無(wú)錫城市夜空光度測(cè)量研究**

沈 昊 陸寅楓 張譯昕 周明遠(yuǎn) 陸佳穎指導(dǎo)教師：沈新榮 肖 明

（江蘇省天一中學(xué), 江蘇 無(wú)錫 214101）

一、夜天光概述

隨著工業(yè)化與城市化的發(fā)展，城市亮化工程的大力推進(jìn)，光污染越來(lái)越嚴(yán)重。與大氣、水、噪聲、固體廢棄物等污染不同，光污染還沒(méi)有在公眾中引起足夠的重視。

無(wú)錫作為長(zhǎng)三角地區(qū)的重要城市之一，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，城市光污染情況總體比較嚴(yán)重，但是不同區(qū)域的污染程度也存在明顯差異。夜空光度是衡量城市光污染程度的重要指標(biāo)，通過(guò)使用專門的測(cè)光儀器，可以對(duì)無(wú)錫城區(qū)進(jìn)行定點(diǎn)的光度測(cè)量，從而了解無(wú)錫城區(qū)整體的污染程度，不同區(qū)域、地平高度、方位角和時(shí)刻的污染水平差異，這對(duì)于分析光污染產(chǎn)生的原因，并嘗試提出防治的建議，都是大有裨益的。本文即是在對(duì)大量夜天光實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析基礎(chǔ)上，對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行的一些總結(jié)和探討。

二、測(cè)量?jī)x器及方法

本課題組采用的儀器為Sky Quality Meter-L（以下簡(jiǎn)稱SQM，圖1），這是一款十分輕便（手機(jī)大?。?，但靈敏度和精度較高的便攜式測(cè)光儀，以星等/平方角秒（記作mag/□″）為默認(rèn)單位。

圖1 Sky Quality Meter-L

課題組成員使用SQM對(duì)無(wú)錫城區(qū)的夜天光亮度進(jìn)行了多次的實(shí)地測(cè)量。測(cè)光時(shí)間為非雨雪天氣的天文昏影結(jié)束后或天文晨光開始前，具體時(shí)段因季節(jié)差異而有不同；測(cè)光地點(diǎn)為黑暗且視野較為廣闊的地點(diǎn)（如樓頂、公園、球場(chǎng)等），并盡可能地避免人造光源的直接照射。

此外，課題組還運(yùn)用“Loss of the night”APP程序（由德國(guó)聯(lián)邦科技和教育部“可持續(xù)發(fā)展（FONA）項(xiàng)目（033L038A）”提供資助）對(duì)個(gè)別地點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)光，并通過(guò)該APP向“Globe at Night”項(xiàng)目組（隸屬于美國(guó)國(guó)家光學(xué)天文臺(tái)）提交了SQM搜集的部分?jǐn)?shù)據(jù)，以便構(gòu)建全球光污染監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

三、數(shù)據(jù)分析及測(cè)量結(jié)果

1.數(shù)據(jù)測(cè)量與分析步驟

儀器編號(hào)：為支持本課題組的研究工作，我們從加拿大購(gòu)置了9臺(tái)SQM測(cè)光儀，并予以編號(hào)（以分辨并盡可能的消除儀器本身存在的機(jī)械誤差）。

路線設(shè)計(jì)：將無(wú)錫中心城區(qū)（解放環(huán)路內(nèi)）分為不同的片區(qū)，并設(shè)計(jì)好測(cè)光的具體行進(jìn)路線和測(cè)光任務(wù)。

實(shí)地測(cè)量：將課題組成員分成不同的小組，每組由3人組成，分別負(fù)責(zé)儀器操作、數(shù)據(jù)記錄和坐標(biāo)定位，每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)測(cè)5個(gè)數(shù)據(jù)，以減小誤差。

數(shù)據(jù)處理：將測(cè)光所得的數(shù)據(jù)（經(jīng)度、緯度、時(shí)間、測(cè)光值）輸入Excel表格，進(jìn)行誤差分析，取平均值，得到各坐標(biāo)點(diǎn)夜天光亮度的最終值。

2.夜天光亮度的地區(qū)分異

表1 無(wú)錫中心城區(qū)夜天光亮度分布表

圖2 無(wú)錫中心城區(qū)夜天光亮度分布圖

從表1及圖2中的數(shù)據(jù)可以看到，區(qū)域①的夜天光亮度明顯高于區(qū)域②，較區(qū)域③也高出一些。從城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的角度分析，區(qū)域①為無(wú)錫的中心商務(wù)區(qū)，多商場(chǎng)、寫字樓、娛樂(lè)場(chǎng)所及一些社交平臺(tái)，這些建筑物的大型戶外廣告牌、射燈、透窗而出的內(nèi)部照明燈光及城市道路照明設(shè)施較為密集，上述光線逸散到天空導(dǎo)致了該區(qū)域較高的夜天光亮度。區(qū)域②主要為無(wú)錫中心城區(qū)的住宅區(qū)，道路和小街（如崇寧路、小婁巷 、田基浜、東河頭巷等）兩側(cè)有大量的老式居民區(qū)，當(dāng)?shù)氐娜嗽鞈敉夤庠摧^少且較暗，使得該地的夜天光亮度較低。區(qū)域③的夜天光亮度介于①和②之間，其原因是該地區(qū)為商業(yè)與住宅兼有的混合地區(qū)，既有少量摩天大廈，又不乏老式居民區(qū)分布。受到科技大廈、匯能大廈等高樓的戶外照明及密集的城市主干道上街燈的影響，該區(qū)域的夜天光亮度也較高。

3.夜天光亮度的地區(qū)變化

表2 無(wú)錫中心城區(qū)夜天光亮度隨地點(diǎn)的變化

圖3 無(wú)錫中心城區(qū)夜天光亮度隨地點(diǎn)的變化

課題組在無(wú)錫市中心城區(qū)隨機(jī)選取了十一個(gè)距三洋廣場(chǎng)距離不等的坐標(biāo)點(diǎn)，處理后列為表2和圖3。從圖表可以看出，夜天光亮度最終值與坐標(biāo)點(diǎn)距三陽(yáng)廣場(chǎng)的距離的相關(guān)系數(shù)（運(yùn)用Excel表格中計(jì)算相關(guān)系數(shù)的公式CORREL計(jì)算）約為-0.314，即夜天光亮度并未隨坐標(biāo)點(diǎn)距三陽(yáng)廣場(chǎng)的距離增加而呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。其中，較高的夜天光亮度多出現(xiàn)在重要商場(chǎng)和市政設(shè)施附近，如圖2中的坐標(biāo)點(diǎn)(1)、(2)、(3)分別為八佰伴、銀行商鋪集中區(qū)和市政公用大廈附近。

表3 無(wú)錫城區(qū)夜天光亮度隨地點(diǎn)的變化

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圖4 無(wú)錫城區(qū)夜天光亮度隨地點(diǎn)的變化

課題組在無(wú)錫市城區(qū)范圍內(nèi)隨機(jī)選取了六個(gè)距三洋廣場(chǎng)距離不等的坐標(biāo)點(diǎn)，計(jì)算每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)方圓500米內(nèi)夜天光亮度最終值的均值，處理后列為表3和圖4。從圖表可以看出，夜天光亮度最終值與坐標(biāo)點(diǎn)距三陽(yáng)廣場(chǎng)的距離的相關(guān)系數(shù)為0.978，即夜天光亮度隨坐標(biāo)點(diǎn)距三陽(yáng)廣場(chǎng)的距離增加而呈現(xiàn)明顯的降低。這表明無(wú)錫城區(qū)夜天光亮度與人為光源存在確切的正相關(guān)關(guān)系。

4.夜天光亮度的地平高度及方位分異

課題組以所在學(xué)校——江蘇省天一中學(xué)的科學(xué)樓天文教室樓頂平臺(tái)（31°35’39”N，120°21’32”E）為坐標(biāo)點(diǎn)，對(duì)不同地平高度和不同方位角的夜天光亮度進(jìn)行了測(cè)量，具體數(shù)據(jù)見表4：

表4 天一中學(xué)坐標(biāo)點(diǎn)的夜天光亮度（mag/□″）

圖5 天一中學(xué)不同地平高度的夜天光亮度

綜上可知，各方位的夜天光亮度均隨地平高度的升高而減弱，表明人造光源逸散對(duì)夜天光的影響十分顯著；地平高度在40°以下的天區(qū)，各方位的夜天光亮度差異較大，50°以上差異明顯減小，表明人造光源的逸散在較低的高度上對(duì)夜天光亮度有更為直接和顯著的影響，具體可參考圖6：

圖6 距離與光污染程度關(guān)系演示圖

圖6中的半圓形弧線表示天穹，圓弧左下段虛線部分表示人造光源及受其逸散影響嚴(yán)重的天區(qū)。從中可以看出，離光源越近的坐標(biāo)點(diǎn)，光源逸散范圍對(duì)觀測(cè)者視角的覆蓋越大，影響也越大；在光源離觀測(cè)者坐標(biāo)點(diǎn)普遍較遠(yuǎn)的情況下，其逸散的影響主要集中在地平高度較低的城市建筑物輪廓的邊緣地帶。

考慮到天一中學(xué)在無(wú)錫城區(qū)偏東的方位，以及盡可能減弱學(xué)校西側(cè)晶石國(guó)際大廈強(qiáng)光的直接影響，我們?nèi)≌龞|方向的數(shù)據(jù)（表4）進(jìn)行分析，并繪制了散點(diǎn)圖（圖7），計(jì)算得出地平高度與夜天光亮度的相關(guān)系數(shù)R約為0.936，R2≈0.877，即高度對(duì)亮度的影響程度達(dá)87.7%。地平高度90°的天區(qū)與0°的天區(qū)在夜天光亮度的最終值上相差超過(guò)2個(gè)mag/□″，這表明夜天光亮度在不同地平高度上的分異十分明顯，究其原因是人造光源為城市地區(qū)夜天光增亮的主要影響因素，而人造光源一般位于近地面，其逸散影響最嚴(yán)重的天區(qū)也在地平線附近。

圖7 正東向地平高度與夜天光值散點(diǎn)圖

基于表4的數(shù)據(jù)，我們將各方位夜天光亮度的均值制作成圖8，以此來(lái)分析不同方位的夜天光亮度。

圖8 天一中學(xué)不同方位的夜天光亮度

從圖8可以看出，天一中學(xué)偏西和偏南方位的夜天光亮度值最低，即夜天光最亮，這是無(wú)錫中心城區(qū)的方向；偏北和偏東方位的夜天光亮度值較高，即夜天光較暗，這是無(wú)錫城東的鄉(xiāng)鎮(zhèn)方向；另外，正東方位較低的夜天光亮度值主要是天一中學(xué)校內(nèi)燈光的影響。

5.夜天光亮度的時(shí)間變化

課題組以某成員家庭所在地——無(wú)錫市崇安區(qū)金科東方王榭小區(qū)（31.594°N，120.347°E）為坐標(biāo)點(diǎn)，對(duì)夜天光亮度隨時(shí)間的變化進(jìn)行了測(cè)量，并制作成表5和圖9：

表5 夜天光亮度隨時(shí)間變化表（mag/□″）

圖9 夜天光亮度隨時(shí)間變化圖

從圖9可以看出，無(wú)錫城市夜天光亮度值在前半夜有明顯的隨時(shí)間的遞減變化，從晚上19:00到24:00，夜天光亮度由15.75mag/□″迅速遞減為17.30mag/□″，變化幅度高達(dá)1.55mag/□″；而后半夜從00:00到凌晨4:30期間，夜天光亮度總體平穩(wěn)，變化幅度僅為0.9mag/□″。這表明人造光源在前半夜有一個(gè)逐漸關(guān)閉的過(guò)程，這導(dǎo)致了夜天光亮度的線性減弱；后半夜的夜天光亮度除自然光外，主要受道路照明等長(zhǎng)明燈的影響，故而變化不明顯。

四、反思及討論

根據(jù)本課題組掌握的資料，香港維多利亞灣兩側(cè)的港島和九龍核心城區(qū)的夜天光亮度大概在14.4mag/□″左右，極值約13.9mag/□″。根據(jù)本課題組的實(shí)地測(cè)量，無(wú)錫中心城區(qū)存在13.35mag/□″的極值，可見無(wú)錫的光污染程度已堪比香港鬧市區(qū)。

在香港大學(xué)、環(huán)保及自然保育基金等的共同努力下，香港已經(jīng)建立了較為完備的夜空光度監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，并已開始討論光污染立法與暗夜保護(hù)問(wèn)題。但在無(wú)錫等大陸城市，光污染仍僅為少數(shù)人（主要是業(yè)余天文愛好者）知曉，如何加強(qiáng)光污染的危害與防治宣傳是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。

本課題組在實(shí)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，無(wú)錫城區(qū)不少的路燈缺少“頂蓋”，這使得路燈釋放的光能可以直接向上照射，對(duì)天空增亮作用十分明顯。如何改進(jìn)城市街燈設(shè)計(jì)、如何完善城市街燈布局等將是課題組下一步要研究的方向。

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[2]劉鳴,馬劍,張寶剛,張明宇.夜天空亮度的測(cè)量及其評(píng)價(jià)研究[J].照明工程學(xué)報(bào),2007,(09):6-11.