardziej intensywne, tym szybciej. W życiu codziennym chroni nas reakcja bólowa i odruchowe odwracanie wzroku od zbyt intensywnych źródeł światła takich jak Słońce. Niestety światło skupione przez teleskop jest tak intensywne, że nawet te mechanizmy nie wystarczą do uratowania wzroku.

Co w przypadku długotrwałego narażenia na mniejsze dawki? Według artykułu Phototoxicity of low doses of light and influence of the spectral composition on human RPE cells za uszkodzenia odpowiedzialne jest głównie światło niebieskie, podana jest też dawka graniczna (22J/cm^2) (wracam do tej liczby poniżej).

Z kolei Repeated exposure to low doses of light induces retinal damage in vivo in a wavelength-dependent manner Author links open overlay panel sugeruje, że efekt ten jest odwrotnie proporcjonalny do długości fali i uszkodzenia powoduje również "światło zielone".

Bliska podczerwień

Mechanizm powstawania uszkodzeń może być w tym przypadku inny niż dla krótszych długości fal. Na przykład Retinal damage in macaque after white light exposures lasting ten minutes to twelve hours zawiera stwierdzenie, że światło o długości fali powyżej 700nm nie powoduje uszkodzeń fotochemicznych.

Najwięcej informacji o wpływie podczerwieni na oczy człowieka można znaleźć w źródłach związanych z przemysłem oraz bezpieczeńswem i higieną pracy. Od początku epoki przemysłowej ludzie pracują w narażeniu na zwiększone dawki promieniowania podczerwonego w zawodach związanych z hutnictwem, spawaniem, obróbką szkła i w otoczeniu innych procesów z wykorzystaniem wysokiej temperatury. Jest ono szczególnie niebezpieczne, ponieważ jest dla naszego oka niewidoczne, a nadmierna ekspozycja nie musi [citation needed] wiązać się z powstawaniem sygnałów ostrzegawczych powodujących odwrócenie wzroku, jak to robimy w przypadku światła widzialnego.

I tak, producent okularów ochronnych uvex informuje na swoim blogu:

Oczy są szczególnie wrażliwe na szkodliwe działanie promieniowania IR i reagują szybciej niż skóra, przy czym ich reakcja zależy od natężenia i długości ekspozycji.

I dalej:

Promieniowanie IR-A może powodować nieodwracalne uszkodzenia (takie jak oparzenia) siatkówki z powodu nadmiernego ciepła i zmętnienia soczewki, co może prowadzić do zaćmy, zwanej również zaćmą dmuchacza szkła, zaćmą podczerwoną lub zaćmą ogniową.

Blog ten też wskazuje na normę EN 171 (obecnie aktualna zdaje się być norma PN-EN ISO 16321-1:2022-10, z którą nie miałem okazji jeszcze się zapoznać.

Ultrafiolet

Chyba najbardziej znanym efektem narażenia wzroku na promieniowanie UV jest ślepota śnieżna (artykuł w języku angielskim zawiera więcej informacji.

Za Wikipedią:

Any intense exposure to UV light can lead to photokeratitis. In 2010, the Department of Optometry at the Dublin Institute of Technology published that the threshold for photokeratitis is 0.12 J/m2[3]

Odnośnik [3] prowadzi do artykułu "Review of Photokeratitis: Corneal response to ultraviolet radiation (UVR) exposure". The South African Optometrist. Retrieved 1 November 2021..

Ciekawostką jest, że soczewka w oku człowieka (w oczach naczelnych) pochłania większość promieniowania UV między 300 a 400nm. Nie ma to miejsca np. u gryzoni, na co warto zwrócić uwagę przeglądając publikacje naukowe. Artykuł ten wspomina też, że operacja usunięcia zaćmy powoduje utratę tej ochrony!

Techniki obserwacji

Amatorskie obserwacje Słońca to głównie obserwacje w świetle białym w całym zakresie widzialnym widma (ang. solar continuum). Do redukcji intensywności promieniowania świetlnego stosowane są powszechnie trzy rozwiązania:

• Filtry pełnoaperturowe (zasłaniające całą średnicę teleskopu), foliowe lub szklane
• Kliny Herschela
• Teleskopy zwierciadlane z wytrawionymi lustrami (o niskiej sprawności odbicia) -- rzadkie rozwiązanie

Bodajże najczęściej używanym produktem jest folia Baader AstroSolar (ND/OD 5.0), stosowana jako filtry pełnoaperturowy. Jest to rozwiązanie szczególnie polecane początkującym obserwatorom, ponieważ zapewnia największe bezpieczeństwo obserwacji. Filtr umieszczony przed teleskopem nie pozwala układowi optycznemu skupić niebezpiecznej ilości energii w żadnym punkcie. Folia, w przeciwieństwie do filtra szklanego, nie odporna jest na pęknięcia i nie może ulec rozbiciu. Powstanie niewielkiej dziurki w takim filtrze nie powinno pozwolić na skupienie na siatkówce oka większej ilości światła niż ma to miejsce np. przy przypadkowym spojrzeniu na Słońce.

Pozostałe dwa rozwiązania nie zapewniają bezpieczeństwa wzroku bez dodatkowych zabezpieczeń!

Z kolei klin Herschela umieszczamy na końcu układu optycznego, gdzie pracuje on na skupionej wiązce światła, której niewielka część (~5%) zostaje odbita w kierunku obserwatora, zaś pozostała energia rozpraszana jest w urządzeniu.

Podobnie sprawy mają się w teleskopie z wytrawionym lustrem - pracuje on całą średnicą, ale tak spreparowane lustro odbija stosunkowo niewielką ilość światła. Np. w tym wątku na SolarChat Forum podana jest wartość transmitancji rzędu 4% przy wytrawionych obu lustrach.

Co ciekawe, Guidelines for Solar Observers zdecydowanie ostrzega przed zastosowaniem "starych klinów Herschela" ("Do not use older devices such as a Herschel wedge"), ale ostrzeżenie to nie jest powtórzone w opublikowanym przez tę organizację Solar Observing Guide, który zawiera wskazówki poprawnego korzystania z klina. Być może chodzi o produkowane kiedyś urządzenia bez zintegrowanych filtrów szarych, których użycie, przy transmisji rzędu 5%, spowodowałoby uszkodzenie oka.

Dostępne obecnie w sprzedaży kliny szanowanych producentów takich jak Baader lub Lunt mają wbudowane filtry ND3. W przypadku Baadera dostępna jest też wersja do zastosowań fotograficznych z filtrami ND 3.0, 1.8, 0.9 i 0.6. Usunięcie filtra szarego z klina lub zastosowanie zbyt słabej wersji oczywiście doprowadzi do uszkodzeń wzroku.

Szacunki dla rozwiązań bez filtra pełnoaperturowego

Natężenie promieniowania na powierzchni Ziemi (UV/widzialne/IR), podaję za https://sunclimate.gsfc.nasa.gov/article/solar-irradiance:

Pierwsze przybliżenie

W przypadku UV dokonałem szacunku "na oko" na podstawie wykresu, przyjmując zakres długości fal od 300nm do 400nm, dla którego pole powierzchni pod krzywą ma z grubsza kształ trójkąta o podstawie długości 100nm i wysokości 0.5W/m^2/nm.

Stąd prosto pole pod krzywą wynosi: \(0.5 * 100nm * 0.5W/m^2/nm = 25W/m^2\)

Dla uproszczenia przyjmę, że teleskop zwierciadlany będzie odbijał 100% promieniowania w tym zakresie (różnice sprawności w zakresię kilkudziesięciu procent nie mają tu dużego znaczenia).

Lustro o średnicy 15cm ma pole powierzchni \(π * (0.15m)^2 = 0.0706m^2\)

Na tym etapie pomijamy obstrukcję centralną w konstrukcjach typu Newton.

Z powyższych dostajemy natężenie zebranego promieniowania:

\(25W/m^2 * 0.0706m^2 = 1.76W\)

I dalej biorąc 5% światła (jak podawane jest np. dla klina Herschela):

\(1.76W * 0.05 = 0.087W\)

Poniższe jest błędne:

W zależności od źrenicy wyjściowej teleskopu, energia ta może zostać skupiona na powierzchni rzędu \(1mm^2\). Przyrównujac do podanych w cytowanej wyżej pracy [tu link] wartości granicznych mogących prowadzić do uszkodzenia rogówki w oku człowieka, rzędu \(0.08J/cm^2\) dla długości fali 300nm, otrzymujemy wynik \(0.087W / 1mm^2 = 0.087W / 0.01cm^2 = 8.7W/cm^2\), a zatem 100x większy?!

Do kwestii absorbcji UV w szklanych elementach teleskopu odnoszę się niżej. O ile np. refraktor z klinem Herschela ma po drodze sporo szkła, to teleskop lustrzany - jedynie soczewki okularu.

Nie powinny zatem dziwić ostrzeżenia producentów takich jak Baader, którzy informują, że wartości natężenia światła w rozwiązanich typu klin Herschela 1000 razy przekraczają progi uznawane za bezpieczne dla ludzkiego oka.

Warto zwrócić tu też uwagę na stwierdzenie "uzwanane za", gdyż brakuje badań dających jednoznaczne wyniki w kwestii podatności tkanek oka na uszkodzenia spowodowane długotrwałą/powtarzającą się ekspozycją na szkodliwe promieniowanie.

W tym przypadku zalecane jest użycie filtra szarego (ND) o głębokości optycznej (OD - optical depth co najmniej 3.0, czyli tysiąckrotnie redukującej natężenie światła (skala logarytmiczna).

Filtry szare (ND 3.0 z klinem Herschela i podobnymi)

Jeśli chodzi o klin Herschela (i analogicznie teleskopy z wytrawionymi lustrami), to moje obawy dobrze oddaje ten wątek na CloudyNights. Najważniejsza podnoszone tam kwestia to fakt, że w zależności od konstrukcji filtry szare (ND: neutral density) mogą mieć różną zdolność blokowania promieniowania na różnych długościach fal. W szczególności, możemy wyobrazić sobie patologiczny przypadek, w którym "na oko" szary filtr staje się zupełnie przeźroczysty dla promieniowania podczerwonego lub UV.

W wyżej wspomnianym wątku użytkownik o nicku jgraham sugeruje, że nie obawia się ekspozycji na światło UV z uwagi na dużą jego absorbcję w elementach szklanych. Jednak wystarczy rzucić okiem na stronę Edumund Optics, żeby stwierdzić, że wiele gatunków szkła stosowanego w konstrukcji elementów optycznych przepuszcza od 50% energii w zakresie długości fal od 300nm do 400nm.

Czy to problem wydumany? Trudno mi jednoznacznie powiedzieć. Strona https://www.sonnen-filter.de/index-x.html zawiera interesujące cytaty z norm (DIN) i rekomendacji okulistycznych, które można łatwo sobie przetłumaczyć. Szczególnie interesujące są wykresy z testów filtra ND3.0 Baadera, które napawają optymistycznie w zakresie UV i NIR:

Realistyczny obraz działania i jakości filtrów do zastosowań astronomicznych można zobaczyć w wątku Obiektywny test porównawczy filtrów na forum Astropolis. I tak na przykład możemy spotkać filtry o takiej charakterystyce:

... na przykład taki filtr Moon (zazwyczaj po prostu szary) nie wygląda pomocnie.

Kolejny wniosek jaki można wyciągnąć z lektury tego wątku, to rozrzut jakościowy filtrów do obserwacji amatorskich, choć pewnie dotyczy on głównie filtrów interferencyjnych.

IR/UV cut

Nie mam znalazłem wiarygodnych informacji na temat użycia tego rodzaju filtrów do ochrony wzroku przy wizualnych obserwacjach Słońca. Na forach jest to "doradzane" jako dodatkowe zabezpieczenie. Zastosowanie dodatkowego filtra na pewno nie zaszkodzi!

Byłbym bardzo ostrożny - te filtry nie muszą spełniać żadnych standardów, występuje w nich rozrzut jakościowy, a docelowe zastosowanie nie pokrywa się z wymaganiami ochrony wzroku, a więc nie należy oczekiwać, że są odpowiednio projektowane, wykonywane i testowane. Na pewno nie są certyfikowane. Filtry do zastosowań astrofotograficznych nie muszą być ani doskonałe, ani blokować światła w zakresie do ~3µm, ponieważ typowe detektory używane w astrofotografii nie są już czułe w tym zakresie! Tymczasem efekty termiczne mogą prowadzić od uszkodzenia wzroku.

Dla pewności należałoby każdorazowo mierzyć pasmo transmisji nieznanego filtra w zakresie podczerwieni przy użyciu spektrometru.

Baader Solar Continuum

Powszechnie stosowany w obserwacjach Słońca filtr poprawiający kontrast, przepuszczający "zielone" światło Słońca (tu Słońce promieniuje najmocniej) w dość wąskim zakresie rzędu 7.5nm FWHM.

Dzięki uprzejmości Oskara (dobrychemik na forum astropolis.pl), możemy obejrzeć jak sprawa wygląda w okolicach bliskiego nadfioletu i bardzo bliskiej (pod)czerwieni. Trudno powiedzieć co dzieje się dalej, ale nie wygląda to źle:

Nie mam w tym momencie informacji o jego działaniu ochronnym w zakresie dalszej podczerwieni.

Filtry pełnoaperturowe foliowe i szklane

Pomijam tu temat filtrów szklanych, ponieważ mnie nie interesuje. Warto przytoczyć dość powszechnie wygłaszaną opinię, że są one mniej bezpieczne niż filtry foliowe (w razie pęknięcia/stłuczenia), oraz że bardziej degradują obraz niż wykonana z wysoką precyzją folia Baadera.

OD 5.0 / 3.8

Inne tematy (do zbadania)

Filtry interferencyjne? Wymagania (astro)fotografii a zabezpieczenie wzroku.

Wnioski

Przypisy

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Infrared#Commonly_used_subdivision_scheme

Bibliografia

• "Solar Astronomy. Observing, imaging and studying the Sun." -- https://solar-astronomy-book.com/