夜間人工照明光污染研究現(xiàn)狀

王智德，袁景玉，姚 勝，張明宇

(1.河北工業(yè)大學(xué) 建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，天津 300130; 2.天津大學(xué) 天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

引言

對(duì)人造光源的迫切需求，反映了人類較差的夜視能力和對(duì)黑暗的原始恐懼。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也離不開室外人工照明。在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)中，人們竭盡所能提升城市的照明水平，進(jìn)而提高城市的夜間安全性，并且在一定程度上反映出了城市的發(fā)展水平，帶來(lái)更多的城市活力。夜間照明除了吸收更多資金和能源之外，城市中過(guò)多的人工照明也給我們的夜空帶來(lái)了過(guò)多的光污染，超出了實(shí)際的光源需求?？焖俚某鞘谢徒?jīng)濟(jì)發(fā)展不可避免地導(dǎo)致光污染現(xiàn)象的產(chǎn)生，造成了環(huán)境問題[1]，甚至導(dǎo)致在現(xiàn)代的大城市中，我們抬頭無(wú)法直接看到星星[2]，取而代之的是各種光暈。夜空亮度自動(dòng)監(jiān)測(cè)可以有效地了解光污染區(qū)域差異和時(shí)間變化，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，城市發(fā)展正在降低夜空質(zhì)量[3]。城市的快速發(fā)展給天文觀測(cè)、能源安全和生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)了巨大的壓力[4]。意識(shí)到這一問題的科研工作者也相應(yīng)的給出了各自的解決方案，希望可以改善目前光污染日益嚴(yán)重的狀況。

1 光污染區(qū)域分布特征

光污染的形成與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展規(guī)律息息相關(guān)，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，造成了照明設(shè)備的過(guò)度使用。為進(jìn)一步探明光污染與社會(huì)發(fā)展間的相互關(guān)系，部分相關(guān)研究人員對(duì)此進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，從時(shí)間與空間上對(duì)光污染分布的特征進(jìn)行分析。

1.1 國(guó)內(nèi)光污染區(qū)域分布研究

Wei等[5]為了得出中國(guó)光污染的時(shí)空格局和演變規(guī)律，選取了1992年至2012年國(guó)防氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)線掃描系統(tǒng)影像，采用線性回歸趨勢(shì)法和夜間燈光指數(shù)法分別對(duì)全國(guó)、區(qū)域和省級(jí)尺度的中國(guó)光污染特征進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)：1)近21年來(lái)，中國(guó)省會(huì)城市光污染顯著擴(kuò)大，且光污染大部分集中在東部沿海地區(qū)，長(zhǎng)三角、珠三角、京津冀地區(qū)形成光污染延伸區(qū)；2)中國(guó)光污染主要集中在華北和華東地區(qū)，占全國(guó)光污染總量的50%以上，光污染增長(zhǎng)最快的是西北地區(qū)(增幅340%)，其次是西南地區(qū)(增幅290%)，華東地區(qū)、華中地區(qū)和東北地區(qū)的增長(zhǎng)速度穩(wěn)定，華北地區(qū)和華南地區(qū)的增長(zhǎng)速度下降；3)省級(jí)尺度上，光污染主要分布在山東、廣東和河北三省，西藏和海南增長(zhǎng)最快，但發(fā)達(dá)省份(香港、澳門、上海、天津)的光污染水平要高于不發(fā)達(dá)省份。

對(duì)城市而言，光污染的分布特征也遵循經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律，劉鳴等[6]對(duì)大連地區(qū)的衛(wèi)星可視化觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出，發(fā)達(dá)地區(qū)如商業(yè)區(qū)的光污染情況最嚴(yán)重；而城市內(nèi)的色溫分布特征為居民區(qū)的色溫均值較高。

1.2 國(guó)外光污染區(qū)域分布研究

歐美國(guó)家和地區(qū)也有學(xué)者對(duì)光污染和城市發(fā)展的關(guān)系做出了相關(guān)研究。GDP作為衡量經(jīng)濟(jì)發(fā)展的指標(biāo)之一，F(xiàn)alchi等[7]通過(guò)對(duì)比歐美區(qū)域GDP與光污染的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，歐洲的光污染程度最嚴(yán)重和最輕地區(qū)之間相差6 800倍，人均光通量相差120倍，單位GDP光通量相差267倍。美國(guó)各縣之間的差異則更大，污染嚴(yán)重與輕微地區(qū)光污染程度相差20萬(wàn)倍，人均光通量相差1.6萬(wàn)倍，每單位GDP光通量相差40 000倍。

上述關(guān)于光污染與社會(huì)經(jīng)濟(jì)之間關(guān)系的研究，其相關(guān)成果可以為政府提供信息，幫助政府制定減少光污染的政策，降低光污染帶來(lái)的能源浪費(fèi)與不良影響。

2 光污染造成的危害

LED光源等新型照明設(shè)備在夜間的廣泛應(yīng)用使夜間環(huán)境亮度進(jìn)一步增強(qiáng)，這導(dǎo)致不良的光污染現(xiàn)象在世界范圍內(nèi)廣泛傳播?？茖W(xué)界對(duì)人工照明為生物多樣性帶來(lái)的影響也越來(lái)越感興趣[8]。光污染在社會(huì)、人體、生態(tài)等方面均產(chǎn)生不利影響，描述這些影響的變化方式和程度已經(jīng)成為若干學(xué)科的重要問題。

2.1 光污染對(duì)生態(tài)的影響

人造光通過(guò)在大氣中的散射在遠(yuǎn)離光源處擴(kuò)散，對(duì)自然夜空亮度產(chǎn)生巨大影響。Massetti等[9]分析了意大利托斯卡納地區(qū)五個(gè)不同地點(diǎn)的光污染，對(duì)其2016年—2019年的夜空亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評(píng)估每個(gè)地點(diǎn)夜空亮度與當(dāng)?shù)丶竟?jié)變化、月相周期及天氣條件之間的關(guān)系，在城市中，雨天的平均夜空亮度可能達(dá)到15.4 mpsas(約為自然背景亮度的436倍)。

夜間過(guò)度使用人工照明所產(chǎn)生的光污染，從而對(duì)夜空和自然地區(qū)的生物多樣性產(chǎn)生影響[10]，造成大量生態(tài)問題。許多學(xué)者針對(duì)這一問題進(jìn)行研究并做出相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行證明，測(cè)試光污染對(duì)草食動(dòng)物及植物的影響，實(shí)驗(yàn)證明，光污染會(huì)影響植物的韌性[11]；一些動(dòng)物的褪黑激素會(huì)被極低的光照強(qiáng)度所抑制，比光敏感人群的閾值還要低得多，但人類不同個(gè)體之間的差異較大[12]。上述部分物種相關(guān)研究成果總結(jié)如表1所示。

表1 光照對(duì)動(dòng)物與人類節(jié)律產(chǎn)生影響的照度閾值

上述研究表明，夜間光污染超過(guò)一定程度時(shí)，可能會(huì)影響夜間活動(dòng)生物物種的正常生存，因此關(guān)于光污染變化的研究對(duì)于生態(tài)研究非常重要。

2.2 光污染對(duì)人體健康的影響

人造照明是必不可少的部分，但由于不必要或過(guò)度使用光而會(huì)造成光污染，光污染對(duì)人體健康帶來(lái)不利影響。與自然光不同，人造光源發(fā)射更多的藍(lán)色光波，帶來(lái)眼疲勞等各種眼部癥狀。人們?cè)絹?lái)越重視創(chuàng)建舒適和健康的照明環(huán)境，改善生活水平，所以了解人工照明對(duì)人類身體反應(yīng)和心理活動(dòng)的影響至關(guān)重要。一些研究表明，光污染可能對(duì)人類健康和情緒有直接或間接的影響[13]。環(huán)境亮度是使人類晝夜節(jié)律與太陽(yáng)明暗周期同步的重要因素之一。因此，不正常的環(huán)境明暗循環(huán)會(huì)引起人體晝夜節(jié)律異常，并可能導(dǎo)致各種心理或生理機(jī)能障礙[14]，如圖1所示。

圖1 光污染對(duì)人體健康的影響Fig.1 Effects of light pollution on human health

相關(guān)研究成果如下：

(1)對(duì)生理健康的影響。

人工光源對(duì)人體具有直觀的視覺作用，人的眼球在持續(xù)或過(guò)度暴露于藍(lán)光下時(shí)，可能會(huì)因氧化應(yīng)激而導(dǎo)致視網(wǎng)膜意外損傷[15]。電燈在工業(yè)化國(guó)家中被廣泛采用，極大地影響了人們的晝夜節(jié)律與心理健康[16]。光的數(shù)量、光譜變化、一天中的時(shí)間和持續(xù)時(shí)間都會(huì)對(duì)人產(chǎn)生非視覺影響。相關(guān)研究指出，暴露在夜間人工照明中可能增加某些疾病的發(fā)病率，包括代謝障礙、情緒障礙和癌癥[17]。對(duì)于人工光源的非視覺效應(yīng)，保持晝夜節(jié)律的規(guī)律性十分重要，異常的晝夜節(jié)律將在一定程度上增大腫瘤和癌癥發(fā)生的可能性[18]。

(2)對(duì)心理健康的影響。

室內(nèi)夜間人工照明不僅會(huì)影響睡眠和晝夜節(jié)律，還會(huì)影響動(dòng)物與情緒相關(guān)的大腦回路。Xiao等[19]指出更高的色溫與照度有利于積極情緒的激發(fā)，并提高人的客觀警覺性，從而影響人的晝夜節(jié)律。然而，對(duì)于夜間室外光照水平和睡眠水平與人群心理健康之間的關(guān)系卻知之甚少。對(duì)此，Paksarian等[20]評(píng)估了夜間室外人工光源和美國(guó)青少年睡眠模式以及過(guò)去一年精神障礙之間的關(guān)系，證明夜間室外人工光源與青少年的睡眠方式以及情緒和焦慮癥的不良影響有關(guān)。

這些研究成果為利益相關(guān)者提供了人工光源對(duì)人體健康的作用這一領(lǐng)域內(nèi)的重要參考依據(jù)，以分別從人的生理與心理健康角度優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)中的人工照明環(huán)境，從而改善人類的健康。

2.3 現(xiàn)有研究的不足

光污染對(duì)人體與生態(tài)環(huán)境的影響程度目前仍不明確，尚需大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。

生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)動(dòng)植物的數(shù)量與種類繁多，目前的研究集中于對(duì)光較為敏感的夜行生物，后續(xù)研究可以繼續(xù)探究受到直接影響的夜行生物與其他普通生物之間是否產(chǎn)生影響；以及擴(kuò)大研究生物的種類，增加對(duì)其他也可能受到光污染影響動(dòng)物的研究，如無(wú)脊椎動(dòng)物、爬行動(dòng)物等。

光污染對(duì)人的影響的相關(guān)研究，仍需增強(qiáng)與醫(yī)學(xué)專業(yè)領(lǐng)域的合作，深入了解光污染在人體運(yùn)作機(jī)理層面上產(chǎn)生作用的原理。在已有針對(duì)光與情緒研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步擴(kuò)大研究范圍，加深人工照明在腦部科學(xué)以及精神學(xué)領(lǐng)域的研究程度。例如未來(lái)可研究人受到室外夜間人工光源的照射后，對(duì)精神和睡眠健康產(chǎn)生的影響。

3 光污染防治

目前，隨著全球性的人口增長(zhǎng)與城市化進(jìn)程的推進(jìn)，人們基于安全、視覺導(dǎo)向、審美和生活質(zhì)量等方面的考慮，提高了對(duì)公共照明的需求，而這帶來(lái)了更多的能源消耗和光污染[21]。隨著對(duì)光污染現(xiàn)象認(rèn)識(shí)的加深，越來(lái)越多的研究指向了光污染的防治途徑。需使用相應(yīng)規(guī)范的修訂，增強(qiáng)光污染檢測(cè)，新照明技術(shù)等手段解決這一新興的難題。

3.1 照明規(guī)范的修訂

快速的城市化進(jìn)程導(dǎo)致夜間人工照明顯著增加，這一情況已被廣泛研究，但對(duì)于夜間人工照明的供需狀況仍缺乏深入的認(rèn)識(shí)。Ye等[22]利用衛(wèi)星獲取夜間城市照明影像，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)人口密度數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出城市照明供給往往高于市民對(duì)光源的需求，對(duì)此，洪艷鈮[23]認(rèn)為規(guī)劃者應(yīng)當(dāng)建立最佳的照明規(guī)則，以緩解過(guò)度的人工照明帶來(lái)的破壞性影響。在照明規(guī)則研究領(lǐng)域內(nèi)，Yun等[24]將光污染對(duì)環(huán)境影響程度的評(píng)估方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以有效地管理和減少光污染區(qū)域的負(fù)面影響。Ngarambe等[25]基于韓國(guó)《光污染防治法》規(guī)定的照明限值作為標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量得出造成首爾光污染的重要原因是廣告和裝飾照明，所測(cè)量的廣告照明中有30%超出了法律限制，樣本區(qū)域中發(fā)現(xiàn)的裝飾照明中有73%超出了法律限制。Ngarambe建議當(dāng)?shù)氐墓馕廴菊呓⑾麜r(shí)間，所有的廣告和裝飾照明必須完全關(guān)閉。Ho 等[26]給出了18點(diǎn)至24點(diǎn)室外照度的建議控制值，部分?jǐn)?shù)值如表2所示。

表2 城市住宅區(qū)夜間室外廣告牌亮度的控制建議值

過(guò)量的異常照明會(huì)導(dǎo)致睡眠和晝夜節(jié)律紊亂，Phillips等[27]通過(guò)對(duì)55名志愿者的夜晚光線暴露實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)共351個(gè)夜晚的數(shù)據(jù)，得出夜間睡眠時(shí)室內(nèi)照度超過(guò)24.6 lx將對(duì)褪黑素分泌產(chǎn)生明顯抑制作用。

綜上，制定合適的照明指標(biāo)與規(guī)范對(duì)于減少室外環(huán)境的光污染是至關(guān)重要的，照明的智能化趨勢(shì)進(jìn)一步增加了相關(guān)指標(biāo)設(shè)定的重要性[28]。

3.2 光污染檢測(cè)技術(shù)的升級(jí)

對(duì)于城市照明規(guī)劃而言，需要從空中在宏觀上把握光污染的分布規(guī)律。高空拍攝技術(shù)為城市光污染的檢測(cè)提供了新的技術(shù)支撐[29]，如衛(wèi)星和高空氣球。

Kim等[30]使用國(guó)際空間站的衛(wèi)星設(shè)備繪制了漢城的夜間圖像，通過(guò)地圖可以找出光污染程度較強(qiáng)區(qū)域的局部特征，如商業(yè)區(qū)、辦公集中區(qū)和大型體育設(shè)施。Gill等[31]介紹了位于平流層的超壓氣球成像望遠(yuǎn)鏡。這種氣球具有很高的穩(wěn)定性，可以利用它拍攝夜空亮度圖像。

遙感觀測(cè)相較于傳統(tǒng)光環(huán)境檢測(cè)方式，可以更好地描述光污染產(chǎn)生的負(fù)面影響，可行性更高，適合對(duì)城市規(guī)劃進(jìn)行指導(dǎo)[32]，降低光污染對(duì)城市生物多樣性的破壞程度，為城市管理中的光污染治理提供了新的途徑。

3.3 照明技術(shù)的改進(jìn)

公共照明新技術(shù)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展，目前市場(chǎng)上已經(jīng)存在一些較為成熟的智能照明產(chǎn)品，路燈本身集成了大量傳感器，可以測(cè)量當(dāng)?shù)販貪穸取⒖諝赓|(zhì)量、降水量等數(shù)據(jù)，同時(shí)燈身攝像頭具備報(bào)警和安防監(jiān)控的功能，維護(hù)人員可以使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行設(shè)置和檢修。其系統(tǒng)構(gòu)造原理如圖2所示。

圖2 路燈智能控制系統(tǒng)示意圖Fig.2 Intelligent street lamp control system

使用智能路燈網(wǎng)絡(luò)，市政管理者可以根據(jù)交通量或時(shí)間段來(lái)調(diào)節(jié)LED路燈的亮度。路燈的智能調(diào)光降低了夜間人工照明的亮度水平，有助于減輕光污染。其中部分使用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的路燈智能控制系統(tǒng)，可通過(guò)預(yù)測(cè)行人路徑以保障行人安全、減少光污染現(xiàn)象和降低能源消耗水平[33]。

為了量化這種智能照明技術(shù)對(duì)夜間物種的影響，Bolliger等[34]在使用了智能調(diào)光路燈的街道上，對(duì)夜間昆蟲與蝙蝠的活動(dòng)數(shù)量進(jìn)行檢測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于大部分的光敏性生物來(lái)說(shuō)，街道自動(dòng)調(diào)光技術(shù)有助于減輕夜間人工照明對(duì)這些生物的負(fù)面影響。

此外，研究人員和設(shè)計(jì)師越來(lái)越關(guān)注光環(huán)境質(zhì)量并安裝高效的照明系統(tǒng)[35]，如Alberto等[36]提供了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化算法，具有不同的隱含層配置，可以優(yōu)化除節(jié)能外的多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，每層使用不同數(shù)量的神經(jīng)元，并通過(guò)分析來(lái)確定最適合的照明參數(shù)配置。

3.4 光污染防治研究展望

通過(guò)對(duì)上文中研究現(xiàn)狀的分析總結(jié)，結(jié)合目前的實(shí)際情況，提出以下幾點(diǎn)關(guān)于光污染防治研究的思路與展望：

1)照明規(guī)范在制定時(shí)應(yīng)該設(shè)定相關(guān)指標(biāo)的閾值，以更好地控制廣告和戶外裝飾照明中的光污染，在智能化發(fā)展迅速的背景下，相關(guān)指標(biāo)應(yīng)能指導(dǎo)智能照明設(shè)備的性能參數(shù)設(shè)計(jì)。

2)對(duì)于城市規(guī)劃而言，運(yùn)用遙感衛(wèi)星等新興研究技術(shù)手段，可以更好地幫助規(guī)劃者建立全面的視角，在城市尺度上把控城市照明設(shè)計(jì)。

3)在建筑照明設(shè)計(jì)中，增加能源利用效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更加可持續(xù)的人造環(huán)境，不以市民的視覺舒適度犧牲為前提，增強(qiáng)照明設(shè)計(jì)中關(guān)于人因工程的考量，這是目前建筑照明設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

公共照明設(shè)施的設(shè)計(jì)和運(yùn)行及其帶來(lái)的光污染對(duì)城市環(huán)境和市民生活的影響，是科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。

隨著人們對(duì)光污染的關(guān)注逐漸增強(qiáng)，相關(guān)研究對(duì)光污染分布成因及其變化趨勢(shì)進(jìn)行系統(tǒng)的分析，同時(shí)也更加深入了解光污染對(duì)整個(gè)生態(tài)以及人類身心健康的影響，并探究其背后的作用機(jī)理。

同時(shí)有大量科研人員，針對(duì)這一新的難題提出了新的解決方案：制定新的照明規(guī)范限制多余人造光源，研發(fā)推廣新的光污染檢測(cè)技術(shù)，以及運(yùn)用高技術(shù)手段對(duì)光污染進(jìn)行高效治理。這些方案為日后光污染的防治提供了理論基礎(chǔ)，為科學(xué)治理光污染提供理論以及技術(shù)支撐。