夜间户外照明及光污染挑战

几千年来，人类一直对夜空、月亮、无数的星星、漆黑的夜幕和蜿蜒的银河丝带充满敬畏。但自从电灯出现以来，人们的观点开始发生变化。如今，路灯、霓虹灯、体育场馆、交通网络、发光广告牌以及大量商业、工业和住宅建筑照明照亮了夜晚。

在阴暗的夜晚，由于云层反射地面上的人造光，城市上方的夜空会比200年前明亮几百倍甚至几千倍。¹事实上，现在全球80%的人口（美国和欧洲99%的人口）²都生活在“人工白昼”下，这是城镇和郊区所有人工照明的累积光晕效应。如需了解您所在地区或全球的光污染模式，请点击查看这张交互式光污染地图。

银河系和恒星--由于生活在城市环境中，天空的光芒无处不在，地球上的许多人将永远看不到这种景象。

天文学家和科学家们一直在警告，所有这些人工照明通过扰乱我们的昼夜节律对人类产生的负面影响和潜在危害（在这篇关于 以人为本的照明的文章中了解更多）。然而，夜间照明不仅影响人类，而且也会伤害动物物种和生态系统。例如，它可以：

• 扰乱夜行物种的行为模式，这些物种依靠黑暗来躲避捕食者。
• 改变对湿地的健康和平衡至关重要的物种，如青蛙的繁殖。
• 威胁到迷失方向的海龟幼崽的生存。每年仅在佛罗里达州，海滩上的灯光就会引诱数百万新生海龟进入内陆，而不是出海死亡。
• 杀害许多被高楼和塔楼上的灯光所迷惑的鸟类。灯光也扰乱了正常的季节性迁移模式。

曼谷上空闪耀的夜空。

人们对夜间灯光的另一个担忧是天空中明亮物体的数量激增。这些明亮物体既不是恒星也不是行星，而是卫星。目前有4500多颗卫星³在环绕地球的轨道上运行，这给天文学家们带来了挑战。卫星会在望远镜图像上留下明亮的条纹，干扰天文学家分析近空和深空天文现象。

户外照明需求及要求

市区和户外场地现在面临的挑战是如何在解决这些照明担忧与创建有效的夜间照明方案以满足社区照明需求之间取得平衡。考虑因素包括亮度、色度和能源效率。

亮度

亮度是至关重要的考虑因素之一。大多数户外照明应用需要高亮度（高流明）照明装置，以驱散夜间的黑暗。照亮城市街道、停车场、道路和国家高速公路已成为现代化生活的一个关键元素，以确保车辆、行人、骑行者以及道路上每个人的安全。为保证物体和人类的清晰可见性，这些照明必须足够明亮。

设计街道照明时，首要任务是符合联邦、州或城市地区的监管要求。举例来说，美国交通部联邦公路管理局（US Department of Transportation Federal Highway Administration）发布了“道路照明”标准，以确保国家道路的夜间能见度。

但随着光污染成为人们担忧的问题，照明制造商和设计师们不得不开始调整制造和设计方案。减少光污染的方法之一是安装更聚焦的定向照明装置。通过将光线向下引导，并尽可能减少任何侧向或向上的光束，可帮助减少不必要的眩光。此外，我们还可以安装运动传感器等装置，只有在检测到人员活动时才开启照明，从而减少不必要的亮度，并降低住宅和商业建筑的能源消耗。

色度

除了亮度外，色温（CCT）也是街道照明的一个重要考虑因素（参见下图）。美国医学协会（American Medical Association）建议，街道夜间照明系统的色温不应高于3000开氏度（K），以避免产生过多的蓝光，因为蓝光会干扰人类和动物的昼夜节律周期。

此外，显色性也是重要的指标，因为人工照明可能是一个地区在夜间的唯一照明来源。糟糕的显色性能会改变物体在周围环境中的外观，影响能见度4。举例来说，糟糕的显色性能会使红色物体看上去是黑色的。

高压钠灯（HPS）（左）具有显色性能不佳、能源成本高等缺点，在街道照明应用中，以LED灯（右）取代HPS灯，将带来显著的益处。举例来说，更换LED照明系统之后，美国洛杉矶市实现了64%的能源节约，同时仍然满足LABSL LED照明系统标准，包括色温不高于3000 K和显色指数（CRI）高于70。（图片来源）。

能源效率

如今，新型户外照明装置的另一个特点在于能源效率高。随着人们对传统发电厂温室气体排放的担忧日益增加，加上电力成本不断上涨，节能型照明系统需求变得更加紧迫。从本质上而言，我们的目标是使用比传统户外照明（如白炽灯、钠灯、紧凑型荧光灯、金属卤化物灯等）少得多的电力输入来实现相同的高亮度。

举例来说，以LED照明系统取代金属卤化灯之后，一座体育场可以实现高达75%的电力成本节省⁵。对于大型大学或专业体育场而言，电力成本节省将可以很快增加到每月数万美元。虽然LED灯具的初始安装成本更高，但LED具有较长的使用寿命（在70%的最大亮度下运行时，使用寿命可达30,000小时以上⁶），很容易填补初始安装成本差额。

LED照明可自动调节亮度以减少光污染

对于户外照明应用而言，LED照明具有显著的光学设计优点。LED灯可以发出更聚焦的定向光线，不会向所有方向扩散多余的照明，并且可以在适当的色温（CCT）下提供更明亮的光线（更高的亮度），而且比传统照明技术的能耗更低。从初始安装成本和功耗（总体拥有成本的关键要素）角度而言，LED照明更适用于户外照明应用。研究表明，LED路灯可以减少40-60%的能源消耗⁷。

减轻光污染可以从改进路灯设计开始。（图片来源）

LED性能测试

以上只是LED创新应用的部分示例。在LED系统和照明产品进入市场之前，制造商们需要进行大量研究、开发和测试。LED系统和灯具制造商们必须确保产品不仅提供用户期望的亮度（照度）和色彩（色度）性能，而且LED产品符合行业安全监管法规和标准，包括：

• 保险商实验室（Underwriters Laboratory）标准，如UL 8750
• 欧盟CE 和 RoHS认证
• 照明工程学会（Illumination Engineering Society）标准，如ANSI/IES LM-79-19
• 以及全球各地的其他类似组织发布的认证标准

获取LED照明和光源测量数据

过去30年来，瑞淀一直致力于提供光源测量解决方案，包括亮度、色度和其他特性的测量。瑞淀最早推出的产品之一是一款测角型测量系统，可以从多个角度采集光源数据。瑞淀的SIG-400 （光源成像测角仪^®）是该系列的第四代产品，这是一款计算机控制的完全自动化测角系统，经过专门设计，可对LED芯片和设备进行表征，以满足LED研究人员、开发人员、制造商和用户的需求。

SIG-400系统可以精确测量LED及其他小型光源的近场发光强度。该系统从光源周围的数千个角度视角采集并汇总图像与光通量测量数据，在三维空间中精确地表征光源的近场输出。SIG-400系统还支持垂直方向光源的测量，可以与显微镜头和扩展视场的光学元件搭配使用，提供同时测量LED和其他光源的灵活性。

瑞淀的SIG-400系统（左）及SIG-400系统对光源进行成像的结果示例，以伪色彩显示（右）。

 

引用文献

1. “Light Pollution Effects on Wildlife and Ecosystems.” International Dark Sky Association. (Accessed September 16, 2022)
2. “Light Pollution.” National Geographic Resource Library. (Accessed September 15, 2022)
3. Whitt, K., “Who Owns All the Satellites?” EarthSky, February 8, 2022.
4. Lighting for Health: Human Centric Lighting. Luminus Devices, August, 2021. 
5. "LED Lighting." U.S. Department of Energy. (Accessed September 19, 2022)
6. Itrogers_dev, “Use LED Lights to Reduce Light Pollution.” LED Light & Power, February 15, 2017.
7. "Lifetime of White LEDs." Pacific Northwest National Laboratory, PNNL-SA-50957. September 2009