拯救夜空

J. Kelly Beatty　文　Shea　译

[图片说明]：美国拱石国家公园上方壮丽的夜空正在由于附近犹他州莫阿布镇的明亮灯光而渐渐消失。公园方面目前正在做镇上居民的工作来减少天光。

现在的光污染是有史以来最严重的，但新的方法和技术正在减缓——甚至逆转——它对天文学的危害。

很难精确指出究竟是从什么时候起户外的灯光开始破坏了夜空。19世纪80年代电路灯首次登台亮相，并很快就遍布了大城市。到20世纪30年代，能俯 瞰美国洛杉矶盆地的威尔逊山的夜空已经恶化，这使得海尔不得不另觅他处来建造帕洛玛天文台。在20世纪50年代，美国通用电气公司和西屋电气公司为交通道 路安装了数百万个沿用至今的路灯。之后在1970年左右，充有高压钠气灯泡的桃红色光辉开始覆盖大地。

相比之下，更为精确的是何时何地天文学家开始反击人造光源的扩张。1958年美国亚利桑那州弗拉格斯塔夫官方通过了一条法令，禁止探照灯破坏洛韦尔天文台上方的夜空。1972年在南面的图森，户外的灯光也受到了限制，这是许多保护基特峰国家天文台法令中的第一条。

1988年，基特峰国家天文台的天文学家David L. Crawford和当地的天文爱好者Tim Hunter联手成立了国际黑暗天空协会，今天它已经覆盖了美国24个州和14个国家。Crawford和Hunter秉承的夜间照明信条至今依然没变， 那就是仅在需要的时间和地点或者是为了在保障安全的情况下才使用灯光。

[图片说明]：情况到底有多坏？通过假设光污染的年增长速度为6%，意大利 科学家Pierantonio Cinzano和其他人使用计算机模型在时间上对1997年卫星拍摄的北美夜间图像进行了向前和向后的外推。深蓝色的区域表示人造天光超过了自然天光 11%，白色区域则超过了2,700%。

然而，与此同时，我们现代忙碌的社会却越来越崇尚照亮夜间的环境。例如，整个20世纪90年代，美国的人口增长不足每年1.5%，但夜间光照强度的 增长却达到了每年6%。这一趋势使得光污染在已经存在的地方变得日益严重，现在则威胁着许多先前一直被认为是尚处于原始状态的地方。据估计，每个居住在美 国和欧洲的人事实上都经历过不同程度的光污染，有三分之二的美国人已经不再能从自己家看到银河。

即便是美国的国家公园也不再是夜空的避难所。在过去的几年中一小队天文学家已经仔细地调查了超过60个国家公园和其他关键地点被光侵蚀的程度。结果 让人不安：就算是偏远的地点也会受到160千米外乡村和城市的灯光影响。“主管们通常都会对我们所发现的光污染量感到吃惊，”领导美国国家公园服务夜天小 组的Chad Moore说。许多国家公园已经在其边界以及周围采取了有力的措施来恢复自然的夜色。

虽然早期控制夜间灯光的努力主要集中在保护专业天文学家和天文爱好者的观测场所，但有越来越多的照明专家、环境团体和生物医学专业人士也已经意识 到，光污染还会对现代社会的其他方面产生深远的影响。几十年来生物学家已经发现，明亮的户外灯光会扰乱夜行动物的迁徙、觅食和交配——但最近的、更为紧迫 的注意力则集中在被破坏的夜空会如何扰乱人类24小时的昼夜节律上。

[图片说明]：从轨道上看，美国芝加哥夜晚的户外灯光格外明显。2008年Dan Tani从国际空间站上拍摄到了这一景象。

重要的问题是，夜间的光照是否会抑制人体中褪黑激素的形成，进而褪黑激素的长期缺乏是否会造成健康问题。1987年美国康涅狄格州大学的 Richard Stevens认为，那些通常会在夜间暴露在强光下的女性夜班工人更容易患上乳腺癌。后续研究则暗示了褪黑激素的缺乏与此之间的关联。2007年国际癌症 研究署得出结论，“破坏昼夜生理节律的倒班工作可能致癌。”

但许多科学家对于癌症和光照之间的联系表示谨慎。例如，好的昼夜节律功能也需要在白天暴露在明亮的光照之下。倒班的工人会更多地食用高脂肪和高糖的 不健康食物。德国慕尼黑大学的Thomas Kantermann和Till Roenneberg在2009年9月的《国际时间生物学》杂志上写道：“对于支持癌症可以自发形成的生活方式而言，夜间的光照甚至可能成为一个很好的预 测工具。”

虽然如此，美国哈佛医学院的睡眠专家Steven Lockley提醒：“在过去20年我们和其他人的研究显示，睡眠和昼夜节律对光极为敏感，非常暗弱的光就能对人的生理产生可测量的效应。”但多暗才算 暗？毕竟工作在一个明亮的医院病房和躺在能透进路灯灯光的卧室里还是有很大区别的。我们也许很快就会有答案：一项针对不同强度和波长的光照对睡眠影响的医 学研究正在进行中。

 

[图片说明]：北美大部分的城镇使用的是非完全防护的路灯（例如左图），这会使得一部分光径直朝水平线上方和天空射去。在被正确地安装之后，完全防护的照明设施（例如右图）不会朝水平线上方发出光线而且也会减少地面上的眩光。

此外，最近还有人强调从防护较差的照明系统中散露出的眩光也会影响人的夜间视觉能力。散射到眼睛里的亮光（尤其是蓝光）会降低对比度并且导致危险的 驾驶环境——就像阳光透过一块布满灰尘的挡风玻璃会使你看不清路面一样。对于年老的司机而言这一情况尤其严重。这一忧虑使得美国医学协会在2009年采纳 了一项决议，要求通过普及防护更好的照明设施来减少眩光和光污染。美国波士顿的心脏病学家和天文爱好者Mario Motta促成了这一决议。

同时，由英国天文爱好者Chris Baddiley发起、目前由Chris Luginbuhl（美国海军天文台）推进的一项研究可能会对未来的路灯设计产生重大的影响。他们研究了灯光在底层大气中的散射，并由此得出了一个可能会 打破已有格局的戏剧性结论。向上照射的灯光并不会过多地危害黑暗的夜空——实际上，它们在被大量散射之前就已逃逸到太空中去了。相反，最大的威胁来自来以 小角度从侧向射出的灯光。在2009年12月出版的《今日物理》上Luginbuhl及另外两个作者对此进行了仔细地论述，即便道路照明中仅有看似不起眼 的3%是向上的，它们也会使得160千米外天文台上空的天光增强3倍（相对于同样但具有完全防护的照明系统）。

[图片说明]：在不同的美国国家公园中拍摄到的伪色彩鱼眼镜头照片，从左到右：吉拉国家森林、死亡谷国家公园和大雾山国家公园。在夜空最黑的公园里，目视极限星等为7.0或者更高。但在某些地方，银河只能在天顶方向被看到，地平线方向则被遥远城市的灯光所侵占。

传统观念一直认为，向上的光照是加大地面被照亮范围的小小代价，这也使得灯柱间的间距要比使用完全防护设备的来得大。但是Baddiley和Luginbuhl的研究证明，完全防护对于减少天光更有利。

发光二极管的希望

除了拯救星空和避免健康问题之外，黑暗天空的倡导者认为他们抑制光污染的最有力论据是节能，设计精良的照明设施应该把光投向地面而不是天空。现在正是一个绝好的时机：“绿色”和经济衰退导致的预算紧缺使得每个人——从业主到全球的领导人——都在寻找减少能源消耗的办法。

最近美国能源部的统计显示，户外照明用电占据了美国用电量的8%。但即便如此，它的数值也达到了惊人的每年720,000亿瓦时。这其中有93%用于路灯和停车场的照明。（据估计美国的道路两旁有6,000万盏路灯。）

[图片说明]：左：2003年8月14日加拿大多伦多出现了地区性电力中断，Todd Carlson赶紧拍摄了城市上空的夏季银河。（房子里的光亮来自蜡烛和手电。）右：第二天当电力恢复供应之后，他的天空再一次毫无希望地淹没在了人造天光中。

因此，许多市政管理者不得不关闭不必要的路灯来降低成本也就不那么让人惊讶了。更多的好消息是：许多公用设施现在正在安装完全防护照明设施。加拿大的主要路灯制造商Lumec报告，完全防护照明设施现在占据了它户外照明销售的70%。

对灯泡的不同选择也会带来巨大的差异。白炽灯会把90%的电能浪费在发热上，每瓦仅能产生大约18流明（光通量单位）的光。水银蒸汽照明更高效，每 瓦大约40～50流明，但出于环境污染的考虑这类光源很快就消失了而且2005年美国联邦法律禁止了它的使用。目前路灯的黄金标准是高压钠灯，它每瓦可以 发出100流明的光。

但吸引每个人目光的是潜在的固态照明——尤其是发光二极管（LED）——可以把能源利用率提到一个新的高度。所谓高输出LED已经突破了每瓦100 流明，很快就能达到200流明。此外，它们体积很小，寿命至少10年以上，且可以随意开关（而不像高压钠以及其他的路灯灯泡）。总之，LED将是未来的方 向——当然它们必须要向下照亮目标。国际黑暗天空协会临时执行董事Robert Parks说：“LED照明具有以一种深远而积极的方式革命户外照明的潜能。”

 

[图片说明]：最常见户外照明光源的光谱。自上而下：低压钠、高压钠、金属卤化物、发光二极管、白炽灯。其中低压和高压钠灯对整个可见光谱的影响不大。

在美国联邦刺激经济基金的资助下，美国能源部和环境保护局已经启动了一项价格不菲的计划来尽快推广一系列有关的商业产品。现在这些部门正处于对 LED产品进行“能源之星”评估的最后阶段。例如，户外架设的灯柱将不允许有任何向水平方向以上的辐射（灯罩偶然的反射除外）。特别有促进作用的是引入了 新的评判标准“目标适合效力”，它要求尽可能高效而均匀地照亮目标区域，而不会在目标区域之外出现“过剩”。

虽然仍然相对昂贵，但LED很有可能会成为你家附近路灯的照明方式。中国、北美和欧洲已经进行了首次大范围的安装和检测。去年夏天美国洛杉矶官方签署了一项协议，在未来的5年里安装140,000盏LED路灯。

如果说这一技术有什么缺点，那就是最高效的LED发出的是蓝光，峰值波长在460纳米。一些光生物学家和眼科医生对如此多且方向性好的蓝光进入夜间 环境表示了担心。为了使色调更“暖”，LED的输出可以经过其他的发光材料再辐射出波长更长的光——这一过程会损失25%的流明。不过，随着制造商正在努 力平衡最佳效率、审美观和环境敏感性，这一“流明损耗”正在缩小。

[图片说明]：未经过滤光片的LED户外光源会产生大量蓝光，这也许会对动物和人类的昼夜生理节律产生有害的影响。LED的许多辐射也超出了人类暗视（夜间视觉）灵敏范围之外。右侧自上而下四条曲线说明：昼夜生理节律灵敏度、暗视灵敏度、明视灵敏度、蓝光LED。

 

较差、较好和最好的路灯

广为使用水银蒸汽灯泡（最左端）能源利用率低且对环境有害。新近颁布的美国联邦法律规定到2016年生产此类灯泡将属违法。

北美大多数城镇使用的路灯是非完全防护的（中左），这使得有部分的光可以朝水平线以上射向天空。在被正确地安装之后，完全防护的照明设施（中右）不会朝水平线上方发出光线而且也会大幅减少地面上的眩光。

与由单个灯泡发出亮光的高强度放电照明器具不同，固态照明使用大量的发光二极管（最右端），它们具有很强的方向性。

 

“咆哮的跳蚤”

随着这些研究的逐渐升温，国际黑暗天空协会的成员和志愿者也正在使自己成为“光污染的权威”。这一组织的网站（www.darksky.org）上写道，美国19个州和4个国家已经颁布了户外照明法令，其中加利福尼亚州、康涅狄格州和新墨西哥州是最严格的。

22年前从图森起步，国际黑暗天空协会走过了漫长的道路。2008年和2009年该组织就光污染向美国国会成员做了简报，并于2009年在华盛顿设 立了办公室来介入政策议题，同时它还直接帮助建立了LED照明的“能源之星”标准。正如照明专家（董事会成员）James Benya所说的：“国际黑暗天空协会已经成为了咆哮的跳蚤。”

[图片说明]：安装LED路灯前后的比较。LED路灯可以大幅减小向上射出的光线并且使得照明更为均匀。但最高效的LED光源比被更换的高压钠照明设备（左）会发出强得多的蓝光（右）。

国际黑暗天空协会最成功的行为是它的认证项目。制造商会提交它们的照明产品，然后由第三方检测评估它的光照性能。一旦这一产品被证明是对黑暗天空有益的，制造商就可以打上“国际黑暗天空协会认证”的标志。目前该计划已经认证了超过400件的产品。

不过，并不是它的所有尝试都是有成效的。差不多10年前，该协会和北美照明工程学会合作研究一个照明条例，以此为城市和乡村提供更容易接受的户外照明管理办法。两份条例草稿都接受了公众的意见，但最终的统一条文则要花更长的时间才能达成。

同时，其他国家的和国际的组织也建立了起来和光污染进行斗争。其中，英国天文协会黑暗天空行动就在使得当地政府关掉不必要的路灯上起到了推进作用， “星光行动”则在2007年出版了《守卫夜空和星光权力宣言》。最后在2009年结束的国际天文年里“黑暗天空意识”也成为了全球最重要的活动之一。

少数（但太少了）职业天文学家也加入到了保护他们的天文台免于人为天光影响的行列。国际天文学联合会和美国天文学会都设有专门的委员会来对抗光污染，在这其中来自天文爱好者团体的志愿者付出了巨大的努力。

 

和节能“挂钩”使得抵制光污染也受到了公众的肯定。例如《纽约时报》、《华尔街日报》和《纽约客》等主流媒体都有这一问题的专题报道。不过它们都没 有2008年12月出版的《国家地理》更引人注目，那一期的封面以芝加哥桔红色市中心为背景上书“夜晚的终结”几个大字。也许是因此名声狼藉，芝加哥市长 Daley正计划对城市的照明系统来个整体的翻修。

[图片说明]：当它成为2008年11月《国家地理》的封面时，光污染意识向前迈了一大步。

在争取了数十年之后，黑暗天空的倡导者是否促成了积极而真实的改变了呢？他们的努力最终会以更为黑暗的天空作为回报吗？全世界的天文爱好者希望答案是肯定的。

资深特约编辑J. Kelly Beatty在4年前搬进了一栋新房子，现在在良好的条件下他从那里可以看到银河。从2006年开始他担任了国际黑暗天空协会的董事。

（本文已刊载于《中国国家天文》2010年第5期）

[Sky & Telescope　2010-05]

 

《Sky & Telescope（天空和望远镜）》：http://www.skyandtelescope.com