stringtranslate.com

Небесное сияние

Мехико ночью, видно свечение неба
Карта 1996–1997 годов, показывающая степень свечения неба над Европой.

Свечение неба (или свечение неба ) — это рассеянное свечение ночного неба , помимо отдельных источников света, таких как Луна и видимые отдельные звезды . Это часто замечаемый аспект светового загрязнения . Хотя обычно оно относится к яркости, возникающей из-за искусственного освещения , свечение неба может также включать любой рассеянный свет, видимый ночью, включая естественный, такой как свет звезд , зодиакальный свет и свечение воздуха . [1] [2]

В контексте светового загрязнения свечение неба возникает из-за использования искусственных источников света, включая электрическое (или реже газовое ) освещение, используемое для освещения и рекламы, а также от газовых факелов . [3] Свет, распространяющийся в атмосферу непосредственно от направленных вверх или не полностью экранированных источников, или после отражения от земли или других поверхностей, частично рассеивается обратно к земле, создавая рассеянное свечение , видимое с больших расстояний. Свечение неба от искусственного освещения чаще всего замечается как светящийся купол света над городами и поселками, однако оно распространено во всем развитом мире .

Причины

На этой 10-секундной экспозиции, обращенной на юг в сторону Стрельца , присутствуют три формы светового загрязнения: свечение неба, блики и световое вторжение .

Свет, используемый для всех целей на открытом воздухе, способствует свечению неба, иногда из-за таких аспектов, которых можно избежать, как плохое экранирование светильников, и из-за таких аспектов, которых можно избежать, как неэкранированные вывески и отражение от намеренно освещенных поверхностей. Часть этого света затем рассеивается в атмосфере обратно к земле молекулами и аэрозолями (см. § Механизм) и (если присутствуют) облаками, вызывая свечение неба.

Исследования показывают, что при наблюдении вблизи около половины свечения неба возникает за счет прямого восходящего излучения, а половина — за счет отражения, хотя соотношение варьируется в зависимости от деталей осветительных приборов и их использования, а также расстояния точки наблюдения от источника света. [4] [5] В большинстве сообществ прямое восходящее излучение в среднем составляет около 10–15%. [4] Полностью экранированное освещение (без света, излучаемого непосредственно вверх) уменьшает свечение неба примерно наполовину при наблюдении вблизи, но в гораздо большей степени при наблюдении с расстояния.

Свечение неба значительно усиливается при наличии снега, а также в пределах и вблизи городских территорий при наличии облаков . [6] В отдаленных районах снег освещает небо, но облака делают его темнее.

В отдаленных районах в безлунные ночи облака кажутся темными на фоне неба. В развитых районах или вблизи них свечение неба сильно усиливается облаками.

Механизм

Существует два вида рассеяния света, которые приводят к свечению неба: рассеяние от молекул, таких как N 2 и O 2 (так называемое рэлеевское рассеяние ), и рассеяние от аэрозолей , описываемое теорией Ми . Рэлеевское рассеяние гораздо сильнее для коротковолнового (синего) света, в то время как рассеяние от аэрозолей меньше зависит от длины волны. Рэлеевское рассеяние делает небо голубым в дневное время; чем больше аэрозолей, тем менее синим или белым кажется небо. Во многих районах, особенно в городских районах, преобладает аэрозольное рассеяние из-за большой аэрозольной нагрузки, вызванной современной промышленной деятельностью, производством электроэнергии, сельским хозяйством и транспортом.

Несмотря на сильную зависимость рэлеевского рассеяния от длины волны, его влияние на свечение неба для реальных источников света невелико. Хотя более короткие длины волн испытывают повышенное рассеяние, это повышенное рассеяние также приводит к повышенному затуханию : эффекты приблизительно уравновешиваются, когда точка наблюдения находится вблизи источника света. [7]

Для человеческого визуального восприятия свечения неба, как правило, предполагаемого контекста при обсуждении свечения неба, источники с более короткими длинами волн создают более яркое свечение неба, но по другой причине (см. § Зависимость от источника света).

Измерение

Профессиональные астрономы и исследователи светового загрязнения используют различные меры световой или лучистой интенсивности на единицу площади, такие как величины на квадратную угловую секунду, ватты на квадратный метр на стерадиан, (нано-)ламберты или (микро-)канделы на квадратный метр. [8] Карты всего неба яркости свечения неба производятся с помощью профессиональных камер с ПЗС- детекторами и с использованием звезд в качестве источников калибровки. [9] [10] Астрономы-любители используют шкалу темного неба Бортла для приблизительной количественной оценки свечения неба с тех пор, как она была опубликована в журнале Sky & Telescope в феврале 2001 года. [11] Шкала оценивает темноту ночного неба, подавленную свечением неба, по девяти классам и дает подробное описание каждой позиции на шкале. Любители также все чаще используют измерители качества неба (SQM), которые номинально измеряют в астрономических фотометрических единицах визуальные ( Johnson V) звездные величины на квадратную угловую секунду. [примечание 1]

Откалиброванная карта всего неба в районе озера Эшерст , штат Аризона , показывающая яркость свечения неба, включая искусственные ( Финикс и Флагстафф, Аризона ) и естественные источники ( свечение атмосферы , Млечный Путь) (Служба национальных парков США).

Зависимость от расстояния от источника

Яркость свечения неба, возникающая от искусственных источников света, резко падает с расстоянием от источника света из-за геометрических эффектов, характеризующихся законом обратных квадратов в сочетании с атмосферным поглощением. Приблизительное соотношение дается формулой

который известен как «Закон Уокера». [13]

Закон Уокера был проверен наблюдением [13] [9] для описания как измерений яркости неба в любой заданной точке или направлении на небе, вызванных источником света (например, городом), так и интегрированных мер, таких как яркость «светового купола» над городом или интегрированная яркость всего ночного неба. На очень больших расстояниях (более 50 км) яркость падает быстрее, в основном из-за вымирания и геометрических эффектов, вызванных кривизной Земли.

Зависимость от источника света

Сияние неба и звезды видны при освещении натриевыми лампами высокого давления (вверху) и светодиодным освещением 4100K CCT (внизу). Калиброванная модель Флагстаффа, Аризона, США, вид с расстояния 10 км.

Различные источники света производят разное количество визуального свечения неба. Доминирующий эффект возникает из-за сдвига Пуркинье , а не из-за рэлеевского рассеяния коротких длин волн, как обычно утверждают (см. § Механизм). [7] [14] При наблюдении за ночным небом, даже из умеренно загрязненных светом областей, глаз становится почти или полностью адаптированным к темноте или скотопическим . Скотопический глаз гораздо более чувствителен к синему и зеленому свету и гораздо менее чувствителен к желтому и красному свету, чем адаптированный к свету или фотопический глаз. Преимущественно из-за этого эффекта источники белого света, такие как металлогалогенные , флуоресцентные или белые светодиоды, могут производить в 3,3 раза большую яркость визуального свечения неба, чем в настоящее время наиболее распространенная натриевая лампа высокого давления , и до восьми раз большую яркость, чем натриевые или янтарные светодиоды на основе алюминия, галлия и индия, фосфида .

Соотношение яркости свечения неба (по сравнению с натриевыми лампами низкого давления) в зависимости от расстояния для различных типов ламп. [7]

В деталях эффекты сложны и зависят как от расстояния от источника, так и от направления взгляда в ночном небе. Но основные результаты недавних исследований однозначны: при условии одинакового светового потока (то есть одинакового количества видимого света) и согласованных оптических характеристик приборов (в частности, количества света, излучаемого прямо вверх), белые источники, богатые более короткими (синими и зелеными) длинами волн, производят значительно большее свечение неба, чем источники с небольшим количеством синего и зеленого. [16] Влияние рэлеевского рассеяния на свечение неба при различных спектрах источников света невелико.

Многочисленные обсуждения в светотехнической отрасли и даже некоторыми организациями, выступающими за темное небо (например, Международной ассоциацией темного неба ), последствий свечения неба при замене распространенных в настоящее время систем дорожного освещения с натриевыми лампами высокого давления на белые светодиоды игнорируют критические вопросы спектральной чувствительности человеческого зрения [17] или фокусируются исключительно на источниках света с белыми светодиодами, или сосредотачиваются исключительно на синей части (<500 нм) спектра. [18] [19] Все эти недостатки приводят к неверному выводу о том, что увеличение яркости свечения неба, возникающее в результате изменения спектра источника света, минимально, или что правила светового загрязнения, ограничивающие КЦТ белых светодиодов так называемым «теплым белым» (т. е. КЦТ <4000 К или 3500 К), предотвратят увеличение свечения неба. [16] Повышение эффективности (эффективность распределения света на целевой области, например, на дороге, с уменьшением «потерь», выпадающих за пределы целевой области [20] и более равномерными схемами распределения [ требуется ссылка ] ) может позволить проектировщикам снизить количество освещения. [ требуется ссылка ] Однако повышение эффективности, достаточное для преодоления удвоения или утроения свечения неба, возникающего при переходе на ровные тепло-белые светодиоды с натриевых ламп высокого давления (или увеличение в 4–8 раз по сравнению с натриевыми лампами низкого давления), не было продемонстрировано.

Отрицательные эффекты

Небесное свечение в основном неполяризовано, и его добавление к лунному свету приводит к снижению поляризационного сигнала. Люди не могут воспринимать эту картину , но некоторые членистоногие могут.

Свечение неба и, в более общем смысле, световое загрязнение имеет различные негативные последствия: от эстетического снижения красоты звездного неба, через энергию и ресурсы, потраченные впустую на производство чрезмерного или неконтролируемого освещения, до воздействия на птиц [21] и другие биологические системы, [22] включая людей. Свечение неба является основной проблемой для астрономов , поскольку оно снижает контрастность ночного неба до такой степени, что становится невозможным видеть все, кроме самых ярких звезд . [примечание 4]

Считается, что многие ночные организмы ориентируются, используя поляризационный сигнал рассеянного лунного света . [24] Поскольку свечение неба в основном неполяризовано, оно может заглушить более слабый сигнал от Луны, делая этот тип навигации невозможным. [25] Вблизи мировых прибрежных мегаполисов (например, Токио, Шанхай) естественные циклы освещения, обеспечиваемые Луной в морской среде, значительно нарушены световым загрязнением, и только ночи вокруг полной Луны обеспечивают большее сияние, и в течение данного месяца лунные дозы могут быть в 6 раз меньше дозы светового загрязнения. [26]

Из-за свечения неба люди, живущие в городских районах или около них, видят на тысячи звезд меньше, чем на незагрязненном небе, и обычно не могут увидеть Млечный Путь . [27] Более слабые объекты, такие как зодиакальный свет и галактика Андромеды, практически невозможно различить даже с помощью телескопов.

Воздействие на экосистему

Эффекты свечения неба в отношении экосистемы, как было замечено, пагубны для различных организмов. Жизнь растений и животных (особенно тех, которые ведут ночной образ жизни) страдает, поскольку их естественная среда подвергается неестественным изменениям. Можно предположить, что скорость развития технологий человеком превышает скорость нечеловеческой естественной приспособляемости к окружающей среде, поэтому организмы, такие как растения и животные, не в состоянии поспевать за ними и могут страдать в результате. [28]

Хотя свечение неба может быть результатом естественного явления, наличие искусственного свечения неба стало пагубной проблемой, поскольку урбанизация продолжает процветать. Последствия урбанизации , коммерциализации и потребительства являются результатом человеческого развития; эти события, в свою очередь, имеют экологические последствия. Например, освещенные рыболовные флотилии, морские нефтяные платформы и круизные суда — все это нарушает искусственное ночное освещение мировых океанов. [29]

В целом, эти эффекты возникают из-за изменений в ориентации, дезориентации или дезориентации, а также притяжения или отталкивания от измененной световой среды, что в свою очередь может повлиять на поиск пищи, динамику хищник-жертва, [30] [31] воспроизводство, [32] миграцию и коммуникацию. Эти изменения могут привести к гибели некоторых видов, таких как некоторые перелетные птицы , [33] морские существа, [34] и ночные хищники. [35]

Помимо воздействия на животных, сельскохозяйственные культуры и деревья также подвержены разрушению. Постоянное воздействие света оказывает влияние на фотосинтез растения, поскольку для выживания растению необходим баланс как солнца, так и темноты. В свою очередь, воздействие свечения неба может повлиять на производительность сельского хозяйства, особенно в сельскохозяйственных районах, которые находятся недалеко от крупных городских центров. [ необходима цитата ]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Измерители SQM имеют заметно отличающуюся спектральную реакцию, чем человеческий глаз, и даже от реакции Johnson V, которую они номинально используют. Как следствие, измерения SQM неточны для отслеживания визуальных впечатлений, особенно когда спектральные характеристики меняются от желтых источников, таких как HPS, к белым источникам, таким как светодиоды. Аналогично, разница между измерениями SQM и истинной мерой Johnson V зависит от спектра свечения неба и источника(ов) искусственной яркости. [12]
  2. ^ Результаты для городов или вблизи источника света, основанные на работах Лугинбюля и др. [7] и Обэ и др. [14]
  3. ↑ Как используется на Большом острове Гавайи. [15]
  4. ^ Широко распространено заблуждение, что профессиональные астрономические обсерватории могут «отфильтровывать» определенные длины волн света (например, производимые натриевыми лампами низкого давления ). Точнее, оставляя большие части спектра относительно незагрязненными, узкоспектральное излучение натриевых ламп низкого давления и в меньшей степени янтарного прямого излучения светодиодов на основе алюминия, галлия, индия и фосфида дает астрономам больше возможностей «обойти» возникающее световое загрязнение. [23] Даже когда такое освещение широко используется, свечение неба все равно мешает астрономическим исследованиям, а также возможности каждого видеть естественное звездное небо.

Ссылки

  1. ^ Роач, Франклин Э. и Гордон, Джанет Л. (1973). Свет ночного неба . Дордрехт и Бостон, Массачусетс: Д. Рейдель.
  2. ^ Фландерс, Тони (5 декабря 2008 г.). «Оцените свое свечение неба». Sky & Telescope . AAS Sky Publishing . Получено 26.02.2020 .
  3. ^ Герин, Эмили (5 ноября 2015 г.). «Нефтяной бум означает, что наблюдатели за небом надеются на звездный свет, просто получат звезды, Lite». NPR . Получено 24.04.2016 .
  4. ^ ab Luginbuhl, C.; Walker, C.; Wainscoat, R. (2009). «Освещение и астрономия». Physics Today . 62 (12): 32–37. Bibcode : 2009PhT....62l..32L. doi : 10.1063/1.3273014 .
  5. ^ "Кодексы наружного освещения". Flagstaff Dark Skies Coalition . Получено 17 апреля 2016 г.
  6. ^ Kyba, CCM; Ruhtz, T.; Fischer, J. & Hölker, F. (2011). Añel, Juan (ред.). «Облачный покров действует как усилитель экологического светового загрязнения в городских экосистемах». PLOS ONE . 6 (3): e17307. Bibcode : 2011PLoSO...617307K. doi : 10.1371/journal.pone.0017307 . PMC 3047560. PMID  21399694 . 
  7. ^ abcd Luginbuhl, C.; Boley, P.; Davis, D. (2014). «Влияние распределения спектральной мощности источника света на свечение неба». Журнал количественной спектроскопии и переноса излучения . 139 : 21–26. Bibcode :2014JQSRT.139...21L. doi : 10.1016/j.jqsrt.2013.12.004 .
  8. ^ Гарстанг, Р. (1989). "Яркость ночного неба в обсерваториях и на площадках". Публикации Астрономического общества Тихого океана . 101 : 306. Bibcode : 1989PASP..101..306G. doi : 10.1086/132436 .
  9. ^ ab Duriscoe, D.; Luginbuhl, C.; Moore, C. (2007). «Измерение яркости ночного неба с помощью широкоугольной ПЗС-камеры». Публикации Астрономического общества Тихого океана . 119 (852): 192–213. arXiv : astro-ph/0702721 . Bibcode :2007PASP..119..192D. doi :10.1086/512069. S2CID  53331822.
  10. ^ Эшли, А.; Дуриско, Д.; Лугинбюль, К. (2017). «Измерение цвета и яркости искусственного свечения неба в городах с использованием системы визуализации всего неба, откалиброванной с помощью астрономических методов в фотометрических системах Джонсона-Казинса B и V». Американское астрономическое общество, заседание AAS . 229 : 236.20. Bibcode : 2017AAS...22923620P.
  11. ^ Бортл, Джон Э. (февраль 2001 г.). «Журнал наблюдателя – Знакомство со шкалой темного неба Бортла». Sky & Telescope . Архивировано из оригинала 2006-03-16.
  12. ^ Санчес де Мигель, Алехандро; Обе, Мартин; Саморано, Хайме; Кочифай, Мирослав; Роби, Йоханн; Тапиа, Карлос (3 марта 2017 г.). «Измерения измерителя качества неба в мире, меняющем цвета». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 467 (3): 2966. arXiv : 1701.05019 . Бибкод : 2017MNRAS.467.2966S. дои : 10.1093/mnras/stx145 . Проверено 18 апреля 2017 г. .
  13. ^ ab Walker, MF (1977). "Влияние городского освещения на яркость ночного неба". Публикации Астрономического общества Тихого океана . 89 : 405. Bibcode : 1977PASP...89..405W. doi : 10.1086/130142 .
  14. ^ ab Aubé, M. [на французском] ; Roby, J.; Kocifaj, M. (2013). «Оценка потенциальных спектральных воздействий различных искусственных источников света на подавление мелатонина, фотосинтез и видимость звезд». PLOS ONE . ​​8 (7): e67798. Bibcode :2013PLoSO...867798A. doi : 10.1371/journal.pone.0067798 . PMC 3702543 . PMID  23861808. 
  15. ^ Смит, Д. «Переход на высокотехнологичное уличное освещение спасает темное небо и деньги». Big Island Now . Получено 10 апреля 2016 г.
  16. ^ ab Flagstaff Dark Skies Coalition. "Спектр лампы и световое загрязнение". Спектр лампы и световое загрязнение . Получено 10 апреля 2016 г. .
  17. ^ Бирман, А. (2012). «Увеличит ли переход на светодиодное наружное освещение свечение неба?». Исследования и технологии освещения . 44 (4): 449–458. doi :10.1177/1477153512437147. S2CID  110024170.
  18. ^ Эшдаун, И. (20 октября 2015 г.). «Световое загрязнение зависит от CCT источника света». Журнал LEDs . Корпорация PennWell . Получено 10 апреля 2016 г.
  19. ^ Международная ассоциация темного неба. «Видимость, окружающая среда и астрономические проблемы, связанные с наружным освещением насыщенного синего цвета» (PDF) . Международная ассоциация темного неба . Получено 10 апреля 2016 г. .
  20. ^ "Fitted Target Efficacy metric стимулирует обсуждение". LEDs Magazine. 12 октября 2009 г. Получено 18 апреля 2016 г.
  21. ^ Программа повышения осведомленности о фатальном свете (FLAP)
  22. ^ Рич, К.; Лонгкор, Т., ред. (2006). Экологические последствия искусственного ночного освещения . Вашингтон; Ковело; Лондон: Island Press.
  23. ^ CB Luginbuhl (2001). RJ Cohen; WT Sullivan III (ред.). «Почему астрономии нужны натриевые лампы низкого давления». Сохранение астрономического неба, Симпозиум IAU № 196. 196 : 81–86. Bibcode : 2001IAUS..196...81L.
  24. ↑ Warrant, Eric; Dacke, Marie (1 января 2010 г.). «Визуальная ориентация и навигация у ночных членистоногих». Brain, Behavior and Evolution . 75 (3): 156–173. doi :10.1159/000314277. PMID  20733292. S2CID  22906227.
  25. ^ Kyba, CCM; Ruhtz, T.; Fischer, J.; Hölker, F. (17 декабря 2011 г.). «Сигнал поляризации лунного неба, загрязненный городским освещением». Журнал геофизических исследований . 116 (D24): D24106. Bibcode : 2011JGRD..11624106K. doi : 10.1029/2011JD016698 . S2CID  56378009.
  26. ^ Смит, Т. Дж.; Райт, А. Э.; Эдвардс-Джонс, А.; Макки, Д.; Кейрос, А.; Рендон, О.; Тидау, С.; Дэвис, Т. В. (2022). «Нарушение морских местообитаний искусственным светом ночью из мировых прибрежных мегаполисов». Elementa: Science of the Anthropocene . 10 (1): 00042. Bibcode : 2022EleSA..10...42S. doi : 10.1525/elementa.2022.00042. hdl : 10037/28198 . ISSN  2325-1026. S2CID  254213236.
  27. ^ Falchi, F.; et al. (10 июня 2016 г.). «Новый атлас мира искусственной яркости ночного неба». Science Advances . 2 (6): e1600377. arXiv : 1609.01041 . Bibcode :2016SciA....2E0377F. doi :10.1126/sciadv.1600377. PMC 4928945 . PMID  27386582. 
  28. ^ Салех, Тиффани. «Влияние искусственного освещения на дикую природу». Road RIPorter . Wildlands CPR. Архивировано из оригинала 10 сентября 2012 г. Получено 7 марта 2012 г.
  29. ^ Смит, Т. Дж.; Райт, А. Э.; Макки, Д.; Тидау, С.; Тамир, Р.; Дубинский, З.; Илуз, Д.; Дэвис, Т. В. (13.12.2021). «Глобальный атлас искусственного света ночью под морем». Elementa: Science of the Anthropocene . 9 (1): 00049. Bibcode : 2021EleSA...9...49S. doi : 10.1525/elementa.2021.00049. hdl : 10037/24006 . ISSN  2325-1026. S2CID  245169968.
  30. ^ Родригес, Айрам; Ороско-Валор, Паула Мейтен; Сарасола, Хосе Эрнан (январь 2021 г.). «Искусственный свет ночью как движущая сила колонизации городов птичьим хищником». Ландшафтная экология . 36 (1): 17–27. Бибкод : 2021LaEco..36...17R. дои : 10.1007/s10980-020-01132-3. hdl : 10261/221083 .
  31. ^ Макмахон, Оук; Смит, Тим; Дэвис, Томас У. (2022-03-25). «Широкий спектр искусственного света ночью увеличивает заметность замаскированной добычи». Журнал прикладной экологии . 59 (5): 1365–2664.14146. Bibcode : 2022JApEc..59.1324M. doi : 10.1111/1365-2664.14146 . hdl : 10026.1/18654 . ISSN  0021-8901. S2CID  247754178.
  32. ^ Дэвис, Томас В.; Леви, Орен; Тидау, Свенья; де Баррос Марангони, Лаура Фернандес; Виденманн, Йорг; Д'Анджело, Сесилия; Смит, Тим (2023-05-15). "Глобальное нарушение нереста кораллов, связанное с искусственным освещением ночью". Nature Communications . 14 (1): 2511. Bibcode :2023NatCo..14.2511D. doi : 10.1038/s41467-023-38070-y . ISSN  2041-1723. PMC 10185496 . PMID  37188683. 
  33. ^ Родригес, Айрам; Холмс, Ник Д.; Райан, Питер Г.; Уилсон, Керри-Джейн; Фолкье, Люси; Мурильо, Йована; Рейн, Андре Ф.; Пенниман, Джей Ф.; Невес, Вероника; Родригес, Бенехаро; Негр, Хуан Дж.; Кьярадиа, Андре; Данн, Питер; Андерсон, Трейси; Мецгер, Бенджамин; Шираи, Масаки; Деппе, Лорна; Уилер, Дженнифер; Ходум, Питер; Гувейя, Катия; Кармо, Ванда; Каррейра, Жилберто П.; Дельгадо-Альбуркеке, Луис; Герра-Корреа, Карлос; Кузи, Франсуа-Ксавье; Трэверс, Марк; Корр, Матье Ле (октябрь 2017 г.). «Смертность морских птиц, вызванная наземным искусственным освещением: смертность морских птиц и искусственное освещение». Conservation Biology . 31 (5): 986–1001. doi : 10.1111/cobi.12900. hdl : 10400.3/4515 . PMID  28151557.
  34. ^ Марангони, Лаура ФБ; Дэвис, Томас; Смит, Тим; Родригес, Айрам; Хаманн, Марк; Дуарте, Кристиан; Пендолей, Келли; Берге, Йорген; Магги, Елена; Леви, Орен (сентябрь 2022 г.). «Влияние искусственного света ночью на морские экосистемы — обзор». Global Change Biology . 28 (18): 5346–5367. doi :10.1111/gcb.16264. hdl : 11568/1165839 . PMID  35583661.
  35. ^ Лонгкор, Т.; Рич, К. "Экологическое световое загрязнение" (PDF) . Frontiers in Ecology . The Ecological Society of America . Получено 3 марта 2012 г.

Внешние ссылки