城市夜景照明中的光污染和夜天空保护的研究，本文主要内容关键词为：夜景论文,天空论文,城市论文,光污染论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
【文章编号】1002-1329(2008)08-0070-04 【中图分类号】TU984 【文献标识码】A 【修改日期】 2008-07-04
1 引言
城市夜景照明是城市环境中的重要组成部分，对塑造城市夜晚形象，提升生活服务环境起着良好的作用。但是并非所有的照明都会达到如此的效果，当城市照明对人、动植物以及环境产生不良影响时，就变了光污染。如同水污染，大气污染一样，光污染也不利于城市的可持续发展。因此要高度重视光污染，剖析光污染所造成的危害，并采取有效措施控制光污染，以创造人、社会、自然和谐共存的城市空间。
2 光污染的表现形式
2.1 隐性光污染
隐性光污染是一种潜在的或间接的危害，对人、物和环境有一定的影响时间、影响范围和影响途径，就如同电磁波污染，移动电话这类无线发射器，使用户的大脑常处于辐射下，对人脑危害很大。隐性光污染的危害，如光辐射污染，即光照中短波辐射的氧化作用和长波热辐射作用，会造成建筑材料表面的褪色老化甚至变质[1]；会对动植物生物钟的破坏：过度的照明将会导致植物花芽过早形成或成熟期延迟，昆虫和鱼类等繁殖不良等等；因光的误导而引来的昆虫可能导致的二次灾害：克罗地亚的学者就对特殊光源[2]——昆虫诱引器有过研究。其中高压汞灯、金属卤化物灯、高显色性的荧光灯对虫子的招引力较强，低压钠灯和高压钠灯吸引力较小。因此，在有居民和游客逗留的城市，休闲区的照明设计中应尽量避免使用荧光高压汞灯[2]。
2.2 显性光污染
指对人、物和环境产生的负面影响即时性较强，比隐性光污染更直接，更明显。光的数量或方向足以干扰人们的正常休息和工作，并降低了人眼对于一些重要信息的感知能力和观察能力。主要包括4个方面：眩光、光入侵、光溢散、天空发亮。前3种光污染形式主要是由低效的光源，拙劣的照明设备或过量的光线引起，但通过采取一定的措施如：正确选择光源，限制灯具安装区域，协调光的颜色，适时开闭照明系统等可使这3种光污染得到适当控制。天空发亮是因城市的人工光在尘埃、水蒸气或其他悬浮粒子的反射或扩散作用下进入大气层[3]，而导致的城市上空发亮。这种光污染会影响到天文观测。
3 光污染对城市的影响
随着人们生活质量的提高，人们更需要一个可见度良好，安全，舒适并富有吸引力的城市夜间环境。但是由于表达内容，设计方法和实施策略等的影响，一些夜间照明可能会引起负面效果，变成光污染。这样光污染会对城市环境、生态系统和社会生活造成不同程度的影响：
(1)引起光线流失。光污染引起的眩光，光入侵，光泛滥等现象，不仅会干扰人的生理节律，降低司机的工作效率甚至引发交通事故等等，而且极大的浪费了能源。光线流失是造成光污染最直接、最突出的原因。
(2)破坏审美效果。在城市照明工程中，为避免单一的照明元素的令人乏味的问题而使用过量的光线、耀眼的光彩，常常会使人眼花缭乱。事实表明过度的元素堆积、错位，反而会造成设计的混乱，破坏审美效果，因此光形、光色、亮度等元素的设计要适“度”为止，以满足人们的审美感。
(3)降低安全感。有时繁华、明亮的光环境反而会让人感到更加紧张，引起恐慌、烦躁和不安。据美国司法部报道[2]，人工照明的增强会降低犯罪者的恐惧心理。如亮度越高的场所与相邻空间的明暗对比就愈发强烈，犯罪者容易从暗处去袭击他人。从一定意义上来说，不良的光环境会给人带来安全的假象。
(4)威胁生态平衡。过度的人工光线照射可能会改变夜行动物的生长发育和取食、信息交流等行为习性，扰乱动植物的正常活动规律，甚至导致物种濒临灭绝与发生变异等。这些现象都与可持续发展相违背，会破坏生态系统的平衡状态。
(5)失去美丽夜空。城市的天空发亮主要是由过量的人工光直射或反射造成，许多低品质的室外照明所产生的上照光、溢散光、反射光等都能够增加城市的夜空亮度，这样就减弱了人们对星空的观察能力。然而深蓝夜空，繁星闪烁作为夜间环境的重要组成，是人类最宝贵的自然资源之一，人类不能以照明技术的进步为代价而失去美丽的夜空。
(6)造成能源浪费。光污染浪费了大量的电力资源，发电产生的废弃物对城市环境又造成了严重的污染。就美国而言，每年因低效光源以及在不适当的时间和地方进行照明而浪费的能源，将近20亿美元（2002年数据）[2]。另外，因光污染而使天文台更换高价值宽口径的望远镜甚至不得不搬迁所耗费用，也是惊人的数字。
4 夜天空亮度监测的技术和方法
美丽的夜空作为城市环境的一部分，是自然界留给人类的宝贵遗产之一[2,5]，是全世界共同拥有的财富。如同洁净的空气，原始森林和稀有物种的减少一样，明朗夜空的消失同样会给人类文明带来缺憾。因此各国学者开展了夜天空亮度的测量，以建立夜天空亮度的历史资料，定量化判断光污染进程。同时也有人建议把持续进行这种观测列入规划，以建立和积累城市光污染及其治理效果的系统和评价资料[6]。
图1 地球夜空亮度的分布
Fig.1 Night view of the globe
资料来源：根据参考文献[4,7]整理。
4.1 由气象卫星拍摄夜空亮度分布图法
通过该方法可以比较直观的和全面的分析城市照明中的光污染分布情况。上世纪末美国国防气象卫星(DMSP)在为五角大楼拍摄全球军事力量状况的同时，拍下了五大洲的卫星夜景照片。这也是世界上第一个地球夜空亮度的分布图（图1）。可以看到，光污染已经成为全球普遍存在的问题，其中美国，欧洲，日本的光污染问题较为严重（表1）。最明亮的区域是北美洲。整个美国东部、中部基本上属于中高度光污染区，这里集中了美国人口和工业的大多数，如纽约、华盛顿、芝加哥等国际大都市。其次为欧洲，主要是北欧国家、德国西部、英国、法国北部及意大利等地区。有世界著名的港口城市，最密集的人口和最发达的工业。第三明亮区域是日本，它也是亚洲最发达的工业国之一。光污染的程度似乎成了反映世界各国工业文明发展的一个缩影。在我国，东部地区的亮度远高于西部地区，其省会及其重要的城市普遍较亮。北京、上海和广州光污染程度较明显，处于中高污染区。研究人员表明，世界上1/5的人口，包括2/3的美国人以及一半以上的欧洲人已经对银河视而不见；2/5的美国人和1/6的欧洲人已无法看到星光灿烂的夜空[7-9]。
4.2 数学模型预测法
数学模型法对天文台择址以及对城市光污染分析与控制都有一定的预测作用。根据沃克(walker)理论建立的数字模型可预测出距离城市中心一定范围内的天光增量[5]。该预测模型为：
△I=0.01pr[-2.5]其中，△I为朝向光源侧，垂直角45°方向处夜天空亮度的增量，△I值为0.2，就意味着观测点处的夜天光比自然背景天光增加20%；p为城市人口（人）；r为光源到观测点的距离(km)。根据这一原理计算距离与天空光衰减的关系见表2。
从表中不难看出，观测位置离城市光污染源越远，其夜天空亮度降低得越快，对夜天空的影响能扩展到数公里以外的地方。发射角越小的光线引起天空增亮的位置离城市较远；相反，发射角越大的光线引起天空增亮的位置离城市越近。因此在城市照明设计中，如果使用截光型灯具或降低地面和其他表面的反射率都能够非常有效地减少观测点处的光污染。
4.3 CCD成像装置拍摄法
CCD是电荷耦合器件(Charge Coupled Device)，如航拍数码相机内都装有高分辨率的CCD影像传感器。该方法主要是利用望远镜。CCD和标准的U，B，V，R滤光器相结合来测量夜天空亮度以及其他参量[10]。获得的图像再通过CCD数据处理软件的图像处理功能，分别评估出所观测天光合星的V和B星等值。这种方法天文学专业性较强，但其测量结果对于城市光污染治理也具有显著意义。
4.4 亮度计测量法
夜天空亮度值是能够反应天空发亮的指标之一，可通过与自然背景天空亮度的比较来考察所测区域的天空的光污染情况。因此，亮度计测量法可成为城市照明中监控夜空光污染最常用的一种方法。笔者于2006年10-12月，应用BM-7彩色亮度计对天津城区天空亮度进行了监测，发现城市景观照明关闭前后夜天空亮度相差2～14倍，各种景观照明陆续关闭的情况下，各方向的夜天空亮度都有明显的下降，但此时还要比自然天空亮度高出50～300多倍不等，相当于增亮4.3～6.2个星等。这种测量方法的可行性好，可操作性强。其测量结果对分析城市光污染的分布和程度，以及对城市照明规划中环境亮度的对比和分区等可提供详尽的理论依据。
5 控制和治理夜景光污染的重要性与迫切性
5.1 保护全球生态的需要
光污染对动物的夜间定位、沟通等行为以及对植物的生物钟节律、休眠、冬芽形成等方面都存在一定的影响。但目前国际上还没有此方面定量化的标准和指南，对该方面影响的结论和研究成果还很有限。因此，对全球生态系统的危害不容忽视。例如透过人们所熟知的食物链，如果人工光照影响了食物链中的某一环，就会影响到动物群落间的交互作用，甚至还会进一步改变群落的结构。在人工照明形成的“永久月光”的环境下[11-12]，有助于那些耐光型物种生存，会将其他物种逐渐从该环境驱逐出去。这样的结果只会导致生物群落结构简单化，从而影响到生态系统的平衡特征。另外，受到光污染干扰的物种范围也越来越广，从空中到陆地再到水中的生态系统都有可能受到光污染的影响和破坏。所以防治光污染保护生态系统是亟待解决的问题。
5.2 促进城市夜景照明科学、可持续发展
科学的、可持续的夜景照明要求人造光环境对周围物理环境的影响应该是最小的[13]。而光污染作为城市夜景照明中的副产品，具有表现形式多、影响范围广和传播速度快等特点，与可持续发展理念相违背——光污染在全球范围内造成了巨大的能源浪费；每年因光污染造成的直接和间接的环境污染和经济损失也非常严重；尤其是给人类的健康、生活、交通和人居环境等都带来了许多干扰和侵害等等。由此，从长远目标来看需要对城市夜景照明中的光污染进行系统性、规范性和全面性的控制与治理，只有这样在适当的区域和时间科学合理的进行城市照明，才能创造出良好的城市光环境，并且还可为人类带来可观的经济效益和环境效益。而这方面正是节约能源、保护夜空本色、提升夜间人居环境品质、实现城市夜景照明规划、设计、建设等方面能够科学、可持续发展的需要。
5.3 建立我国光污染防治研究体系
(1)与欧美和日本等发达国家相比，适合我国国情的关于解决光污染方面的技术性研究成果还比较缺乏，更没有该方面的权威性法律法规。虽然北京、天津、上海等地都先后出台了行业的技术规范，但是缺乏一定的法律性和针对性。如果关于防治光污染的具体措施详细的列入法律规范，不仅能保证在开始规划时期就考虑防治光污染问题，还能够优化照明设计、提高照明质量、促进照明产品的新生和刺激照明系统的技术发展。如意大利“外部照明节能及防治光污染应急对策”法规的实施[2]，就曾为已经停滞一段时期的意大利照明市场，带来了意想不到的效果。
(2)在我国比较缺乏光污染的监控方法、评价体系和历史记录。就天空发亮型光污染的研究情况来看，德国，意大利，日本等国家都有关于城市夜天空亮度研究的历史资料[14-15]。如日本，自1987年以来，在环境厅的领导下绘制了全国的夜间天空光的等值区域图，并且这项工作得到了持续[4,14]。所以建立城市夜天空亮度的监控和评价体系，将有利于城市环境的保护和可持续发展。
总之，研究与控制光污染已经成为国际学术界近年来特别关注的涉及全球环境的问题，同时也是人类和全球生态不可推卸的责任和义务。