星星都去哪了
——城市夜空光度監(jiān)測項目組在行動

□ 江蘇省天一中學(xué) 沈新榮

星星都去哪了
——城市夜空光度監(jiān)測項目組在行動

□ 江蘇省天一中學(xué) 沈新榮

光污染的影響

光污染是繼水、氣、聲和渣污染之后的一種新型污染，主要包括白亮污染、人工白晝和彩光污染。光污染的影響首先在于破壞天文觀測環(huán)境。隨著城市照明、戶外廣告、亮化工程的推進，天空發(fā)亮已經(jīng)成為全球性現(xiàn)象。約翰 . 波特爾于2001年在《天空與望遠鏡》雜志上發(fā)表了著名的波特爾黑暗天空分類法，他將天空分為9個等級：在第1等級“極黑的夜空”地區(qū)，連黃道光、黃道帶和對日照都能看到，天蝎座和人馬座間的銀河區(qū)域亮到可以照出地物的影子，肉眼的極限星等在努力后可以達到7.6至8.0等；而在第9等級“市中心的夜空”地區(qū)，包括天頂在內(nèi)的整個天空都被照亮，肉眼的極限星等低于4.0等，只有月亮、行星和昴星團可能給觀星者帶來些許樂趣。

光污染對天文觀測的影響極大，歷史上天文臺因此而被迫搬遷的案例屢見不鮮。英國格林尼治天文臺早在1948年就為躲避光污染和大氣污染而遷往東南沿海環(huán)境優(yōu)美、觀測條件更好的赫斯特蒙蘇堡地區(qū)。格林尼治天文臺舊址現(xiàn)已劃歸英國國家海洋博物館，設(shè)有天文站和天文儀器館，里面陳列著許多早期的天文望遠鏡、時鐘、渾天儀和地球儀，供游客參觀游覽。在美國、加拿大、日本、西班牙、葡萄牙等國，多個著名天文臺都曾幾次遷址。我國紫金山天文臺的觀測工作也全部轉(zhuǎn)移到了其他觀測站點，紫臺園區(qū)則已改建為天文博物館，以天文科普和天文旅游為主，僅保留了少量與太陽觀測有關(guān)的科研工作。

當(dāng)然，光污染的影響并不局限于天文觀測。居高不下的學(xué)生近視率、迷途的海龜幼崽、撞上玻璃幕墻的飛鳥、爆發(fā)性增殖的水藻、能源緊缺與氣候變暖，這些看似并無關(guān)聯(lián)的人與事，其實背后都與燈光之?dāng)_息息相關(guān)。

圖1　波特爾黑暗天空分類法，（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

圖2　格林尼治天文臺舊址（沈新榮攝）

光污染在無錫

早在社團成立之初，我們就知道無錫的觀星條件不好。我們知道，距市中心三陽廣場約6.2千米遠的天一中學(xué)校園里，天空是白的、灰的、橙的、多彩的，北斗七星中的天權(quán)是看不到的，獅子座的鐮刀是認(rèn)不全的……我們從未意識到在距三陽廣場16.9千米遠的斗山山頂竟然連仙女座大星系M31和獵戶座大星云M42都僅能勉強分辨，山腳下的路燈和遠近城鎮(zhèn)的光源清晰可見，天空泛著淺淺的灰白色；我們從未意識到在與市區(qū)間隔有十千米丘陵的太湖十八灣地區(qū)竟連天頂附近的銀河都徹夜不現(xiàn)，三角座星系M33也必須通過雙筒鏡才能被觀察到。一期一期的觀星營辦起來，露營點的環(huán)境卻始終那么令人遺憾。

圖3　無錫太湖寶界山林公園（胡天寧攝）

就這樣陰差陽錯卻又命中注定的，“光污染”成了我們觀星的結(jié)，成了我們天文科普的切入點，它是我們現(xiàn)今研究的課題之一。

從2011年開始，我們先后策劃了多期“星空光害旅行團”活動，組織學(xué)生在一個晚上的時間內(nèi)，從市中心到城區(qū)、再到郊區(qū)、遠郊和鄉(xiāng)村，實地感受和對比分析各地區(qū)的光污染情況。此外，我們還策劃了“都市數(shù)星星”“光污染攝影賽”“在微光中辨認(rèn)顏色”等光污染相關(guān)的科普活動。

圖4　Sky Quality Meter（LE+H+POE），（測量天光的儀器，沈新榮攝）

圖5　赴香港大學(xué)交流培訓(xùn)（港大物理系供圖）

夜空光度測量

2012年9月，學(xué)校從加拿大進口了9臺夜空光度測量儀（Sky Quality Meter-L），我們的“無錫城市夜空光度測量研究”課題正式開始了。

為科學(xué)、有效地開展夜空光度測量工作，我編寫了《無錫市夜空光度測量指導(dǎo)》方案，就測量時間、地點、方法及報告填寫的格式做了統(tǒng)一規(guī)范。在測量方法上，首先介紹的是最常見的目視極限星等法，即通過肉眼能觀察到的最暗星等來進行估算：選擇2個或2個以上的地平高度大于40°的定標(biāo)天區(qū)，數(shù)出該天區(qū)內(nèi)能觀察到的恒星數(shù)目，與國際流星組織提供的表格對比來確定極限星等。但這種方法有一定的局限性，比如不同的人因視力不同而測定的極限星等會有差異，測定的極限星等可能因定標(biāo)天區(qū)的緣故并不是天頂附近的……其次是照相法，這種方法的缺點在于測量時間較長，對攝影者的技術(shù)要求較高，膠片可能出現(xiàn)倒易率失效的問題或CMOS/CCD長曝光噪點增多的問題……第三是儀器測量法，SQM-L是一款國際頂尖的手動測光儀，它只對可見光有感應(yīng)（裝有近紅外過濾器），測量范圍僅限于感應(yīng)面中心軸角距20°范圍內(nèi)的天空。SQM-L是一款極易操作的傻瓜機，操作者只需將感應(yīng)面對準(zhǔn)天頂，按下開關(guān)并釋放，數(shù)值就會立即顯示出來。SQM-L讀數(shù)的單位是星等/平方角秒，我們可以根據(jù)需要，使用“A（星等/平方角秒）=12.41-2.5lgB（坎德拉/平方米）”公式進行方便的轉(zhuǎn)換。

通過兩年多的測光，我們共收集了2000多組有效數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)無錫城區(qū)（解放環(huán)路內(nèi)）三塊不同功能用地間夜空光度均值存在明顯的差異（中心商務(wù)區(qū)最亮，老舊居民區(qū)最暗，混合地區(qū)居中），市區(qū)的夜空光度均值隨距三陽廣場遠近不同存在相關(guān)系數(shù)達0.978的線性關(guān)系，天一中學(xué)天文教室樓頂上方天空的夜空光度在不同地平高度和方位上的變化明顯符合無錫城市用地的分布特征。夜空光度隨時間的變化也表明夜空光度隨著人造光源在前半夜的逐漸關(guān)閉有線性的減弱而后半夜僅受道路照明等長明燈的影響故變化不明顯。據(jù)此撰寫的論文在發(fā)表后得到了廣泛的社會關(guān)注，香港大學(xué)物理系首席講師潘振聲博士邀請我們訪問并參觀香港地區(qū)的夜空光度監(jiān)測站，開展交流與研討工作；國際天文學(xué)聯(lián)合會天文普及室張師良室長邀請我們加入Globe at Night - Sky Brightness Monitoring Network，成為國際夜空光度測量網(wǎng)絡(luò)的一員。

2015年9月，在我們的發(fā)動下，由五家單位共建的“無錫城市夜空光度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”已經(jīng)開始著手規(guī)劃，更為先進的Sky Quality Meter（LE+H+POE）自動測光組件將成為各個監(jiān)測站的主力設(shè)備，為我們進一步搜集和分析夜空光度的地區(qū)差異（鄉(xiāng)村與城市），時間變化（長期多年、短期一夜），影響因素（月相、云量、人造光源）提供可靠的數(shù)據(jù)來源。

我們期待自己的這些微薄的工作能推動光污染防治在社會公眾中的認(rèn)識與重視，能為未來政府機構(gòu)進行光污染治理和立法提供參考。我們也期待，更多的單位可以踏上夜空光度監(jiān)測的征途，共同推動善用燈光和保護美麗星空的公眾教育行動。

（責(zé)任編輯 張長喜）